[發(fā)明專利]一種兩層采空區(qū)地面沉降的預(yù)測(cè)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201811082174.1
• 申請(qǐng)日: 2018-09-17
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN108827233B
• 公開(kāi)（公告）日: 2019-12-10
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張中儉;黃琨;張彬;許亮
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京);內(nèi)蒙古自治區(qū)有色地質(zhì)勘查局
• 主分類號(hào): G01C5/00
• 分類號(hào): G01C5/00
• 代理公司: 11642 北京恒泰銘睿知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司
• 代理人: 付懷

本發(fā)明提供一種兩層采空區(qū)地面沉降的預(yù)測(cè)方法，主要包括：上層煤開(kāi)采前觀測(cè)得到地面沉降值；通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)確定上覆巖土體每一地層的物理參數(shù)和力學(xué)參數(shù)；建立地質(zhì)模型；選擇屈服準(zhǔn)則，確定邊界條件及初始應(yīng)力；獲得上覆巖土體的物理參數(shù)和初始力學(xué)參數(shù)；利用數(shù)值模擬技術(shù)，通過(guò)反演試算的方法確定上覆巖土體最終的力學(xué)參數(shù)；利用數(shù)值模擬計(jì)算開(kāi)采上層煤導(dǎo)致的地面沉降值；利用數(shù)值模擬計(jì)算和預(yù)測(cè)開(kāi)采下層煤導(dǎo)致的地面沉降值和地面沉降最終值。本發(fā)明用于數(shù)值計(jì)算的巖土體參數(shù)基于現(xiàn)場(chǎng)地面沉降監(jiān)測(cè)，通過(guò)反演得到，其可信度高，開(kāi)采上層煤后，將發(fā)生屈服的上覆巖土體單元的參數(shù)進(jìn)行折減，所以，通過(guò)數(shù)值計(jì)算預(yù)測(cè)得到的地面沉降值可靠性高。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及采礦安全領(lǐng)域，尤其涉及一種基于地面沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的兩層采空區(qū)地面沉降的預(yù)測(cè)方法。

背景技術(shù)

在過(guò)去的十年里，中國(guó)煤炭的年產(chǎn)量占全球年產(chǎn)量的40％以上。由于煤炭開(kāi)采所產(chǎn)生的地面沉降不僅造成財(cái)產(chǎn)和生命的損失，而且還造成一系列地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題。因此，對(duì)采空區(qū)地面沉降進(jìn)行預(yù)測(cè)具有經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益、環(huán)境效益。現(xiàn)有的單層采空區(qū)地面沉降預(yù)測(cè)方法主要包括理論分析方法、物理模擬方法、數(shù)值模擬方法。

為了提高煤炭開(kāi)采量以及經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，煤炭的多層開(kāi)采是很有必要的。然而，由于多層開(kāi)采的剖面、形狀和大小與單層開(kāi)采不一樣，單層開(kāi)采時(shí)地面沉降的預(yù)測(cè)方法不適用于多層開(kāi)采。

目前，一些學(xué)者對(duì)多層采空區(qū)地面沉降進(jìn)行了研究，他們采用的方法主要是理論計(jì)算 (主要是影響函數(shù)法)、物理模擬方法、數(shù)值模擬方法。影響函數(shù)法是一種理論方法，通用性較好，但是該方法受到地質(zhì)條件、開(kāi)采條件以及開(kāi)采邊界等的影響，其適應(yīng)性受到限制。而物理模擬則費(fèi)時(shí)費(fèi)錢，其適應(yīng)性也受到影響。

相比而言，數(shù)值模擬方法在適應(yīng)性和經(jīng)濟(jì)性都具有優(yōu)勢(shì)，然而目前有至少2條不利因素制約了數(shù)值模擬的應(yīng)用。第一，數(shù)值模擬的計(jì)算結(jié)果受巖體力學(xué)參數(shù)的影響。一般計(jì)算時(shí)參數(shù)選取工程勘察階段測(cè)試的巖體力學(xué)參數(shù)，然而這些參數(shù)都是通過(guò)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對(duì)巖塊進(jìn)行測(cè)試得到的參數(shù)，不是現(xiàn)場(chǎng)巖體的實(shí)際參數(shù)，所以數(shù)值模擬的計(jì)算結(jié)果往往與實(shí)際監(jiān)測(cè)的地面沉降值相差較大。第二，在開(kāi)采完上層煤后，部分上覆巖體會(huì)屈服，則這部分屈服的巖體力學(xué)參數(shù)要折減。如果未對(duì)已屈服巖體的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行折減，則計(jì)算結(jié)果偏小。

因此，目前對(duì)多層采空區(qū)地面沉降進(jìn)行的研究尚有諸多不足，難以相對(duì)準(zhǔn)確和客觀地預(yù)測(cè)沉降值，有待對(duì)研究方法做進(jìn)一步的改進(jìn)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于解決以上的問(wèn)題，提供一種可靠的兩層采空區(qū)地面沉降的預(yù)測(cè)方法，包括以下步驟：

步驟100，在上層煤層即將開(kāi)采前，在待開(kāi)采范圍內(nèi)劃定一定面積的區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)設(shè)置地面沉降觀測(cè)站和觀測(cè)線，對(duì)觀測(cè)站的高程進(jìn)行長(zhǎng)期觀測(cè)，得到相應(yīng)觀測(cè)點(diǎn)因上層煤層開(kāi)采導(dǎo)致的地面沉降值；

步驟200，對(duì)煤層上覆巖土體鉆孔取樣，通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)確定上覆巖土體每一地層的物理參數(shù)和力學(xué)參數(shù)；

步驟300，根據(jù)鉆孔資料和地形數(shù)據(jù)建立整個(gè)煤礦的三維地質(zhì)模型，并對(duì)三維地質(zhì)模型劃分網(wǎng)格；

步驟400，選擇煤層上覆巖土體的屈服準(zhǔn)則，確定邊界條件及初始應(yīng)力；

步驟500，對(duì)步驟200得到的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行折減，結(jié)合步驟200得到的物理參數(shù)，定為初始參數(shù)；并且，所述步驟500相對(duì)于前述的步驟300，以及相對(duì)于前述的步驟400，無(wú)先后順序限制；

步驟600，由步驟500得到的初始參數(shù)，利用步驟400確定的屈服準(zhǔn)則、邊界條件及初始應(yīng)力，利用數(shù)值模擬技術(shù)，基于步驟100觀測(cè)得到的地面沉降值，通過(guò)反演試算的方法確定上覆巖土體最終的力學(xué)參數(shù)；

步驟700，根據(jù)步驟600得到的力學(xué)參數(shù)，利用數(shù)值模擬計(jì)算整個(gè)煤礦開(kāi)采上層煤導(dǎo)致的地面沉降值S1；