[发明专利]一种厚松散层非充分采动条件下地面沉降预计方法

说明书

本发明涉及一种厚松散层非充分采动条件下地面沉降预计方法，步骤1：地质采矿数据资料收集：包括：矿体参数(矿体开采厚度、倾角、走向开采长度、倾向开采长度)，松散层参数(松散层厚度、密度)，岩层力学参数(上覆岩层整体厚度、岩层平均密度、弹性模量、泊松比)以及采动深度、应力集中系数、主要影响半径；步骤2：确定弯曲带岩层厚度和弯曲带岩层最大扰度；步骤3：利用本发明提供的数学模型，求取因应力集中导致的岩层与松散层界面开采边界处的沉降量；步骤4：利用本发明提供的数学模型，用数值积分计算出因地下开采导致的地面任意点沉降值。本发明基于矿体参数、松散层参数、岩层力学参数以及采动深度、应力集中系数、主要影响半径，运用所提供的数学模型，可求取地面任意点沉降值。

技术领域

本发明涉及一种厚松散层非充分采动条件下地面沉降预计方法，由矿区地下开采引起的地面沉降预计与防灾减灾等领域，可应用于煤矿、金属矿以及各种非金属矿中。

背景技术

地下矿产资源开采引起的地面沉降以及由此带来的危害是全世界各矿产资源大国所面临的一种严重环境问题。随着世界范围内矿产资源消耗量的急剧增长，这种问题将日益突出。为了尽可能减轻由地下矿产开采引起的地面沉降对地面基础设施的损害与自然环境的破坏,对地面沉降进行精确预计显得尤为重要。

由地下开采引起的岩层和地面沉降，是一个复杂的时间-空间-力学过程。在过去几十年里，为了揭示岩层和地表移动的内在规律,世界各国岩石移动与地学工作者进行了大量的理论研究与实地监测分析，并提出了众多的地面沉降预计方法,以求尽可能提高预计精度、减少地面沉降对地面基础设施的损害与自然环境的破坏。

目前，国内外主要有以下方法对由地下开采引起的地面沉降进行预计：

方法1.连续介质力学理论是最早提出的地面沉降预计方法。该方法将上覆岩层简化为满足特定边界条件的某种连续介质，如弹性体与弹塑性体，利用相应的弹塑性力学理论求取地表及岩层移动预测解析表达式。20世纪50年代苏联学者C.T.阿维尔申将采空区上覆岩层视为弹性梁，推导出上覆岩层变形表达式^[1][2]。随后，又有岩石移动工作者开展了视岩层为连续介质各向异性体的研究。然而，即使在自然状态下岩层能保持较好的连续性，而在开采或开挖卸荷条件下岩层是一种非连续介质，变形规律复杂。连续介质理论预测模型理论过于简化，大多应用于理论研究与定性分析，很难真正用于地面沉降工程实际。(参见[1]C.T.阿维尔申.煤矿地下开采的岩层移动[M].北京：煤炭工业出版社，1959；[2]GreatBritain.National Coal Boad Mining Dept.Subsidence Engineer’s Handbook.[M]National Coal Board,London.:N.C.B.,1965)；

方法2.经验公式法又称剖面函数法或典型曲线法。其基本思路是对大量具有代表性的矿区地面沉降实地观测数据进行数理统计回归拟合，得到某种形式的典型曲线，再利用该形式的曲线对具有相似地质采矿条件的地面沉降进行预计。其优点是直接给出地表下沉盆地函数曲线的显式形式，且能够描述关于拐点非对称的下沉曲线。但是，经验公式法通常描述的下沉盆地是矩形采空区得到的，且地质、采矿条件要求较苛刻。比较有代表性的剖面曲线有：英国剖面函数法^[3]。1965年，煤炭科学院唐山研究所岩移工作者在总结我国一些矿区的地表移动资料的基础上提出了负指数函数法^[4]；(参见[3]Helmut Kratzsch.MiningSubsidence Engineering[M].,Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York 1983，186-191；[4]王世道.有关负指数函数法的几个问题[J].矿山测量，1981,(01):78-87)；