煤炭作为我国国民经济、社会发展和人们生活中的主要能源,一直占据着一次能源消费结构的主体地位;随着蓝天、青山、碧水的环境保护措施出台和人民生活幸福感、获得感的增强,国家通过不断优化能源结构,压缩煤炭在一次能源中的消耗占比,但在可预期的将来,煤炭作为我国主要能源的地位仍将保持不变。众所周知,煤炭的开采在为经济、社会发展提供源源不断能源动力的同时,也诱发了地表沉陷、土地损毁、环境破坏、工农关系紧张等一系列生态和社会问题。因此,研究煤炭采动过程中覆岩和地表沉陷时空演化规律和特征,进而建立全过程预计理论和预计方法,以实现塌陷灾害的精准预计、科学控制与有效防治,对促进矿区经济、社会和环境的可持续发展具有重要的意义。论文以我国峰峰矿区的万年矿、九龙矿、羊东矿、新三矿等生产矿井多个工作面为研究对象,围绕煤炭开采引起的覆岩运移特征、地表动态沉陷和残余下沉发展演化全过程,运用常规水准测量、合成孔径雷达差分干涉测量技术、数字近景摄影测量、数字散斑相关、三维激光扫描技术,从现场地面观测、数值模拟、物理模拟和理论分析等方面,对监测数据的获取与分析、移动和预计参数的确定、地表动态预计和残余下沉预计模型及其全过程表达开展了系统研究,具体工作可概括如下:（1）基于Logistic时间函数的地表移动延续时间计算模型在分析现场实测数据的基础上,得出峰峰矿区多工作面开采地表沉陷盆地角量参数,提取了开采地表动态和静态沉陷特征,获得地表时空演化规律,进而建立基于Logistic时间函数的地表移动延续时间计算模型。该模型可以给出地表残余下沉的起始时间、界定地表移动延续期和残余变形期。基于九龙矿15235等5个工作面采动程度系数和最大下沉率的分析,对矿区地表下沉率与工作面综合采动程度系数相关性进行研究,构建了两者之间的回归模型,该模型可在充分采动地表下沉系数未知的条件下,根据工作面几何参数和地质采矿条件直接计算并预计地表最大下沉量。（2）基于D-In SAR的S-G后置滤波优化算法的推演采用Radarsat-2卫星影像数据,对峰峰矿区采动地表形变场进行了反演,获取了目标区域的形变场。采用不同的滤波方法对沉陷盆地形变场剖面下沉曲线数据进行降噪处理,并对降噪结果进行对比分析;在现有S-G滤波算法的基础上,提出基于D-In SAR的S-G后置滤波优化算法,引入Bessel公式对各阶滤波结果进行评价,并利用Python编程语言实现滤波阶数的自动索引,可降低人机交互过程中主观因素的干扰,实现了S-G滤波阶数的自适应性。实例验证结果表明,该算法对地表形变的监测精度显著提高。（3）多工作面非常规观测站地表沉陷预计及多变量曲面拟合求参在非充分或（超）充分开采条件下,结合概率积分理论和叠加原理,分别对单工作面开采主断面下沉与水平移动拟合模型单独构模。在极不充分开采条件下,采用概率积分法和概率密度函数法联合对单工作面双向（单向）极不充分开采下沉与水平移动曲面拟合函数模型单独构模。进而通过整体坐标系转化,构建了多工作面开采非常规观测站布设地表沉陷预计模型。在此基础上,结合求极值原理和基于曲面拟合下的最小二乘法,提出了相应的基于Taylor级数的多变量曲面拟合求参方法,依托工程实例对该方法研发了求参程序,实现了不规则工作面非常规观测站地表沉陷预计参数的反演。实验结果表明:提出的预计模型可以很好地描述开采沉陷空间变化特征。（4）采动地表、覆岩移动变形及裂隙场发育实验研究依托九龙矿15235工作面工程实例,采用相似材料模拟实验,利用数字近景摄影测量、数字散斑相关、三维激光扫描技术提取采动覆岩运移及裂隙场发育规律,对比分析了不同监测方法的精度,提出三维激光扫描可用于采动裂隙发育、演化规律的观测。采用数值模拟实验,基于矿区数字地形图,探讨得出适合任意地形的数值模型建模方法,并采用MATLAB编程开发了应用程序模块。针对数值模拟岩层物理力学参数的确定难题,提出采用正交试验的方法确定覆岩参数,为数值模拟的参数优选提供了解决手段。通过对15235工作面的数值模拟,得出了其地表移动、覆岩内部竖向位移、速度及竖向应力的发展演化规律。（5）采动地表任意点动态预计理论与实践针对动态预计参数求取困难、动态预计精度较低的问题,根据动态预计原理、基于优化分段Knothe时间函数和概率积分法建立了采动地表移动变形动态预计模型。该模型通过确定动态单元采后所对应的时间函数值及各动态单元的终态影响,再将两者进行对应相乘、再叠加的方法求解给定预计时刻的地表移动变形值,实现对地表任意观测线或离散点的动态过程预计。同时,基于MATLAB软件编制了地表任意点动态预计程序,在程序中,利用矿区已有概率积分参数即可方便的计算优化分段Knothe时间函数的两参数,提高计算效率的同时可实现整个下沉盆地、倾向主断面、走向主断面、地表任意观测线或离散点的动态过程预计。通过工程实例验证了模型及程序的正确性与可靠性。（6）地表残余变形预计理论与实践针对目前在老采空区地表稳定性评价和残余变形预计中,无法定量给出残余变形期内任一年度的残余下沉、已发生的残余下沉和未来潜在残余下沉,也不能定量确定某一地质采矿条件下地表残余下沉的持续时间的问题,基于年度残余地表下沉随时间的推移线性逐年递减,年度地表残余下沉系数之和必须等于极限地表残余下沉系数,递推得到年度残余下沉系数的定量计算模型。基于残余变形期第一年的残余下沉必然小于衰退期最后一年的下沉量,建立得出地表残余下沉的持续时间的定量计算模型。经实验验证,以上两个定量计算模型预计结果与现场实测结果吻合较好。