[發(fā)明專利]基于量綱分析的金屬礦山采空區(qū)覆巖垮落高度預(yù)測方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410088576.8
• 申請日: 2014-03-12
• 公開（公告）號: CN103823992B
• 公開（公告）日: 2018-04-24
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 趙康;石亮;趙奎;嚴(yán)雅靜;趙曉東
• 申請（專利權(quán)）人: 江西理工大學(xué)
• 主分類號: G06F19/00
• 分類號: G06F19/00
• 代理公司: 贛州凌云專利事務(wù)所36116
• 代理人: 曾上

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及金屬礦山房柱法開采條件下采空區(qū)覆巖垮落高度預(yù)測，是利用物理定律的量綱齊次原則，確定覆巖垮落高度與礦體厚度、開采深度、構(gòu)造應(yīng)力、采空區(qū)尺寸和覆巖巖性各物理量關(guān)系的預(yù)測方法。

背景技術(shù)

采空區(qū)覆巖垮落高度，不僅是水體下采礦的重要參數(shù)，而且對于高應(yīng)力礦山?jīng)_擊地壓控制、采礦方法及開采程序的選擇都有重要作用；同時(shí)覆巖垮落高度和范圍，為礦山采取何種支護(hù)措施及支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)提供多少支撐載荷等提供參數(shù)依據(jù)?？迓涓叨仁遣煽諈^(qū)覆巖破壞高度的一部分，覆巖的垮落沖擊力大，破壞性強(qiáng)，發(fā)生時(shí)間短，給工作人員、生產(chǎn)設(shè)備等造成毀滅性破壞。獲得覆巖垮落高度的數(shù)據(jù)最直接、最有效的方法是現(xiàn)場實(shí)測，但是作為地下采礦，采空區(qū)覆巖垮落后，極有可能引起后續(xù)的垮落和其他次生災(zāi)害的發(fā)生，人員到現(xiàn)場實(shí)地測量垮落高度是極其不安全的。因此，探索一種預(yù)測采空區(qū)覆巖垮落高度的方法非常必要。

量綱分析是在物理領(lǐng)域中建立數(shù)學(xué)模型的一種方法，它是在經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，利用物理定律的量綱齊次原則，確定各物理量之間的關(guān)系。尤其是在研究新現(xiàn)象或比較復(fù)雜的問題時(shí)，應(yīng)對現(xiàn)象或問題中蘊(yùn)涵的物理環(huán)節(jié)、關(guān)系和過程進(jìn)行深入的分析，從而在數(shù)學(xué)上給出盡量比較明確的函數(shù)關(guān)系。金屬礦山地質(zhì)條件極其復(fù)雜，地下開采導(dǎo)致采空區(qū)覆巖破壞的影響因素也較多，其中主要影響因素有以下幾點(diǎn)：采礦方法、礦體厚度、開采深度、構(gòu)造應(yīng)力、采空區(qū)尺寸、覆巖巖性、巖性結(jié)構(gòu)和斷層結(jié)構(gòu)等，這些因素對覆巖垮落高度影響程度如何，沒有一個(gè)明確的定量關(guān)系，因此利用量綱分析的優(yōu)點(diǎn)來研究金屬礦山覆巖垮落高度是比較適合的。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是針對金屬礦山采空區(qū)覆巖垮落高度的數(shù)值不易現(xiàn)場實(shí)測的缺陷，而提供一種基于量綱分析的金屬礦山采空區(qū)覆巖垮落高度預(yù)測方法。

實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案如下：

一種基于量綱分析的金屬礦山采空區(qū)覆巖垮落高度預(yù)測方法，包括以下步驟：

第一步：確定與金屬礦山采空區(qū)覆巖垮落高度相關(guān)性密切的物理量綱，并現(xiàn)場實(shí)測出確定的物理量綱的數(shù)據(jù)，包括礦體厚度d、開采深度h、構(gòu)造應(yīng)力σ_h、采空區(qū)面積s、巖石容重γ、巖石松散系數(shù)k、硬度系數(shù)f；

第二步：將第一步所得數(shù)據(jù)，代入下述公式，計(jì)算得到礦山采空區(qū)覆巖垮落預(yù)測高度H：

上式中：H-垮落預(yù)測高度，單位：m；d-礦體厚度，單位：m；γ-巖石容重，單位：MPa；σ_h-構(gòu)造應(yīng)力，單位：MPa；h-開采深度，單位：m；S-采空區(qū)面積，單位：m²；f-覆巖的硬度系數(shù)；k-巖石松散系數(shù)。

通過對金屬礦山采空區(qū)覆巖破壞高度影響因素的分析，下面就本發(fā)明所牽涉的物理量進(jìn)行解析和說明：①采礦方法，由于采礦方法在定量化研究方面不好量化，且本次選取的研究案例都采取房柱法開采，因此本發(fā)明針對房柱法開采條件下的覆巖垮落高度；②礦體厚度(d)，礦體厚度在某種程度上決定了采空區(qū)的高度，采空區(qū)的高度越高，垮落后的碎石需要充填的采空區(qū)體積越大；③構(gòu)造應(yīng)力(σh)，隨著開采深度(h)的增加構(gòu)造應(yīng)力越來越大，況且也是構(gòu)成覆巖產(chǎn)生應(yīng)力集中的重要因素；④采空區(qū)尺寸(S)，采空區(qū)范圍越大越易造成覆巖的垮落，另外采空區(qū)范圍增大也導(dǎo)致垮落后的碎巖充填滿采空區(qū)的可能性就越小，這樣垮落區(qū)和塑性區(qū)的高度有可能繼續(xù)發(fā)育、擴(kuò)展；⑤覆巖巖性，由于巖性對覆巖的影響是決定性的，因此在本發(fā)明中選取了巖石容重(γ)和巖石松散系數(shù)(k)作為研究物理量，巖石容重體現(xiàn)出了巖石本身的力學(xué)性質(zhì)優(yōu)劣，巖石松散系數(shù)表現(xiàn)了巖石破碎后充填采空區(qū)體積的能力，這兩個(gè)物理量都對垮落區(qū)高度有一定的影響；⑥巖性結(jié)構(gòu)，巖性結(jié)構(gòu)是覆巖中不同性質(zhì)巖石通過不同組合形式構(gòu)成的，金屬礦山中采空區(qū)上覆巖體不如煤礦那樣層狀明顯，所以巖性結(jié)構(gòu)不易劃分，在這里用覆巖的硬度系數(shù)(f)來表述覆巖的整體巖性結(jié)構(gòu)。

用函數(shù)表示上述關(guān)系為：

F(γ，f，k，d，h，σ_h，S，H)＝0(1)

式中：H-垮落高度，m；d-礦體厚度，m；γ-巖石容重，MPa；σ_h-構(gòu)造應(yīng)力，MPa；h-開采深度，m；S-采空區(qū)面積，m²；f-覆巖的硬度系數(shù)；k-巖石松散系數(shù)。

上式中共有8個(gè)物理量，它們的量綱單位見表1([F]、[L]分別表示力和長度的基本量綱)：

表1量綱單位

確定量綱矩陣：