[發明專利]基于覆巖離層動態發展的地表沉陷動態過程的展現方法

有效

• 申請號: 201710208457.5
• 申請日: 2017-03-31
• 公開（公告）號: CN106884657B
• 公開（公告）日: 2019-05-21
• 發明（設計）人: 于廣明;袁長豐;王大寧;周福強;米文瑞;秦擁軍
• 申請（專利權）人: 青島理工大學
• 主分類號: E21C41/18
• 分類號: E21C41/18
• 代理公司: 青島中天匯智知識產權代理有限公司 37241
• 代理人: 萬桂斌

1.基于覆巖離層動態發展的地表沉陷動態過程的展現方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟S1、對覆巖離層的產生進行力學分析：

離層產生的實質就是層間弱面的開裂，弱面的力學性質較巖層有很大的差異，在組合梁彎曲下沉過程中，對應力的變化非常敏感，往往在組合梁未發生斷裂前就有離層產生，離層的產生包含兩種力學模型，一是層間剪裂，二是層間拉裂；

在巖層整體彎曲下沉過程中，層間弱面上產生了逐漸增大的剪應力，大小為：式中，Q為組合梁橫截面的剪力；I_z為橫截面對中性軸的慣性矩；d為弱面到組合梁中性軸的距離；h為下位離層的高度；

層間弱面的抗剪強度S_s為：S_s＝C+σtanφ，式中，C為弱面的粘聚力；σ為弱面的法向應力；φ為弱面的內摩擦角；

隨著組合梁層間弱面上剪力的逐漸增加，當弱面上的剪應力τ小于弱面的抗剪強度S_s時，離層不會產生；當弱面上的剪應力τ大于弱面的抗剪強度S_s，并且下位巖層的抗彎剛度小于上位巖層的抗彎剛度時，弱面受剪破裂，離層開始產生；

在弱面受剪破裂后將不再承受組合梁的剪應力，此后，層間弱面在下位巖層的自重應力作用下得到擴展，下位巖層的自重應力稱為弱面的拉應力，大小為：σ_t＝γ_dh_d，式中，γ_d為下位巖層的容重；h_d為下位巖層的厚度；

當弱面的拉應力σ_t小于弱面的抗拉強度S_t時，離層不擴展；當弱面的拉應力σ_t大于弱面的抗拉強度S_t，并且下位巖層的抗彎剛度小于上位巖層的抗彎剛度時，弱面受拉破裂，離層開始擴展；

步驟S2、建立離層發育空間位置圖；

步驟S3、基于簡支梁的覆巖移動模型，建立上覆巖層的撓度曲線微分方程：

當有離層產生時，將相鄰離層間的巖層視為簡支梁，根據彈性力學和材料力學，可得上覆巖層的撓度曲線微分方程為：

S＝L-hcotψ

式中，E為簡支梁的彈性模量；I為簡支梁的慣性矩；W為簡支梁的撓度；q為簡支梁的均布荷載；S為簡支梁的長度的一半；L為工作面采寬的一半；h為下位離層的高度；簡支梁受到彈性基礎的反力；ψ為斷裂角；

式中，E'為煤層和簡支梁下巖層的綜合彈性模量，E_i、h_i為簡支梁下第i層巖層的彈性模量和厚度；

邊界條件規定如下：

當x＝0時，

當x→±∞時，W→0；

計算相鄰兩巖層的撓度曲線微分方程，進而得到相鄰兩巖層的沉降，兩相鄰巖層之間的沉降差即為離層發展的寬度，進而可得到全部離層的寬度，由采空區高度減去全部離層的總寬度即為地表沉降的大??；

步驟S4、基于3DMAX建立采動覆巖沉陷模型并將其可視化，包括以下步驟：

步驟S41、利用RFPA軟件確定離層的產生；

步驟S42、各巖層的下沉撓度曲線計算；

步驟S43、采動覆巖模型形態生成、修改及輸出；

步驟S44、圖像制作與選取；

步驟S45、虛擬采動覆巖沉陷動畫。

2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于：所述步驟S41確定離層產生具體包括以下步驟：

步驟S411、統計各巖層的物理力學參數，包括巖性、巖層厚度、泊松比、密度、內摩擦角、粘聚力、彈性模量、抗拉強度、抗壓強度；

步驟S412、將上述參數輸入RFPA軟件中，確定模型尺寸：模型的長度為煤層采寬的2倍，模型左右邊界為水平約束，模型上邊界為自由端，模型下邊界同時作用水平約束和豎直約束；

步驟S413、根據離層產生的力學條件，判斷離層產生與否；

步驟S414、若離層產生，則輸出離層產生的位置、長度和斷裂角；否則執行步驟S412。

3.根據權利要求1所述的方法，其特征在于：所述步驟S42中，根據上覆巖層的撓度曲線微分方程，獲得離層上覆巖層的下沉撓度曲線微分方程。