[發明專利]全時空采掘過程的礦山應力場孿生建模同化系統及方法

有效

• 申請號: 202210312223.6
• 申請日: 2022-03-28
• 公開（公告）號: CN114708393B
• 公開（公告）日: 2023-04-25
• 發明（設計）人: 楊威;魏則寧;馮英特;張文曉;王文元
• 申請（專利權）人: 中國礦業大學
• 主分類號: G06T17/05
• 分類號: G06T17/05;G06Q50/02;G06F30/20;G06F119/14
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙) 32249
• 代理人: 李悅聲

1.一種面向全時空采掘過程的礦山應力場孿生建模同化方法，其特征在于步驟如下：

步驟1，建立初始的等比例三維地質模型：

根據全礦井地質勘探鉆孔詳細資料獲取礦井的全地質信息，包括鉆孔位置處煤層和特征巖層頂、底部的三維坐標，并利用插值方法計算煤層和特征巖層頂、底部任意點的三維坐標；根據鉆孔資料及地質報告數據獲取煤巖層分布情況及力學性質信息；

根據全礦井已完成的全部回采區段和關鍵巷道的布置情況，及礦井預設的未開挖回采區段和關鍵巷道的布置情況，結合煤層和特征巖層頂、底部任意點的三維坐標，利用CAD的二次開發軟件CASS10.1獲得所有回采區段和關鍵巷道的邊界控制點三維坐標；

根據礦井斷層分布特征、地表起伏情況、礦井邊界、煤層和特征巖層頂、底部任意點三維坐標、所有回采區段和關鍵巷道的邊界控制點三維坐標，利用FLAC3D軟件或3DEC軟件建立包含復雜地形條件下所有回采區段和關鍵巷道的礦井等比例三維地質數值計算模型；按照常規方法給模型不同的煤層和巖層參數賦值，給模型施加約束邊界；根據模型自重施加豎直方向應力，并根據側壓系數向地質模型施加水平方向應力使地質模型形變；繼續采用FLAC3D軟件或3DEC軟件運算地質模型完成形變直至初始應力平衡狀態；

步驟2，建立歷史等比例三維地質模型；

根據歷史資料明確全礦井已完成的回采區段和關鍵巷道的施工接替順序，利用FLAC3D軟件或3DEC軟件對步驟1中所建立的等比例三維地質模型依次模擬執行全礦井所有回采區段和關鍵巷道的開挖作業，數值模擬中的采掘接替順序和歷史真實順序相同，并計算全礦井采掘過程中地應力隨時間的演化規律，并在地質模型計算全過程中連續記錄模型中所有關鍵地點的應力、位移數據，模擬的開挖過程持續至現實中礦井采掘施工當前狀態，最終計算結果包含礦井歷史應力演化數據及礦井當前應力分布數據；

將全礦井的歷史資料與礦井模型中的關鍵點的數據進行比較，具體地，調取地應力監測點數據、礦企監測部門記錄的礦井突出卡片信息、煤巖層移動觀測數據等歷史資料，對比步驟1中得到的等比例三維的地質模型中一系列關鍵地點的模擬數據，對標實際數據去修改模型中的參數然后重新運行地質模型，使得地質模型計算得到的結果和歷史中出現的煤與瓦斯突出事故的時間和關鍵地點，以及發生突出的坐標及突出的類型相吻合，得到最終礦井地應力場反演計算結果；通過計算結果來調整賦值后的地質模型中的賦值參數，運算重新賦值后的地質模型，使其運算結果和礦井關鍵地點歷史數據吻合，最終將步驟1中的等比例三維地質模型完善為能夠反映礦山運行歷史自然規律和經驗知識的礦山歷史同化模型；

步驟3，建立高度逼真地模擬開采實況下巷道周圍煤巖體變化的可信數字孿生模型：

在步驟2中所建立的礦山歷史同化模型的基礎上，對物理實體的現實地應力環境狀態進行數字化描述，創建起與物理實體忠實映射的可信數字孿生模型，并能夠通過人機交互界面持續跟蹤輸入物理實體的實時數據，尤其是地應力和巖表位移量的變化狀態值，進而高度逼真地反映開采實況下巷道周圍煤巖體地應力大小、地應力分布、巖表位移量變化特征；

具體地，采用套芯應力解除法、鉆屑量法進行現場地應力實測，選取測點為未進行開采活動的區域，觀測站實時監測巖表位移量；將實測數據與可信數字孿生模型中對應位置的數據進行對比，通過修改可信數字孿生模型的參數并重新運行，使得可信數字孿生模型計算得到的結果和一系列實測地點的地應力與位移量數據吻合，便可以認為本次可信數字孿生模型計算結果為比較準確的礦井地應力場反演結果，同時將礦山環境、巷道開挖狀態信息、井下傳感器數據進行采集并數字化處理上傳至人機交互界面，實時映射于數字模型中，最終將礦山歷史同化模型轉變為真正意義上的可信數字孿生模型。