[发明专利]采动覆岩离层注浆条件下地表沉陷模拟方法及装置

说明书

本发明涉及一种采动覆岩离层注浆条件下地表沉陷模拟方法及装置。模拟方法包括：S100，对研究区地层进行概化；S200，构建研究区域的三维工程地质模型；S300，在三维工程地质模型中确定本构模型、屈服准则、边界条件及计算参数；S400，在三维工程地质模型中将上层的第一网格组与相邻下层的第二网格组之间设置为双节点状态；S500，进行分步开采，目标层位离层开始发育，向离层空间中充填网格以模拟注浆；S600，注浆浆液转变为注浆结石体，将注浆网格参数增强为结石体参数，同时撤销注浆压力；直至工作面开采完成。本发明实现了离层注浆的全过程模拟，贴近实际注浆过程。可以预测工程注浆减沉效果，为实际工程提供指导。

技术领域

本发明一般地涉及工程地质模拟技术领域，特别地涉及采动覆岩离层注浆条件下地表沉陷模拟方法及装置。

背景技术

地下煤炭资源开采，改变了围岩应力平衡状态，进而导致覆岩的应力重分布以及移动，覆岩的移动变形逐渐向上传递到地表，地表产生沉降和变形，被称为开采沉陷。而当前我国探明的大量煤炭资源压覆在“建筑物、水体、铁路”下，这些煤炭资源开采诱发的地表沉陷势必对地表建(构)筑物以及生态环境造成破坏。

在实际工程以外，目前主要以数值模拟的手段对覆岩离层注浆过程进行研究。为了评价覆岩离层注浆减沉效果，有关学者提出了注采比的概念，即注浆用粉煤灰的质量与所开采煤炭的总质量之比。目前的覆岩离层注浆模拟中，以离散元软件为主，多为二维剖面。通过预先设置一系列不同的注采比，将固定体积的浆液充填进预先设置好的离层空间中。对比不同注采比条件下的地表沉陷情况，来反演何种注采比下地表沉陷的控制情况能够达到标准。

以现有的模拟手段，存在以下问题：

(1)注浆时注采比都是提前设置好的，通过注浆后地表沉陷的控制情况，反推多大的注采比才能满足对地表沉陷控制的需要。但离层空间是否能够容纳所需求的注浆量并不清楚。

(2)注浆时所用的离层空间都是预设好的，但真实的离层空间是随着煤炭的开采而不断变化的，因此预设离层空间并不能反映真实的离层空间情况，并且预设的离层空间与真实离层空间的形状也不相同。

(3)现有手段模拟注浆时，向离层空间中充填的介质基本设置为刚体，其体积不会发生变化，但真实情况下首先向离层中注入浆液，而后浆液中的水析出，粉煤灰或煤矸石沉积在离层空间中，控制上覆岩层移动变形。现有技术手段未模拟出注浆浆液转变为注浆结石体的过程。

(4)在实际工程中，通过使用注浆泵将浆液注入离层空间，当前的模拟手段并不能模拟注浆过程中注浆压力对于地层的影响。

发明内容

鉴于现有技术的不足，本发明提出了一种新型的采动覆岩离层注浆条件下地表沉陷模拟，可以基于FLAC^3D软件实现，实现了离层注浆的全过程模拟，贴近实际注浆过程。可以预测工程注浆减沉效果，为实际工程提供一定的指导。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

本发明首先提供一种采动覆岩离层注浆条件下地表沉陷模拟方法，包括：S100，收集研究区域的钻孔资料，根据收集到的钻孔资料对研究区地层进行概化；S200，构建研究区域的三维工程地质模型，所述三维工程地质模型被划分为多个网格组；S300，确定所述三维工程地质模型的本构模型、屈服准则、边界条件及计算参数；S400，在所述三维工程地质模型中将上层的第一网格组与相邻下层的第二网格组之间设置为双节点状态，使得所述第一网格组与第二网格组之间能够产生不连续变形；S500，进行分步开采，目标层位离层开始发育，向离层空间中充填网格以模拟注浆；S600，注浆浆液转变为注浆结石体，将注浆网格参数增强为结石体参数，同时撤销注浆压力；循环进行S500、S600，直至工作面开采完成。

可选的，S200中，所述构建研究区的三维工程地质模型包括：

确定开采工作面；