[发明专利]一种两层采空区地面沉降的预测方法

说明书

本发明提供一种两层采空区地面沉降的预测方法，主要包括：上层煤开采前观测得到地面沉降值；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；建立地质模型；选择屈服准则，确定边界条件及初始应力；获得上覆岩土体的物理参数和初始力学参数；利用数值模拟技术，通过反演试算的方法确定上覆岩土体最终的力学参数；利用数值模拟计算开采上层煤导致的地面沉降值；利用数值模拟计算和预测开采下层煤导致的地面沉降值和地面沉降最终值。本发明用于数值计算的岩土体参数基于现场地面沉降监测，通过反演得到，其可信度高，开采上层煤后，将发生屈服的上覆岩土体单元的参数进行折减，所以，通过数值计算预测得到的地面沉降值可靠性高。

技术领域

本发明涉及采矿安全领域，尤其涉及一种基于地面沉降监测数据的两层采空区地面沉降的预测方法。

背景技术

在过去的十年里，中国煤炭的年产量占全球年产量的40％以上。由于煤炭开采所产生的地面沉降不仅造成财产和生命的损失，而且还造成一系列地质环境问题。因此，对采空区地面沉降进行预测具有经济效益、社会效益、环境效益。现有的单层采空区地面沉降预测方法主要包括理论分析方法、物理模拟方法、数值模拟方法。

为了提高煤炭开采量以及经济发展的需要，煤炭的多层开采是很有必要的。然而，由于多层开采的剖面、形状和大小与单层开采不一样，单层开采时地面沉降的预测方法不适用于多层开采。

目前，一些学者对多层采空区地面沉降进行了研究，他们采用的方法主要是理论计算 (主要是影响函数法)、物理模拟方法、数值模拟方法。影响函数法是一种理论方法，通用性较好，但是该方法受到地质条件、开采条件以及开采边界等的影响，其适应性受到限制。而物理模拟则费时费钱，其适应性也受到影响。

相比而言，数值模拟方法在适应性和经济性都具有优势，然而目前有至少2条不利因素制约了数值模拟的应用。第一，数值模拟的计算结果受岩体力学参数的影响。一般计算时参数选取工程勘察阶段测试的岩体力学参数，然而这些参数都是通过实验室内对岩块进行测试得到的参数，不是现场岩体的实际参数，所以数值模拟的计算结果往往与实际监测的地面沉降值相差较大。第二，在开采完上层煤后，部分上覆岩体会屈服，则这部分屈服的岩体力学参数要折减。如果未对已屈服岩体的力学参数进行折减，则计算结果偏小。

因此，目前对多层采空区地面沉降进行的研究尚有诸多不足，难以相对准确和客观地预测沉降值，有待对研究方法做进一步的改进。

发明内容

本发明的目的在于解决以上的问题，提供一种可靠的两层采空区地面沉降的预测方法，包括以下步骤：

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；