顾及全局地形及覆岩非均匀荷载开采沉陷预计模型构建

There are lots of coal mines located in mountainous area in China. Mountain coal mine people’s production and living are influenced by mining subsidence seriously. Aiming to compensate the shortage in mining subsidence prediction of mountainous coal mine, the author carries out the field survey researches and simulation researches, for uncover the mechanism of ground surface subsidence and slippage, which are caused by topographic relief and uneven strata gravity load. Terrestrial Laser Scanner (TLS) is used to monitor the ground movement. The point cloud data collected from the subsidence region is stored in database，after classified by color, reflectivity, geometry and semantic feature information. Analysis the feature information, calculate the ground movement and deformation from points, lines, faces and the whole mountain body. Uncover the shape and distribution of strain fields and their evolution law when mining happens. Carry out high simulation 2D and 3D equivalent material model experiments. Integrate close range industrial photogrammetry, raster scanning and 3D full field strain testing, pressure sensor as 4 in 1 experiment observation system. Research the surface slippage and rock mass movement under the bulge, sunken, sloping and terrace topography, by using simulation experiments. Finally, a brand-new mining subsidence calculation module, that is based on DEM, is built up with respect to the global terrain and uneven strata gravity load. These results should not only improve the mining subsidence prediction theory, but also make important theoretical and realistic significance for mining damage protection in mountains.

我国山区煤矿分布广泛，开采引起的地表塌陷对当地人民的生产生活影响巨大。本项目针对山区开采沉陷预计研究的不足，综合采用实测研究、模拟研究等方法揭示顾及全局地形起伏和覆岩非均匀重力荷载引起的岩层及地表移动机理。采用三维激光扫描仪监测山体沉陷，并建立点云颜色、反射率、几何信息、语义特征信息知识库。提取特征信息，从点、线、面、体多层次解算地表形变，揭示地表应变场分布形态和应变场随开采的演化规律。开展高仿真二、三维相似材料模拟实验，集成近景工业摄影测量、光栅扫描、三维全场变形应变测试、岩体内部压力传感器四位一体高精度相似材料模拟实验观测系统。模拟研究凸、凹、坡地、梯田等典型地形情况的表土滑移和覆岩移动规律。构建以数字高程模型为框架，顾及地形起伏和覆岩非均匀荷载的新一代开采沉陷预计模型。研究成果无论是对开采沉陷预计理论的完善和发展，还是山区开采沉陷防护措施的制定，均有重要的理论和现实意义。

我国有70%的煤矿位于山区，井工开采容易引起地表沉陷。我国对平原矿区的开采沉陷预计理论研究充分，但山区有较大不足。本课题针对现有预计技术对山区开采沉陷预计精度较低的问题，采用野外实测，室内模拟，理论推导的方法研究适宜任意地形起伏的开采沉陷预计模型、体系。首先，建立了多个山区煤矿地表移动观测站，分析山区开采沉陷发生的全过程，并且针对表土滑移现象，提出现有预计模型的修正方法。在实测过程中，还采用地面激光雷达监测地表变形，提出了点云特征分析，DEM分析，水平截面分析、ICP分析等基于点云数据的变形监测分析方法。第二，开展室内相似材料模拟实验研究，通过建立平原和山区煤矿开采沉陷的对比实验，揭示其岩层和地表移动特征。在实验中采用了三维全场应变测试系统，近景摄影测量系统，三维激光扫描系统等先进实验设备，并获得了各种设备的协同使用方法。第三，基于FLAC6.0系统开展数值模拟实验，对山岭和山谷地形条件组合不同井下开采工况，共建立24个模型，获得了顾及全局地形特征的地表沉陷模拟云图。最后，根据实验结果，建立适宜任意地形条件的新一代开采沉陷预计技术体系，并通过矿井实测数据验证预计模型的可行性。本研究成果可为我国大量的山区煤矿三下采煤生产、生态保护，环境评价、土地复垦等提供技术支持。课题在开展过程中，累计培养青年教师3名，博士研究生1名，硕士研究生10名，发表论文9篇，其中3篇被EI检索，6篇北大中文核心期刊。申请国家发明专利1项，获得发明专利授权2项，软件著作权5项，省部级科技进步二等奖3项。