【正文】 與力學(xué)性質(zhì)，根據(jù)一些采掘參數(shù)，利用多層次的反饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，即可預(yù)測采礦引起的沉陷 【5】 。如：基于 Broyden 算法的概4 / 68率積分法預(yù)計(jì)參數(shù)求取方法，改進(jìn)了預(yù)計(jì)參數(shù)計(jì)算的不足，具有以一定的優(yōu)越性 【10】 。第二類主要是地下治理，也是源頭治理，即要防止采空區(qū)地面下沉。2 沉陷控制⑴ 礦山開采沉陷控制技術(shù)礦山開采沉陷控制技術(shù)可分為四類：以充填體為核心的巖層控制技術(shù)、以部分支撐礦柱為核心的開采技術(shù)、以協(xié)調(diào)開采為核心的變形控制技術(shù)和以建筑物為核心的保安煤柱設(shè)計(jì)技術(shù) 【13】 。這種方法可使采場沒有或減少垮落帶，能更好的減少地表下沉 【14】 。注漿材料一般為選用既經(jīng)濟(jì)又便宜的工業(yè)廢料——電廠粉煤灰作為主要充填材料，利用水泥的粘結(jié)性和粉煤灰按比例拌和，改善了粉煤灰粘結(jié)性差的弱點(diǎn)，提高其結(jié)石體強(qiáng)度，抑制了其振動(dòng)液化；同時(shí)充分利用粉煤灰流體性好的特點(diǎn)，充填地下采空區(qū)裂隙或空洞。沉陷治理要做好規(guī)劃，根據(jù)治理區(qū)的規(guī)劃用途，選擇合適的治理技術(shù)方法，不能對(duì)于所有的治理區(qū)都選擇一樣的方法，同時(shí)也要考慮治理的經(jīng)濟(jì)成本，選擇可行的治理方式。 本次研究采用的理論和主要研究內(nèi)容本次研究主要采用概率積分法和 FLAC3D 數(shù)值模擬，對(duì)采煤沉陷區(qū)進(jìn)行沉陷預(yù)測；治理方法也主要選擇土地復(fù)墾的方式。 隨機(jī)介質(zhì)理論首先由波蘭學(xué)者李特威尼申(J． Litwiniszyn)于 50 年代引入巖層移動(dòng)研究，后由我國學(xué)者劉寶琛、廖國華等發(fā)展為概率積分法。由于巖體中有一系列原生的和開采引起的裂隙面和其他非連續(xù)面，所以用非連續(xù)介質(zhì)模型研究開采沉陷問題是適當(dāng)?shù)摹ｎw粒之間完全失去聯(lián)系，可以相對(duì)運(yùn)動(dòng)。假設(shè)此方格上一層的兩個(gè)相鄰方格中的哪一個(gè)小球滾入此方格完全是隨機(jī)的(所以稱為“隨機(jī)介質(zhì)”)，井具有相同的概率 1／2。若格子的尺寸非常小，則這個(gè)直方圖趨近于一條光滑的曲線。設(shè) P(x，z+b)、 21P( ，z) 和 P( ，z) 分別表示圖 2—1a 中的 a1 格放出若干個(gè)小球時(shí)，圖 2—2 的a2x?a2x?A、B 和 C 格子中的小球發(fā)生移動(dòng)使相應(yīng)格子出現(xiàn)空位的概率，則根據(jù)概率相加和相乘的意義，可寫出以下等式：P(x，z+b)= P( ， z)+ P( ，z)21a?21ax?若格子的只才非常小，a 、 b 與 x、z 相比可以認(rèn)為是極小量，則上式中含有概率 P 的項(xiàng)可在點(diǎn)(x ， z)附近用泰勒公式展開，并根據(jù)精度和問題的需要取前 2 或 3 項(xiàng)，則上式可近似寫成10 / 68整理上式．可?????? ????????????? ?????8axzP2axzPzx21 8axzP21bP2 22），（），（），（ ），（），（），（），（），（得 22xzPbaz???），（），（式中 P(x，z)表示中點(diǎn)坐標(biāo)為(x，z) 的假想格子出現(xiàn)空位的概率。求解（2—1）微分方程，可得： （2—2）2zrxze1xP??），（此時(shí) P(x，z)在數(shù)值上等于單元開采引起(x，z) 點(diǎn)的下沉值 We(x，z)。其函數(shù)形式與正態(tài)分布概率密度函數(shù)相同。得上面兩式代入式(2—5)，可得 (2—6) zUzee???），（），（將式(2 —3)對(duì) z 求偏導(dǎo)數(shù)，可得 (2—7)21zrx2zz2e erxdr1x ??????????），（將(2— 6)式對(duì) x 積分，可得 (2—8)?????xczWUee ????，式中，z 為積分常數(shù)將式(2 —7)代入式 (2—8)，用分部積分求出式中的不定積分，再加以整理，可得 (2—9)????zcedzrxz21zrx2e ?????，將式(2 —3)對(duì) x 求偏導(dǎo)數(shù)，可得12 / 68 (2—10)21zrx3ze er2xzW?????），（將式(2 —10)代入 (2—9)，可得 ????zcxWdzr2Uee ??），（， ?由于上式中 僅為 z 的函數(shù)，可令其等于 B（ z）即水平移動(dòng)系數(shù)，則有：dr2z? (2—11)?????cxBxee ???），（，為了求定積分常數(shù) c(z)，可考慮圖 2—1 模型中這樣一個(gè)邊值條件：由于模型積單元開采的對(duì)稱性，巖體內(nèi) z 軸上的各個(gè)點(diǎn)均不產(chǎn)生 x 方向的水平移動(dòng)。13 / 68 預(yù)計(jì)公式 【1】 【19】 半無限開采時(shí)地表移動(dòng)盆地走向主斷面的移動(dòng)和變形的預(yù)計(jì)預(yù)計(jì)地表移動(dòng)和變形的基本計(jì)算公式假設(shè)條件如下：設(shè)工作面邊界正上方的地表點(diǎn)作為橫坐標(biāo)軸 x 的原點(diǎn)，x 軸沿地表指向采空區(qū)，縱坐標(biāo)軸 W(x)為橫坐標(biāo)為 x 的地表點(diǎn)的下沉值，W(x)軸鉛直向下；縱坐標(biāo)軸 U(x)為橫坐標(biāo)為 x 的地表點(diǎn)的水平移動(dòng)值，U(x)軸鉛直向上。根據(jù)疊加原理，有限開采的下沉盆地等效于兩個(gè)半無限開采下沉盆地的幾何疊加，因此，走向主斷面上的地表移動(dòng)與變形值的計(jì)算公式可表示成為15 / 68兩個(gè)半無限開采下沉盆地的地的移動(dòng)和變形值的預(yù)計(jì)模型，表移動(dòng)與變形值的幾何疊加，當(dāng)煤層沿傾向充分采動(dòng)時(shí)，可以得出走向主斷面上有限開采的移動(dòng)和變形值的預(yù)計(jì)模型， （計(jì)算原理見圖 23）：圖 2—3 有限開采時(shí)地表走向主斷面移動(dòng)和變形計(jì)算原理圖 )()(0lxWx??)ii (2—18))()(0lxKx)(0xbriU???)()(0lxx??由圖 23 可知，式(2 —18)中， ，其中 為走向有限開采時(shí)的計(jì)算長43sDl?l度、 為工作面走向長、 、 分別為左右邊界的拐點(diǎn)偏距。()210 tLyWty??(iii (2—19))。()210 tyty??021sin????sDL式中，L 為傾向工作面的計(jì)算長度； 、 表示下山邊界和上山邊界的主要影響半1t2徑與水平移動(dòng)系數(shù)（即 rb 1 與 rb 2)； 為工作面傾向斜長； 、 分別為下山拐D1s2點(diǎn)偏距與上山拐點(diǎn)偏距； 為開采影響傳播角。()。( 2 ??ctgLiLWtLr???當(dāng)走向不是充分采動(dòng)而是不同程度上的非充分采動(dòng)時(shí)，傾向主斷面上移動(dòng)和變形均應(yīng)乘上一個(gè)小于 1 的系數(shù) 。 地表任意點(diǎn)移動(dòng)和變形預(yù)計(jì)公式① 任意點(diǎn)、任意方向預(yù)測模型 )(1)。0)(WxCx?0 計(jì)算參數(shù)的選取用概率積分法預(yù)計(jì)地表移動(dòng)和變形時(shí)用到五個(gè)基本參數(shù)：下沉系數(shù) 、主要影響q角正切 、拐點(diǎn)偏距 、水平移動(dòng)系數(shù) 和影響傳播角 。 本章小結(jié)本章主要介紹了開采沉陷預(yù)測基本方法——概率積分法的一些基本原理，及其推導(dǎo)過程，最后給出了概率積分法在應(yīng)用中的主要使用公式和選取預(yù)測參數(shù)的一些要求。實(shí)現(xiàn)礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)新的平衡。其主要工藝措施有：肥化土壤、恢復(fù)沃土、建造農(nóng)林附屬物、選擇排作方式及排作工藝、優(yōu)選農(nóng)作物及樹種等。⑵ 土地平整既要有長遠(yuǎn)目標(biāo)，又要立足當(dāng)前。如地形起伏大，還可將毛渠控制面積分為幾個(gè)平整區(qū)，對(duì)于水田，可以一個(gè)格田的面積為平整單位。按照我國對(duì)地形持征的劃分標(biāo)準(zhǔn)，地表坡度小于 2176。為丘陵，25176。—6176。我國山西大部分礦區(qū)、河南、山東等地的一些礦區(qū)不少塌陷地可采用此法復(fù)墾，利用此法復(fù)墾可解決充填法復(fù)墾充填料來源不足的問題。⑴ 圖 3—1 為中間推土法示意圖。該法自下而上修筑梯田，上一級(jí)梯田的表土作為下一級(jí)梯田的覆蓋土源，員下一級(jí)梯田的表土首先堆存起來，或作為最上一統(tǒng)梯田覆蓋土源。該法施工順序?yàn)殚g隔條帶剝離堆放表土，再進(jìn)行底土乎整(圖 3—3 中 5 條帶)，待底土乎整完后將 4 條帶堆存的表土覆蓋于 5 條帶上，依同樣的方法可修筑 ……條帶。1 矸石充填復(fù)墾殲石充填塌陷坑是近年來值得提倡的一種礦并排矸方式，也是一種重要的復(fù)墾形式，其工藝過程如圖 3—4 所示：24 / 68圖 3—4 矸石充填工藝過程矸石充填方法可分為全厚充填法和分層充填法。分層充填法就是為了達(dá)到預(yù)期的充填復(fù)墾效果，以一定的充填厚度逐次將塌陷區(qū)回填至設(shè)計(jì)標(biāo)高。粉煤灰充填復(fù)墾工藝過程可用圖 3—5 表示粉煤灰覆田還土灰場灰水沉淀管道水力輸灰剝表土、建壩塌陷坑圖 3—5 粉煤灰充填塌陷區(qū)復(fù)墾工藝流程圖塌陷區(qū)用作貯灰場通常有兩種情況：一是穩(wěn)定塌陷區(qū)用作灰場。對(duì)于動(dòng)態(tài)塌陷區(qū)灰場，要注意灰場是否會(huì)影響礦井生產(chǎn)安全，同時(shí)對(duì)于地表的灰場建筑物與構(gòu)筑物，要注意地表移動(dòng)和變形對(duì)其影響。直接利用是指對(duì)于大面積的沉陷地，特別是大面積積水或積水很深的水域以及未穩(wěn)定的沉陷地或暫難復(fù)墾的沉陷地，常根據(jù)沉陷地現(xiàn)狀因地制宜地直接加以利用。 沉陷控制工程 采煤沉陷控制技術(shù) 【13】⑴ 充填法沉陷控制技術(shù)地表的移動(dòng)變形值與其最大下沉值成正比，因此，減小煤層的開采厚度就可有效地降低地下開采對(duì)建筑物或構(gòu)筑物的損害程度。直接頂板可能不支護(hù)，或者進(jìn)行人工加固或支護(hù)。⑷ 保安礦柱設(shè)計(jì)技術(shù) 井下回填為了防止采煤造成的采空區(qū)地表沉陷，可以對(duì)已完成的采煤巷道，進(jìn)行井下回填。 回填種類分為全部回填和局部回填。注漿法則是利用氣壓、液壓或電化學(xué)原理,把某些能固化的漿液注入到土層、巖層的裂隙或孔洞中,使?jié){液和巖層一起固化凝結(jié)為一體,從而改善地基的物理力學(xué)性質(zhì),增強(qiáng)地基承載力,確保采空區(qū)上建筑物整體穩(wěn)定。28 / 684 白家莊煤礦采煤沉陷預(yù)測研究 白家莊煤礦基本概況白家莊礦位于太原市西郊,地處呂梁山脈中段，距太原市中心約 17 公里，處在杜兒坪礦和官地礦之間。西山煤田的北、東、西三面向中心傾伏向南開口，形態(tài)為北大南小的石灰二迭系含煤盆地。白家莊礦主要含煤地層為石炭二迭系太原組和山西組，共含煤層及煤線 13 層，自上而下有 02＃ ，03 ＃ ，1 ＃ ，2 ＃ ，3 ＃ ，5 ＃ ，6 ＃ ，7 ＃ ，8 ＃上 ，8 ＃ ，9 ＃ ，10 ＃ ，11 ＃ 煤，其中 2＃ ，6 ＃ ，8 ＃ ，9 ＃ 為全區(qū)穩(wěn)定可采煤層，3 ＃ 煤層為不穩(wěn)定局部可采煤層，7 ＃ 為較穩(wěn)定煤層局部可采，8 ＃上 煤僅局部可采，有時(shí)同 8＃ 煤合并，其余均為不可采煤層，含煤地層總厚 米，煤層總厚度平均為 米，含煤系數(shù)達(dá) %，可采煤層總厚度為 米，含煤系數(shù) %?！?176。② 由最大下沉值之半，即 ，可以確定拐點(diǎn)的位置，ax21③ 估算基準(zhǔn)點(diǎn)處的主要影響半徑 rA，概算主要影響角的正切 。時(shí)， 開采影響傳播角 。??tg?87? 預(yù)測結(jié)果在 36703 工作面走向方向上每間隔 30m 取點(diǎn)，在傾向方向上每間隔 60m 取點(diǎn)，其交點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)網(wǎng)格狀圖形（具體模擬點(diǎn)位置圖見圖 4—1 所示） ，其中每一個(gè)點(diǎn)模擬代30 / 68表了巖體內(nèi)部某一個(gè)隨機(jī)介質(zhì)點(diǎn)，這樣可以根據(jù)前面所提出的理論和公式計(jì)算每一個(gè)點(diǎn)的移動(dòng)和變形，并且根據(jù)計(jì)算結(jié)果繪制下沉等值線圖，見圖 4—2。計(jì)算結(jié)果見表4—1。但其它如最大傾斜 、最大水平移動(dòng) ε 和最大曲率 κ，長壁采礦區(qū)比其中一些刀柱采空區(qū)i小一些。下沉 的土地占總沉陷面積的 ﹪，可以看出沉陷較為嚴(yán)重，且下沉幅度較大，特別是深度沉陷。從傾斜曲線上可以發(fā)現(xiàn)下沉曲線斜率逐漸增大，通過拐點(diǎn)后斜率又變小，知道沉陷盆地的最底端斜率變?yōu)榱?，而后又變大，?10 號(hào)點(diǎn)附近達(dá)到峰值（65mm/m） ，后斜率值開始下降直至變?yōu)榱恪Ｌ貏e對(duì)于長壁采煤，沉陷深度＞ 的范圍也較大，占到整個(gè)沉陷區(qū)的 1/4。從表中可以得出，長壁采煤對(duì)地表的影響較大，破壞也較嚴(yán)重，地表下沉量基本大于 ，且范圍大。表 4—2 白家莊礦預(yù)計(jì)結(jié)果最大值預(yù)計(jì)最大變形值 采空區(qū) 最大下沉量W(mm)最大水平移動(dòng)U(mm)最大傾斜(mm/m)i最大水平變形 ε(mm/m) 最大曲率κ(10 3)38713 長壁采空區(qū) 1633|115 478|80 |84 |114 |12538711 刀柱采空區(qū) 1248|98 291|85 |85 |85 |8538502（2）刀柱采空區(qū) 1245|64 316|65 |65 |65 |6538502（3）刀柱采空區(qū) 1245|27 408|28 |28 |17 |1738502（4）刀柱采空區(qū) 1246|29 339|19 |19 |30 |3038502（5）刀柱采空區(qū) 1228|43 263|43 |43 |43 |43說明：X|yX 為預(yù)計(jì)最大值，y 為模擬點(diǎn)的序號(hào)。s choe intNo. 6base pltm圖 4—1 8煤層頂板巖體隨機(jī)介質(zhì)點(diǎn)圖本次計(jì)算是根據(jù)白家莊礦提供的 36703 工作面底板等高線圖上進(jìn)行的，按概率積分法平地預(yù)計(jì)方式進(jìn)行?？梢姡摾碚擉w系的相應(yīng)結(jié)果可工程實(shí)用。??tg④ 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)實(shí)測資料知道：當(dāng)煤層傾角 α≤45176。① 由所給條件及最大下沉值 Wmax可求得下沉系數(shù) η。地形西南高、北面低，標(biāo)高1182～1487m，同時(shí)測得洪水量為 280m3/分。第四系地層不整合于基巖上，石炭系中統(tǒng)本溪組與下伏地層整合。井田走向長 公里，傾斜寬約 公里，面積 平方公里。利用注漿法對(duì)采空區(qū)地基進(jìn)行處理后可起到防滲、防漏、加固、糾偏的作用。它完全靠采空區(qū)充填體支撐上覆巖層控制開采沉陷；局部回填是相對(duì)全部回填而言的，其回填量和回填范圍僅是采出煤量的一部分，它僅對(duì)采空區(qū)的局部或離層區(qū)或冒落區(qū)進(jìn)行回填，靠覆巖關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)、回填體及部分煤柱共同支撐覆巖控制開采沉陷 【23】 。當(dāng)前應(yīng)用較多的是矸石井下回填，不僅可以減輕礦區(qū)矸石造成的環(huán)境污染，也為回填提供了物源。條帶開采法：條帶開采能有效地控制地表移動(dòng)和變形，在我國的很多城市都進(jìn)行了試驗(yàn)，是現(xiàn)在建筑物下采煤的一種十分有效地開采方法。分類：充填法管理頂板（水沙充填、風(fēng)力充填、矸石自溜充填、帶狀充填、邊界充填） ；冒落區(qū)充填法；