[00950182]深井开采覆岩与地表移动规律及多源观测技术

中国浅部煤炭资源越来越少，深部煤炭资源逐步成为中国的主体能源。深部岩层结构破坏机理和演化规律不清晰、控制措施不完善、开采方案不充分等原因，导致上覆岩层破断移动进而诱发冲击地压、顶板含水层突水、地表建筑物损坏、生态环境恶化等次生矿山地质灾害，日趋严重；同时，山东地区深部“三下”压煤问题严重，某些矿区和井田村庄压煤量约占总储量的70％，严重阻碍了煤炭工业的高质量发展。在山东省自然科学基金资助以及肥矿集团、兖矿集团、天安矿业集团多个横向课题支持下，深井开采覆岩与地表移动规律及多源观测技术项目从切实解决山东地区多个煤矿深井开采工作面的实际工程问题出发，认识了深部原位岩石力学行为变化特征，揭示了岩层结构破坏机理和演化规律，探索了深部煤炭资源开采的深地科学规律，形成了一套集深部岩体破坏动态演化模型构建、空天地多源技术监测预警、地表移动参数自动化反演分析的采场控制理论。主要发现点： 1、建立了深井岩层结构破坏机理和演化规律。 在深井采动覆岩力学响应机制的研究中，首先通过原位煤岩试样的三轴卸荷试验，得到了能够更好反映覆岩运动状态的力学参数。其次，通过对采动影响“三带”结构的分析，基于现场实测数据，统计分析得到了垮落带及裂隙带的计算公式，并结合力学理论推导，得到了垂直应力作用下岩体的应力应变关系。然后，通过引入地质强度指标，定量解释了裂隙发育程度与残余弹性模量的关系，补充了采场控制理论中裂隙发育对岩体力学性能弱化的内容。从而建立了覆岩弹性模量非均质性、垮落岩体压实、裂隙岩体弹性模量弱化理论模型，解释了煤层开发后覆岩岩石力学性质变化规律，实现了顾及覆岩力学响应的等效数学模拟。最后，基于FLAC3D数值模拟软件进行二次开发，建立了深井采动覆岩力学响应等效模型，获得了深井覆岩与地表采动应力场演化规律，实现了真实精细模拟预测深井覆岩与地表移动规律。 2、建立了深部开采覆岩与地表移动变形机理与规律。 基于条带煤柱的流变特性，研究了深部矿井留设条带煤柱稳定性的时间效应，明确了条带煤柱内不同位置处的横向变形及应力分布随时间的变化规律。同时，运用建立的等效数值模型，对深部开采覆岩及地表动态移动变形规律进行分析，得到了采深与采动程度与概率积分法参数、地表移动变形角值之间的规律，总结了条带工作面走向推进过程中覆岩应力场与位移场的动态规律。 3、建立空、天、地多源变形监测技术。 项目融合SAR卫星、无人机航飞、GPS-RTK、三维激光扫描、两带高度观测、模拟反演分析等多种技术和方法，形成了融合航天、航空、地面、地下的多源监测技术。进一步，利用编程语言实现了inSAR卫星数据获取与处理的自动化，并能为不同矿区地表环境自动匹配监测方案。 4、地表移动参数反演与分析。 项目通过优化数据平差方法，建立了基于概率积分法的最优参数反演方法，开发了参数反演软件，实现了求参的自动化，并通过机器学习建立了基于BP神经网络的参数反演方法，实现了依据不同地质条件反演参数的智能化。