[發明專利]基于重力異常的礦山采空區變形量及穩定性評估方法

有效

• 申請號: 201710388355.6
• 申請日: 2017-05-27
• 公開（公告）號: CN107219560B
• 公開（公告）日: 2018-03-16
• 發明（設計）人: 吳嘯龍;湯靜雅
• 申請（專利權）人: 西安科技大學;長安大學
• 主分類號: G01V7/00
• 分類號: G01V7/00
• 代理公司: 西安創知專利事務所61213
• 代理人: 譚文琰

1.一種基于重力異常的礦山采空區變形量及穩定性評估方法，其特征在于，該方法包括以下步驟：

步驟一、絕對重力儀觀測點的布置及絕對重力儀的架設：首先在矩形礦山采空區(2)研究場地中，沿礦山采空區地表面的長度方向間隔設置多個絕對重力儀觀測點；其中，多個所述絕對重力儀觀測點分別記作絕對重力觀測點A₁、絕對重力觀測點A₂、...、絕對重力觀測點A_n，n為絕對重力觀測點的數量，所述礦山采空區地表面為矩形礦山采空區平面ABCD；

然后，分別在所述絕對重力觀測點A₁、絕對重力觀測點A₂、...、絕對重力觀測點A_n處架設絕對重力儀(5)；

步驟二、絕對重力觀測值的獲取：多個所述絕對重力儀(5)按照預先設定的采樣時間對步驟一中多個所述絕對重力觀測點的絕對重力觀測值進行檢測，并將檢測到的多個絕對重力觀測值傳輸至數據處理器(6)，數據處理器(6)獲取各個采樣時刻多個絕對重力儀觀測點的絕對重力觀測值；

步驟三、建立空間直角坐標系：以步驟一中所述矩形礦山采空區平面ABCD的頂點A為坐標原點O，過矩形礦山采空區平面ABCD的長邊AB的直線為Y軸，過矩形礦山采空區平面ABCD的寬邊AD的直線為X軸，過矩形礦山采空區平面ABCD的頂點A且垂直于矩形礦山采空區平面ABCD所在平面的直線為Z軸；其中，所述矩形礦山采空區平面ABCD的頂點C位于由X軸和Y軸構成的平面直角坐標系XOY的第一象限內；

步驟四、礦山采空區圍巖球體的質心坐標計算：所述數據處理器(6)按照采樣時間先后順序對步驟二中獲取的各個采樣時刻所采集的多個絕對重力觀測值分別進行處理，獲取礦山采空區圍巖球體的質心(4)坐標，且對各個采樣時刻所采集的多個絕對重力觀測值的處理方法均相同，其中，所述礦山采空區圍巖球體(3)為矩形礦山采空區(2)所處圍巖體的最小半徑球體，對步驟二中任一個采樣時刻所采集的多個絕對重力觀測值進行處理，過程如下：

步驟401、礦山采空區圍巖球體的質量計算：采用所述數據處理器(6)根據公式得到礦山采空區圍巖球體(3)的質量M，其中，G為萬有引力常數，Δg為絕對重力觀測值；

步驟402、礦山采空區圍巖球體的質心的坐標設定：采用與所述數據處理器(6)相接的參數輸入模塊(7)將礦山采空區圍巖球體的質心(4)的坐標P(x_i,y_i,z_i)的橫坐標x_i、縱坐標y_i和豎坐標z_i輸入所述數據處理器(6)中；其中，橫坐標x_i>0,縱坐標y_i>0,豎坐標z_i>0；

步驟403、礦山采空區圍巖球體的質心的映射：采用所述數據處理器(6)根據公式和將礦山采空區圍巖球體的質心(4)的坐標P(x_i,y_i,z_i)映射到由X軸和Y軸構成的平面直角坐標系XOY的第一象限中，得到投影點P′(x_i′,y_i′)，則獲取礦山采空區圍巖球體的質心(4)的坐標P(x_i,y_i,z_i)的橫坐標x_i和縱坐標y_i；其中，x_i＝x′_i，y_i＝y′_i；

步驟404、礦山采空區圍巖球體的引力線的繪制：采用所述數據處理器(6)對步驟二中獲取的多個絕對重力觀測值分別進行處理，得到礦山采空區圍巖球體(3)的多條引力線(1)，則多條所述引力線(1)的交點為礦山采空區圍巖球體的質心(4)，并獲取礦山采空區圍巖球體的質心(4)的坐標，其中，對于多個絕對重力觀測值進行處理得到礦山采空區圍巖球體(3)的多個引力線(1)的方法均相同，則對任一個絕對重力觀測值進行處理得到礦山采空區圍巖球體(3)的引力線(1)，具體包括以下步驟：

步驟4041、采用所述數據處理器(6)且根據公式得到絕對重力觀測點對應的正常重力值γ₀，其中，表示絕對重力觀測點所處的緯度；

步驟4042、采用所述數據處理器(6)且根據公式并通過所述參數輸入模塊(7)輸入步驟4041中所述絕對重力觀測點對應的正常重力值γ₀，得到礦山采空區圍巖球體(3)的引力線(1)在平面直角坐標系XOZ上的投影與Z軸之間的夾角θ_xoz,z，其中，r表示礦山采空區圍巖球體(3)的表面上任意一點Q(x^*，y^*，z^*)到絕對重力觀測點的空間距離，A表示礦山采空區圍巖球體(3)的表面上任意一點Q(x^*，y^*，z^*)相對于絕對重力觀測點的方位角；

步驟4043、采用所述數據處理器(6)且根據公式并通過所述參數輸入模塊(7)輸入步驟4041中所述絕對重力觀測點對應的正常重力值γ₀，得到礦山采空區圍巖球體(3)的引力線(1)在平面直角坐標系YOZ上的投影與Z軸之間的夾角θ_yoz,z；

步驟4044、采用所述參數輸入模塊(7)將步驟4042中得到的礦山采空區圍巖球體(3)的引力線(1)在平面直角坐標系XOZ上的投影與Z軸之間的夾角θ_xoz,z和步驟4043中得到的礦山采空區圍巖球體(3)的引力線(1)在平面直角坐標系YOZ上的投影與Z軸之間的夾角θ_yoz,z輸入所述數據處理器(6)中，再采用數據處理器(6)調用引力線繪制模塊，繪制出礦山采空區圍巖球體(3)的引力線(1)；

步驟4045、多次重復步驟4041至步驟4045，得到礦山采空區圍巖球體(3)的多條引力線(1)，則多條所述引力線(1)的交匯處為礦山采空區圍巖球體的質心(4)；

步驟405、確定礦山采空區圍巖球體的質心(4)的坐標P(x_i,y_i,z_i)的豎坐標：采用所述數據處理器(6)根據步驟4045中得到的礦山采空區圍巖球體的質心(4)，則得到礦山采空區圍巖球體的質心(4)的坐標P(x_i,y_i,z_i)的豎坐標z_i；

步驟406、多次重復步驟401至步驟405，完成對各個采樣時間所采集的多個絕對重力觀測值進行處理，獲取各個采樣時間的礦山采空區圍巖球體的質心(4)的坐標，且采用所述數據處理器(6)對礦山采空區圍巖球體的質心(4)的坐標按照時間先后順序進行排列，并分別記作P(x₁,y₁,z₁)、P(x₂,y₂,z₂)、P(x₃,y₃,z₃)、...、P(x_n,y_n,z_n)；其中，n表示絕對重力儀(5)采樣點的總數；

步驟五、礦山采空區圍巖球體的質心變化曲線的繪制及穩定變形量的獲取：采用所述數據處理器調用曲線繪制模塊，繪制礦山采空區圍巖球體的質心變化曲線，并根據所述礦山采空區圍巖球體的質心變化曲線獲取礦山采礦區的變形量。