2020年全国矿山测量新技术学术研讨会优秀论文专栏

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2020年全国矿山测量新技术学术研讨会优秀论文专栏

来源：《煤炭科学技术》2020年第10期

专题来自《煤炭科学技术》2020年第10期，共15篇论文。

行业视野: 探矿
类别; 56个
关键词; 49位
专家; 14篇
论文; 4711IP
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倾斜煤层开采地表移动变形等价计算方法研究

作者(Author)：张华兴

摘要：目前关于倾斜煤层开采引起的地表移动变形计算一般是将倾斜煤层开采等价为2个水平煤层的半无限叠加或者将倾斜煤层进行水平划分的方法，计算过程存在简化。为了克服倾斜煤层开采由于计算简化带来的误差，根据计算地表点与倾斜煤层的相对位置关系，利用开采影响传播角进行等价水平煤层转换，将倾斜煤层的移动变形计算转化为水平煤层计算，提出倾斜煤层开采地表移动变形等价计算方法，并将等价计算结果与半无限叠加开采、水平划分计算结果进行对比，分析了半无限叠加和水平划分简化计算误差产生的原因。研究结果表明：①等价计算结果与半无限开采叠加下沉量计算结果基本相同，半无限开采叠加计算存在变形计算误差表现为上、下山边界两侧拉伸与压缩变形值相同，未能充分体现变形与开采深度的密切关系；②由于煤层倾角和开采影响传播角的影响，水平划分方法下沉量、水平变形计算误差较大，煤层倾角越大误差越大，这一误差不会因水平煤层划分个数的增加而消除；③采用等价计算方法能够消除概率积分法对倾斜煤层开采地表移动变形计算的简化误差，实现计算结果与理论的完美契合。研究结果丰富了开采沉陷预计体系，对提高倾斜煤层开采地表移动变形计算精度具有一定意义。

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煤炭科学技术

2020年第10期

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上湾矿高强度开采地表裂缝发育规律实测研究

作者(Author)：戴华阳, 罗景程, 郭俊廷, 阎跃观, 张旺, 朱元昊

摘要：神东矿区上湾矿1-2煤层倾角小、厚度大、埋藏较浅、赋存稳定，采用宽工作面大采高综采技术，高强度开采对地表环境的影响也更加剧烈，为了掌握该矿地表裂缝发育规律，对12401工作面推进过程中切眼侧1 km范围观测区进行了地表裂缝实测研究。设计了地表裂缝分区分方向观测方案，采用手持GPS测量裂缝轨迹、钢尺测量裂缝宽度、铁钎测量裂缝深度。历时3个月，获得了回采工作面开切眼侧观测区的2303条裂缝的分布信息。研究结果表明：①分析确定了本矿地质采矿条件地表裂缝的拉伸、压缩、台阶、塌陷4种类型及其分区分布情况。②得出了地表裂缝的周期性发育规律和集中于采空区范围的分布规律，确定了裂缝分布主要参数。测得裂缝间距约10m，裂缝最大宽度0.7m，最大深度4～10m，最大长度298m，最大台阶高度0.45 m，切眼侧走向裂缝角76.0°，上山裂缝角86.0°，下山裂缝角84.7°。③在工作面沿走向推进过程中，地表周期性产生与推进方向垂直分布的主裂缝，经历“产生—扩展—收缩—稳定”约14d的发育过程，主裂缝宽度大于50mm，平均间距129m，相对于推进位置滞后角79.8°～87.1°。通过对上湾矿12401工作面开采地表裂缝的实测研究，为科学评价该矿地质采矿条件下地表采动损伤状况提供了依据。

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煤炭科学技术

2020年第10期

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基于无人机影像的采动地表裂缝特征研究

作者(Author)：汤伏全, 李林宽, 李小涛, 刘世伟

摘要：地下采煤引起的地表裂缝是开采沉陷破坏的直观表现，对建筑物和土地造成严重损害，精准地获取采动地表裂缝发育特征对于开采沉陷研究和矿区地面保护具有实际意义。目前采集沉陷区裂缝信息的主要方式是实地人工测量或卫星遥感影像解译，在成本效率和时空分辨率方面存在明显局限性。以榆神矿区某矿综放工作面地表为试验区域，利用低空无人机摄影测量系统通过设定合理的航拍参数，获取采煤沉陷区数字正射影像，分别采用Canny算法、支持矢量机（SVM）以及最大似然法(MLM)对影像中的裂缝进行特征提取，并定义裂缝提取率来评价裂缝图像的提取效果。结果表明，Canny算法提取的非裂缝信息较多，支持矢量机算法效果次之，最大似然法在裂缝长度和宽度信息提取上效果较好，但得到的裂缝图像中仍存在大量的干枯植被信息。为此，利用随机森林（RF）算法对影像进行植被分类和腐蚀操作后，制作成掩膜文件以消除植被影响，再采用最大似然法进行地表裂缝的精提取。根据地表裂缝图像的灰度特征，将试验区采动裂缝分为开裂式台阶裂缝、闭合式台阶裂缝、凹陷式裂缝、条纹式裂缝、裂纹式裂缝、凹陷式闭合台阶裂缝，并将图像提取的地表裂缝信息与实测结果进行对比，验证了低空无人机影像自动提取裂缝的可靠性，为定量分析和揭示采煤沉陷区裂缝发育规律提供了有效的技术手段。

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煤炭科学技术

2020年第10期

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基于降维模糊Ｃ均值聚类算法的采动场地稳定性评价

作者(Author)：郭松, 郭广礼, 李怀展, 崔海尚

摘要：模糊聚类分析是无监督机器学习的主要技术之一，可用于进行数据分析和建模，模糊C均值聚类算法(Fuzzy C-Means,FCM)通过优化目标函数得到所有类中心样本点的隶属度以实现样本数据的自动聚类目的，但面对煤矿采空区场地稳定性评价影响因素多、数据样本大时，容易陷入局部鞍点问题，提出了一种基于主成分分析(PCA)降维的改进模糊聚类算法。该算法选取7个采空区场地稳定性影响因素构建评价体系，根据主成分降维后的样本信息对模糊C均值聚类模型初始类中心和隶属度参数进行动态优化，以提升算法的鲁棒性与泛化能力;使算法更适用于评价稳定性影响因素复杂的采空区场地。以山东省济宁市快速路任兴路段压覆工作面采空区为例，结合快速路沿线其他5个煤矿共计120个采空区场地稳定性评价。试验结果表明：样本数据经主成分分析降维后，前4个主成分的累计贡献率为81.86%，有较好的表征原始样本信息的解释能力。对模糊C均值聚类后的类(簇)样本集占比进行统计分析，其中“稳定”路段占比36.67%，“基本稳定”路段占比35%，“欠稳定-不稳定”路段占比为28.33%，对比各采空区场地实际稳定性状态，模糊C均值聚类算法能有效提高聚类精度，证明了所提出的方法应用于煤矿采空区场地稳定性评价的可行性和有效性。

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煤炭科学技术

2020年第10期

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基于优化时间函数的采动地表任意点沉陷动态预计

作者(Author)：张兵, 赵玉玲, 崔希民, 袁德宝, 李春意

摘要：针对常用Knothe时间函数在动态预计中理论研究方面存在不足及在地表下沉初始阶段预计精度较低等问题，为了能够全面地了解矿区地表沉陷动态发展变化过程，掌握地表各重要点位的动态变形规律，提高动态预计精度和动态预计的针对性，发挥动态预计在指导矿山工程实践中的应有作用，基于概率积分模型，采用优化分段Knothe时间函数，构建了可预测地表任意点动态沉降变形的计算模型，并开发了计算程序，所建模型各参数意义明确，求取方便，同时，矿区地表监测点即使布设在非主断面上，也可根据实测数据利用模型反算概率积分参数。实例1表明：在考虑拐点偏移距的情况下，预测的地表下沉盆地两拐点的下沉值基本等于盆地最大下沉量的1/2，与理论揭示完全吻合；通过对不同时刻地表点的下沉和倾斜进行动态预计，清楚地说明了地表下沉盆地和倾斜变形的动态发展过程；另外，通过倾斜三维图及其二维等值线图的变化过程可知，下沉盆地平底部分的倾斜值尽管最终为0，但也是经历了从小到大、再从大到小、最后趋于0的剧烈变化过程，如果只进行稳定后的静态预计则反映不了这一动态过程;实例2表明：通过对比分析1176东工作面各采动期的地表监测点实测与动态预计结果，并抽样进行精度分析可知，动态预计相对中误差最小为5.6%，最大为14.2%。经统计预测相对中误差可稳定在8%左右，证明了模型预测精度是可靠性的。

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煤炭科学技术

2020年第10期

358

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济宁城市规划区开采沉陷概率积分法参数综合研究

作者(Author)：张丰, 吴志聪, 张岩, 谭秀全

摘要：济宁城市规划区与区内20多个煤矿采区有重叠区域，为掌握济宁城市规划区的开采沉陷规律，为济宁城市规划提供依据，在收集整理城市规划区内岱庄矿的观测站资料和13个煤矿的20条观测线资料基础上，综合分析了各矿井概率积分法参数与采深、采高、表土层厚度及充分采动程度的相关性。研究结果表明：研究区域的下沉系数与采动程度、开采深度具有强相关性，即下沉系数随采动程度增大呈现出增大趋势，而随采深增大呈现出减小趋势，且各因子在下沉系数影响程度上表现为表土层厚度>开采深度>开采高度；水平移动系数与表土层厚度、采深、采高和采动程度无明显强相关性。经统计处理得：与表土层厚度在局部上存在二次函数关系；主要影响角正切与表土层厚度在局部上存在线性相关性，并受到开采深度的约束，随采深增大呈现增大趋势，且在局部上与采高存在“波浪”式函数关系；开采影响传播角在本区域比较稳定，处于86.4°～90.0°。

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煤炭科学技术

2020年第10期

321

546
矿区地表与建 (构) 筑物移动变形关系实测研究

作者(Author)：阎跃观, 师晓波, 刘吉波, 田秀国, 张国光

摘要：针对矿区建（构）筑物损害防护的研究由来已久，特别是我国东部矿区压煤问题较为突出，因缺乏科学合理的抗变形建筑设计指导原则，存在建（构）筑物防护的不合理或搬迁矛盾激化等经济社会问题。传统的地表与建构筑物变形关系研究成果，难以适用于现代建筑材料与结构形式下建构筑物与地表变形特征。为此，以开滦某矿工业广场煤柱开采下的建构筑物为研究对象，针对建（构）筑物分布情况来设计地表与建（构）筑物变形监测网，并选取典型建（构）筑物及对应的地表点进行7次同步观测，研究矿区地表及典型建（构）筑物间的移动变形关系。结果表明：建（构）筑物和地表同步下沉，呈线性函数关系；建筑物整体倾斜变形与地表基本同步，受整体结构影响，建筑物局部倾斜变形较小；占地面积小的低层规则建筑物受到的曲率变形比地表小，占地面积大的多层建筑物易出现负曲率变形。研究成果可为类似条件下煤矿开采与建筑物保护提供依据和参考。

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煤炭科学技术

2020年第10期

293

478
采动区钢筋混凝土灌注桩受力特性分析及抗变形技术

作者(Author)：田迎斌, 李学良

摘要：在我国矿业城市采煤塌陷区搞建筑开发越来越普遍，随着建筑层数和荷载的增加，建筑物采用的基础型式也由浅基础逐渐过渡到深基础，钢筋混凝土钻孔灌注桩也为深基础的一种形式，为解决采动区内建筑物钢筋混凝土钻孔灌注桩在地基土体水平变形作用下的配筋设计问题，分析了在常规水平荷载和地基土体水平变形作用下桩身的受力、变形和工作特性，推导了柔性桩在水平力作用下的挠曲微分方程，并将地基土体位移代入挠曲微分方程求解位移，将地基土体位移转化为等效的桩顶水平集中力，然后将其与常规水平力相叠加作为在受采动影响下的桩顶的荷载作用效应。在确定桩顶水平力作用效应时，承台底部的总水平力和弯矩按照平均分配的方式将水平力传递到基桩顶部，以求得的桩身最大弯矩按受弯构件进行桩身受弯承载力计算，以桩身最大剪力按受剪构件进行桩身受剪承载力计算。计算结果分析表明：基桩的纵筋直径由16mm增加到18mm，配筋量增加约26%，箍筋直径由8mm增加到10mm，配筋量增加约56%，可增加纵筋和箍筋的配筋量，以提高基桩抗变形能力；同时，在承台底部设置滑动层可以有效减少地基土体传递给承台及上部结构的摩擦力，减少了承台及上部结构的附加应力，从而间接提高了建筑物的整体抗变形能力。

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煤炭科学技术

2020年第10期

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