[發明專利]一種兩層采空區地面沉降的預測方法

有效

• 申請號: 201811082174.1
• 申請日: 2018-09-17
• 公開（公告）號: CN108827233B
• 公開（公告）日: 2019-12-10
• 發明（設計）人: 張中儉;黃琨;張彬;許亮
• 申請（專利權）人: 中國地質大學(北京);內蒙古自治區有色地質勘查局
• 主分類號: G01C5/00
• 分類號: G01C5/00
• 代理公司: 11642 北京恒泰銘睿知識產權代理有限公司
• 代理人: 付懷

1.一種兩層采空區地面沉降的預測方法，其特征在于，包括如下步驟：

步驟100，在上層煤層即將開采前，在待開采范圍內劃定一定面積的區域，在該區域內設置地面沉降觀測站和觀測線，對觀測站的高程進行長期觀測，得到相應觀測點因上層煤層開采導致的地面沉降值；

步驟200，對煤層上覆巖土體鉆孔取樣，通過室內實驗確定上覆巖土體每一地層的物理參數和力學參數；

步驟300，根據鉆孔資料和地形數據建立整個煤礦的三維地質模型，并對三維地質模型劃分網格；

步驟400，選擇煤層上覆巖土體的屈服準則，確定邊界條件及初始應力；

步驟500，對步驟200得到的力學參數進行折減，結合步驟200得到的物理參數，定為初始參數；并且，所述步驟500相對于前述的步驟300，以及相對于前述的步驟400，無先后順序限制；

步驟600，由步驟500得到的初始參數，利用步驟400確定的屈服準則、邊界條件及初始應力，利用數值模擬技術，基于步驟100觀測得到的地面沉降值，通過反演試算的方法確定上覆巖土體最終的力學參數；

步驟700，根據步驟600得到的力學參數，利用數值模擬計算整個煤礦開采上層煤導致的地面沉降值S1；

步驟800，開采上層煤后，對兩層煤之間地層賦物理參數和力學參數，對已經屈服的單元的力學參數進行折減，利用數值模擬計算和預測整個煤礦開采下層煤導致的地面沉降值S₂，則S₂和步驟700得到的S₁之和即為開采兩層煤的地面沉降最終值S。

2.根據權利要求1所述的預測方法，其特征在于，步驟100中，地面沉降觀測手段選擇GPS、北斗導航、全站儀、水準儀中的一種或多種，根據采深采厚比初步確定的地面沉降強度進行選擇。

3.根據權利要求1所述的預測方法，其特征在于，步驟100中，地面沉降觀測時間為從上層煤開采前直到開采結束并且地面沉降穩定；觀測頻率5-10天觀測一次；地面沉降穩定的判斷標準是單個變形觀測點6個月的沉降量總和小于30mm。

4.根據權利要求1所述的預測方法，其特征在于，步驟200中，物理參數主要包括密度，力學參數主要包括單軸抗壓強度、抗拉強度、彈性模量、泊松比、內摩擦角和粘聚力。

5.根據權利要求1所述的預測方法，其特征在于，步驟300中，三維地質模型的邊界根據煤層開采范圍確定，網格劃分的數量由計算機的計算能力確定。

6.根據權利要求1所述的預測方法，其特征在于，步驟400中，屈服準則選擇摩爾-庫倫準則。

7.根據權利要求1所述的預測方法，其特征在于，步驟500中，所述折減具體為彈性模量折減50％，泊松比增加15％，作為煤層上覆巖土體力學參數初始值。

8.根據權利要求1所述的預測方法，其特征在于，步驟600中，所述反演試算通過正交試驗來完成，具體為：

步驟601，步驟400屈服準則選擇摩爾-庫倫準則，試驗因素選擇彈性模量、泊松比、內摩擦角、粘聚力4個參數；

步驟602，定義步驟100觀測得到的地面沉降平均值與數值模擬得到的地面沉降平均值的比值為地面沉降平均比，并選為試驗因子；

步驟603，根據正交試驗設計理論，生成多因素多水平正交試驗表，多因素是指彈性模量、泊松比、內摩擦角、粘聚力4個試驗因素，多水平是指每一個試驗因素均對應多種梯度的數值；

步驟604，把正交試驗表中的試驗方案確定的多組參數分別給三維地質模型賦值，并進行數值模擬，計算得到每一組試驗方案的地面沉降平均比；

步驟605，比較分析地面沉降平均比的數值大小，該數值最接近于1時的力學參數與實際巖土體的力學參數最接近，則該組力學參數取為上覆巖土體最終的力學參數。

9.根據權利要求1所述的預測方法，其特征在于，步驟800中，對兩層煤之間地層所賦的物理參數和力學參數與上層煤頂板地層的物理參數和力學參數相同。

10.根據權利要求1所述的預測方法，其特征在于，步驟800中，所述折減具體為彈性模量折減99.5％。