[发明专利]一种两层采空区地面沉降的预测方法

权利要求书

1.一种两层采空区地面沉降的预测方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤100，在上层煤层即将开采前，在待开采范围内划定一定面积的区域，在该区域内设置地面沉降观测站和观测线，对观测站的高程进行长期观测，得到相应观测点因上层煤层开采导致的地面沉降值；

步骤200，对煤层上覆岩土体钻孔取样，通过室内实验确定上覆岩土体每一地层的物理参数和力学参数；

步骤300，根据钻孔资料和地形数据建立整个煤矿的三维地质模型，并对三维地质模型划分网格；

步骤400，选择煤层上覆岩土体的屈服准则，确定边界条件及初始应力；

步骤500，对步骤200得到的力学参数进行折减，结合步骤200得到的物理参数，定为初始参数；并且，所述步骤500相对于前述的步骤300，以及相对于前述的步骤400，无先后顺序限制；

步骤600，由步骤500得到的初始参数，利用步骤400确定的屈服准则、边界条件及初始应力，利用数值模拟技术，基于步骤100观测得到的地面沉降值，通过反演试算的方法确定上覆岩土体最终的力学参数；

步骤700，根据步骤600得到的力学参数，利用数值模拟计算整个煤矿开采上层煤导致的地面沉降值S1；

步骤800，开采上层煤后，对两层煤之间地层赋物理参数和力学参数，对已经屈服的单元的力学参数进行折减，利用数值模拟计算和预测整个煤矿开采下层煤导致的地面沉降值S₂，则S₂和步骤700得到的S₁之和即为开采两层煤的地面沉降最终值S。

2.根据权利要求1所述的预测方法，其特征在于，步骤100中，地面沉降观测手段选择GPS、北斗导航、全站仪、水准仪中的一种或多种，根据采深采厚比初步确定的地面沉降强度进行选择。

3.根据权利要求1所述的预测方法，其特征在于，步骤100中，地面沉降观测时间为从上层煤开采前直到开采结束并且地面沉降稳定；观测频率5-10天观测一次；地面沉降稳定的判断标准是单个变形观测点6个月的沉降量总和小于30mm。

4.根据权利要求1所述的预测方法，其特征在于，步骤200中，物理参数主要包括密度，力学参数主要包括单轴抗压强度、抗拉强度、弹性模量、泊松比、内摩擦角和粘聚力。

5.根据权利要求1所述的预测方法，其特征在于，步骤300中，三维地质模型的边界根据煤层开采范围确定，网格划分的数量由计算机的计算能力确定。

6.根据权利要求1所述的预测方法，其特征在于，步骤400中，屈服准则选择摩尔-库伦准则。

7.根据权利要求1所述的预测方法，其特征在于，步骤500中，所述折减具体为弹性模量折减50％，泊松比增加15％，作为煤层上覆岩土体力学参数初始值。

8.根据权利要求1所述的预测方法，其特征在于，步骤600中，所述反演试算通过正交试验来完成，具体为：

步骤601，步骤400屈服准则选择摩尔-库伦准则，试验因素选择弹性模量、泊松比、内摩擦角、粘聚力4个参数；

步骤602，定义步骤100观测得到的地面沉降平均值与数值模拟得到的地面沉降平均值的比值为地面沉降平均比，并选为试验因子；

步骤603，根据正交试验设计理论，生成多因素多水平正交试验表，多因素是指弹性模量、泊松比、内摩擦角、粘聚力4个试验因素，多水平是指每一个试验因素均对应多种梯度的数值；

步骤604，把正交试验表中的试验方案确定的多组参数分别给三维地质模型赋值，并进行数值模拟，计算得到每一组试验方案的地面沉降平均比；

步骤605，比较分析地面沉降平均比的数值大小，该数值最接近于1时的力学参数与实际岩土体的力学参数最接近，则该组力学参数取为上覆岩土体最终的力学参数。

9.根据权利要求1所述的预测方法，其特征在于，步骤800中，对两层煤之间地层所赋的物理参数和力学参数与上层煤顶板地层的物理参数和力学参数相同。

10.根据权利要求1所述的预测方法，其特征在于，步骤800中，所述折减具体为弹性模量折减99.5％。