地表沉陷变形的非线性研究

简要介绍非线性理论应用于地表沉陷领域的一些研究成果.主要包括两部分(1)神经网络理论在地表沉陷中的应用.建立减缓地表下沉,BP神经网络模型,预测开采引起的地表沉陷.(2)离散单元法在地表沉陷中的应用.利用离散元解决非线性问题的特点,分析注浆前、后岩层的移动和变形.研究表明,利用神经网络方法和离散元数值模拟可以很好地解决岩层移动的非线性变形,有效地指导工程实践.     

煤层地下开采地表沉陷预测的边值方法

采空区上覆岩、土体对地表沉陷的耦合行为可归结为弹性理论的边值问题,由不同性状松散表土层确定的应力边界和岩、土体之间形成的位移边界构成了相应边值问题的定解条件。在已有研究成果的基础上,提出了地表下沉预测研究的边值提法,以探讨地下开采引起的地表沉陷规律。给出了采空区上覆表土层内任一点的位移和地表下沉的计算公式,确定了地表沉陷的范围,并以神东矿区大柳塔1203工作面开采引发的地表沉陷为例给出了工程实例。研究结果表明,采空区上覆岩体对地表及表土层内任一点下沉的影响取决于上部岩层破断后的结构形态;采空区上覆土体对地表下沉量的作用与土体性质及表土层厚度有关,土体对表土层下沉的影响由下而上增大,呈非线性变化,至地表达最大值;地表沉陷区域随表土层厚度的增加而增大,其影响范围远大于采空区。     

采矿地表沉陷的神经网络预测

矿山开采引起的地表沉陷受地质条件和采矿条件等诸多因素的影响,这些因素又具有非线性关系,很难用数学模型加以描述,因而在求解问题时遇到困难.利用神经网络系统对求解非线性问题的优点,对地表沉陷问题进行预测,其结果和实测值基本一致,从而证明了它对地表沉陷预测的可行性和实用性.     

铁路专线下综放开采地表沉陷规律

为了保障山西郭庄煤矿铁路专用线的安全运营,通过建立岩移观测站,在收集整理监测数据的基础上,对铁路专用线经过的山西常村煤矿S3-13工作面采动引起的地表移动变形规律进行了分析。研究结果表明：综放开采条件下,地表移动变形剧烈,下沉值大,但下沉速度相对较小;地表下沉系数较大（0.76）,主要影响角正切tanβ偏大（2.78）,最大下沉角较大（89°）;地表移动总持续时间长,活跃期时间占比58.7%,活跃期下沉量占总下沉量的89%,活跃期变形剧烈且集中。研究成果旨在为后期工作面开采过程中铁路的变形预测及维修防治提供理论依据。     

采空区上方建筑物地基附近的地表沉陷

根据载荷作用线上水平位移的特征和采空区上覆岩层破断后的结构形态,确定了位移边界条件;给出了采空区上方任意点的沉降位移、地表沉陷、地表水平位移以及建筑群引起的地表沉陷;探讨了在采空区和建筑物载荷的共同作用下地表的移动特性。研究结果表明:建筑物引起的地表沉陷与建筑物和采空区的相对位置有关;建筑物附近的地表下沉随着采空区上覆岩土层厚度的增加而减小,呈非线性变化;在沉降范围内,建筑物两侧地表的水平位移均匀分布,方向相向,均指向建筑物。     

深部开采地表沉陷规律模拟研究

通过对煤矿深部开采沉陷的结构力学模型研究,提出了盆地水平煤层地表沉陷的理论预测模型,给出了整体和分步两种近似计算方法。在变动煤层开采深度和工作面长度的条件下,采用数值模拟方法对相关的数据进行了拟合计算对比,并基于现场沉陷观测数据对模型进行了验证。新模型方法结合力学模型计算得出开采沉陷预计参数,可以针对上覆岩层的力学参数对所得预测数据给出合理的力学解释,摆脱了经典预计模型概率积分法只依靠统计方法预测结果的缺陷,可为深部安全开采和地表沉陷的预测与控制,提供可靠的科学依据     

考虑地表沉陷影响的复合地基承载力计算方法

受地下开采的剧烈扰动,采煤沉陷区的复合地基工程会发生非常大的下沉和水平位移,常规的承载力计算方法未考虑地表沉陷影响。在研究地表沉陷影响的复合地基承载特性的基础上,建立了考虑地表沉陷影响的复合地基受力模型,并且提出了考虑地表沉陷影响的复合地基承载力计算方法。通过一个采煤沉陷区桥梁复合地基工程实例的计算分析,发现考虑地表沉陷影响后,复合地基承载力有一定程度的下降。     

条带开采地表沉陷预计的新理论

条带开采产生的地表沉陷是地下开采扰动了工程岩体，并由此在地表引起的综合反映，地表沉陷只是岩层移动的一种特殊现象．本文将条带开采工程岩体概化为具有开挖孔洞的分层各向同性线弹性半空间体．给出了条带开采引起的岩层移动及其他表沉陷预计的新方法．首次从理论上提出了条带开采三维岩层移动模式．     

矿山沉陷区新建建筑物可行性分析

论文就矿山沉陷区开采煤层上覆岩层变形规律、沉陷区形成基本特征及稳定性进行了分析,对竖向集中荷载与矩形截面竖向均布荷载作用下的建筑物荷载传播深度进行分析。通过对建造建筑物时间的选择、地基附加应力传播深度的确定,评价地表残余移动变形对地基的影响。对矿山沉陷区能否新建建筑物进行可行性分析,为地基附加应力传播范围提出分析方法,为沉陷区新建建筑物提供理论依据。论文对一工程实例进行了可行性论证分析,证明了理论的可行性并得出了重要的结论。     

固体密实充填开采地表沉陷预计模型研究

为了实现对固体密实充填开采地表沉陷进行科学地预计,需要根据其覆岩结构形态演化规律和岩层移动特征建立完备的沉陷预计模型及其参数体系。相似材料模拟和钻孔窥视表明,固体密实充填开采覆岩形态以完整层状结构的弯曲带为主,覆岩仅在近顶板附近发育一定高度的断裂带,不发生垮落现象。岩层移动特征类似纵向载荷作用下层合板的弯曲变形,通过力学简化,基于层合板理论建立了固体密实充填开采地表沉陷预计模型。研究表明,固体密实充填开采地表沉陷形态仍可用概率积分模型进行描述,并进一步探讨了基于“等价釆高”的固体密实充填开采地表沉陷预计模型参数体系。最后将本文建立的地表沉陷预计模型应用于某工程实例,取得了良好的效果。     

基于神经网络的沉陷区水深遥感研究

为获取煤矿积水沉陷区遥感影像数据与沉陷区水深的定量关系,建立了BP神经网络水深反演模型,并对淮南潘一矿积水沉陷区水深进行了反演。首先对Landsat卫星影像数据(TM影像)进行几何校正、大气校正和沉陷区范围提取等,然后输出像元反射率值,并与水深实测控制点坐标匹配,使水深值与反射率值对应。实验结果表明:以水深值2 m为阈值,水深值小于2 m的区域,模型反演水深值与实测水深值的平均绝对误差为0.166 3 m,平均相对误差为13.29%;水深值为2~6 m的区域,模型反演水深值与实测水深值平均绝对误差为0.578 6 m,平均相对误差为15.20%。     

基坑挡墙变位诱发地表沉陷的模型试验研究

针对刚性挡墙不同变位模式,对基坑开挖过程中地表沉陷规律进行模型试验研究。开展的模型试验分别模拟了挡墙在平移（T模式）、绕墙趾转动（RB模式）和绕墙顶转动（RT模式）3种基本刚性变位模式下诱发的墙后地表沉陷,得到了土体沉陷曲线的分布规律。结果表明,挡墙平移时,墙后地表沉降呈勺型分布,最大沉降紧靠墙背处;挡墙绕墙趾转动时,墙后地表沉降近似呈三角形分布,最大沉降紧靠墙背处;挡墙绕墙顶转动时,墙后地表沉降近似呈抛物线分布,最大沉降位于距墙背一定距离的位置处。挡墙变位距离相同时,对于绕墙趾和绕墙顶转动模式,墙后土体沉陷的面积基本相等,两者沉陷面积之和近似等于平移模式的土体沉陷面积,另外,挡墙变位面积与墙后土体沉陷面积也近乎一致。将试验观察的沉陷曲线与既有的解析解作了对比分析,验证了二者的一致性。     

基于D-InSAR技术的矿区地表沉陷监测研究

矿山开采可能诱发各种地质灾害,威胁矿区的社会稳定和居民的生命财产安全,快速准确监测矿区沉陷可有效预防地质灾害。本文以山西省大同煤矿为研究对象,获取2022年10月至2023年3月共13景Sentinel-1影像,基于合成孔径雷达差分干涉测量技术(Differential Interferometric Synthetic Aperture Radar,D-In SAR)进行地表沉陷监测研究,获取大同煤矿地表累计沉陷量,使用已有研究成果对比验证了本实验结果的可靠性。结果表明,大同煤矿沉陷分布较广,主要分布在大同市南郊区西部以及南郊区、怀仁市、左云县和山阴县四县市交界处,监测期间最大、平均沉陷量分别为381.43 mm、13.88 mm,总沉陷面积约为207.91 km2,根据7个重点沉陷区的时空变化特征及演化规律发现沉陷呈现持续扩张趋势,推断地表沉陷仍会持续较长时间。研究证明了In SAR技术在矿山开采沉陷监测的可靠性,为矿产资源管理工作提供新的技术方法,研究结果可为矿山开采沉陷治理和地质灾害防控提供参考依据。     

山西采煤沉陷区地质灾害特征分析

笔者从山西省的不同区域选取了7个具有代表性的采煤沉陷区区块样本,采用类比法和归纳法,对采煤沉陷区自然和人为因素引起的地质灾害类型、特征以及地质灾害的环境衍生效应进行了研究。结果表明地裂缝及地面塌陷是山西采煤沉陷区的主要地质灾害类型;地质灾害的诱发因素主要是人类工程活动,特别是采煤活动。此类灾害具有集聚性与群发性、诱发的多因性与治理的复杂性、灾害的衍生性与影响的多方面性等特征。地质灾害是造成地形地貌景观、土地资源、水资源、生态环境被破坏的重要原因,必须对其进行综合治理。     

盐穴储气库破坏后地表沉陷规律数值模拟研究

地下盐穴储气库在天然气调峰和保障供气安全上具有不可替代的作用。地下盐穴储气库达到设计年限后,将报废而逐步垮塌,必然引起严重的地表沉陷。因此,对盐穴储气库破坏后地表沉陷规律进行研究具有十分重要的意义。考虑到目前的数值分析软件进行地表沉陷分析的不足,开发了用于盐穴储气库破坏后地表沉陷数值模拟的有限元专用软件-2D-Sink,该软件具有处理破碎岩块的能力。应用2D-Sink对盐穴储气库破坏后引起的地表沉陷规律进行了系统的研究,共建立了6种模型进行数值模拟,分别研究了地表沉陷层理效应、地表沉陷的岩层倾斜效应、地表沉陷的断层效应和多盐穴地表沉陷规律。对多溶腔地表变形曲线与单溶腔叠加的地表变形曲线进行比较,验证了地表沉陷叠加原理的正确性。研究成果为盐穴储气库报废后地表沉陷灾害控制提供了理论基础。     

基于弹性薄板理论的煤矿采空区地表沉陷预测

采煤沉陷已成为煤矿区危害范围最广、影响程度最大、延续时间最长的一种工程地质灾害,在对赵各庄煤矿矿山地质环境调查的基础上,分析采空沉陷区地质灾害发育及成因特征,基于弹性薄板理论的规划开采区域采空区地表沉陷预计,可初步预计采空区地表沉陷特征并对其引发地质灾害进行预测。     

可描述地表沉陷动态过程的时间函数模型探讨

分析了地下采矿引起的地表沉陷的w-t曲线为一近似的“S”型曲线。地表点沉陷的物理过程是一个先加速后减速的过程,且速度曲线的起点和终点的数值为0。因此,能描述地表点沉陷动态过程的时间函数模型不但能较好地拟合沉陷的w-t曲线,而且由此函数模型求出的v-t曲线和a-t曲线也要符合地表沉陷随时间变化的物理过程。通过分析目前常用的预测地基或路基沉降的时间函数模型如指数时间函数模型、双曲线时间函数模型、Gompertz时间函数模型、logistic曲线时间函数模型和Weibull曲线时间函数模型的w-t、v-t和a-t曲线,得出,只有Weibull曲线时间函数模型能完整地描述地表沉陷的动态过程,并且用2个煤矿地表的沉陷观测实例进行了验证。     

基于弹性薄板的不规则采动地表沉陷预计模型

文章借助弹性薄板理论,建立地表沉陷变形的预计模型,并给出任意点地表变形的预计表达式。针对地下开挖空间形状的不规则性,推导出了水平空间、倾斜面空间以及不规则开挖空间：椭圆抛物面空间、二次柱面空间以及二次曲面空间地表沉陷的预计公式。本文的研究结果对该类开采沉陷问题的研究具有一定指导意义。     

高速公路的下伏开采沉陷灾害的研究

地下开采所引起的地表沉陷灾害是我国高速公路建设中所面临的一个新的课题.文章论述了条带煤采空区所引起的地表沉陷对高速公路建设的影响,建立了相关灾害的研究程式和研究方法,并利用研究成果进行了实例应用,取得了良好的效果.     

虎头石煤矿土地整理地表沉陷稳定性评价

已闭坑多年的凌源市虎头石煤矿矿区范围内要实施土地整理项目,为确保土地整理工程安全,对其进行地表沉陷稳定性评价。本文通过虎头石煤矿采空区的采深采厚比及采空区埋深与覆岩破坏高度大小判断地表变形是否连续,采用概率积分法进行地表移动变形计算,通过地表移动延续时间和地表移动变形分析和评价矿区采煤沉陷稳定性,为类似煤矿地表沉陷稳定性评价提供参考。