[发明专利]煤矿开采地表裂缝产生-发育-闭合时空演变规律实测与理论结合分析方法

权利要求书

1.煤矿开采地表裂缝产生-发育-闭合时空演变规律实测与理论分析方法，其特征在于，将裂缝的实测调研结果结合拐点及变形分区理论综合分析煤矿开采地表裂缝从产生到发育再到闭合的时空动态变化规律；

所述对裂缝的实测调研的具体流程包括：

步骤1、确定裂缝产生时间点：

在工作面边界距离倾向监测线100m时，以10天每次的频率开始对靠近工作面边界的地表区域进行勘察调研，对裂缝出现的时间节点进行记录，并对裂缝的数量和形状以及空间尺度进行一个初步的测量和记录；

步骤2、测量裂缝的长度和宽度：

对于裂缝的宽度，采用钢尺量距法进行逐段测量确定裂缝宽度，对于裂缝发育宽度较为均匀的则取平均值作为裂缝宽度数据；对于裂缝的长度需要根据裂缝的形状分为两种方法，分别是软绳-钢尺量距法和直接钢尺量距法，软绳-钢尺量距法是先通过软绳按照裂缝发育形状布置一样形状和长度的软绳，再在软绳两端做好标记，拉直软绳，利用钢尺量距法测量软绳两端标记之间的长度即得裂缝长度，裂缝呈现的形状一般是直线延伸和凹向工作面方向的“O”或“C”形，故对直线延伸的裂缝长度测量采用直接钢尺量距法，对于“O”或“C”形的裂缝采用软绳-钢尺量距法；

步骤3、测量裂缝的深度：

对于裂缝的深度，采用石灰喷雾作为示踪剂，将生石灰粉沿裂缝口以喷雾形式通过高压喷雾管喷出，再进行开挖实测裂缝深度，通过取土器挖出一整块包含裂缝在内的块状土，通过钢尺量距法测量块状土体表面到示踪剂标记最下端的长度值，则为裂缝深度，对于取出的块状土体要小心放回原坑位，以保证裂缝的完整性；

步骤4、裂缝平面位置的数据采集：

对于裂缝平面位置的数据采集，需要根据裂缝的形状指定两种方案，方案一：对于直线延伸型裂缝，通过虚拟CORS参考站采集裂缝起始端和终止端的平面坐标；方案二：对于“O”形或“C”形裂缝，则需要按照0.5m采集一个裂缝曲线特征点的平面坐标；并将现场采集的裂缝曲线特征点位信息绘制成草图；

步骤5、裂缝位置可视化：

将裂缝位置的特征点位数据在南方CASS软件中以野外测点点号的形式显示出来，并按照现场绘制的草图在南方CASS软件中绘制裂缝位置，并导入工作面的井上下对照图，关闭次要图层，保留工作面关键信息，以清楚看到裂缝发育位置相对工作面的关系，并对裂缝按照序号-实测日期形式进行编号；

步骤6、以一个月每次的频率重复步骤2～步骤5；

步骤7、确定裂缝闭合时间点：

通过对裂缝在发育期间进行每月一次的实测调研，并根据裂缝发育的趋势预判裂缝闭合的时间，并在裂缝空间尺度逐渐减小观测周期，改为每15天一次的实测调研，直到确定裂缝的闭合时间点；

步骤8、实测分析：

综合裂缝的产生时间点、裂缝发育时间段、裂缝闭合时间点和可视化裂缝的时空演变趋势分析裂缝的时空动态演变规律。

2.根据权利要求1所述的煤矿开采地表裂缝产生-发育-闭合时空演变规律实测与理论分析方法，其特征在于，所述拐点及变形分区理论包括以下几个步骤：

步骤Ⅰ、建立矿区工作面地表移动变形观测站：

根据工作面地质采矿条件结合地表水文环境设置相应的倾向观测线和走向观测线，设置走向观测线要视工作面地表是否有沉陷积水区而定；

步骤Ⅱ、进行全面观测：

对观测站进行高程全面观测和平面全面观测获取观测站各控制点的点位三维信息，为后期日常观测提供点位数据采集和平差基准；

步骤Ⅲ、进行日常观测：

利用电子水准仪和虚拟CORS参考站对观测站的各条监测线的监测点进行水准测量和平面测量；

步骤Ⅳ、日常观测数据处理：

对日常观测的水准和平面观测数据进行平差处理，获得点位高程和平面信息，并与首次全面观测所得各监测点的高程和平面信息进行联合计算，获得点位的累计下沉量和当期的相邻点间距；

监测线上任意一点A点的首次观测高程记为H_A，当期观测A点高程记为H_Ai，A点的累计下沉量记为W_A；与A点相邻的两点分别为B、C，其中B点记为n-1号点，A点记为n号点，C记为n+1号点；B点的首次观测高程记为H_B，当期观测B点高程记为H_Bi，B点的累计下沉量记为W_B；C点的首次观测高程记为H_C，当期观测C点高程记为H_Ci，C点的累计下沉量记为W_C；A点、B点、C点的坐标分别为(X_A,Y_A)、(X_B,Y_B)、(X_C,Y_C)；A点与B点之间的相邻点间距记为L_BA，A点与C点之间的相邻点间距为L_AC；高程的单位统一为m，下沉量的单位统一为mm，相邻点间距单位统一为m；下沉量均为标量，正负号不代表方向，下沉量采用正号表示；

W_A、W_B、W_C分别按照式(1)、式(2)、式(3)进行计算；相邻点间距L_BA、L_AC分别按照式(4)、式(5)进行计算：

W_A＝H_A-H_Ai (1)

W_B＝H_B-H_Bi (2)

W_C＝H_C-H_Ci (3)

L_BA＝sqrt((X_A-X_B)²+(Y_A-Y_B)²) (4)

L_AC＝sqrt((X_C-X_A)²+(Y_C-Y_A)²) (5)

步骤Ⅴ、计算倾斜变形并绘制倾斜变形曲线：

A、B两点之间的倾斜变形和B、C两点之间的倾斜变形分别记为i_BA、i_AC，单位统一为mm/m；i_BA、i_AC按照式(6)、(7)进行计算：

A、B、C三点之间的曲率变形实际为A点附近的曲率变形，记为K_B-A-C，单位统一为mm/m²；曲率变形按照式(8)进行计算：

步骤Ⅵ、绘制倾斜变形、曲率变形曲线：

在origin软件里导入各监测点间的倾斜变形值和各监测点附近的曲率变形值并分别绘制倾斜变形曲线和曲率变形曲线；

步骤Ⅶ、确定拐点位置：

根据绘制的倾斜变形曲线和曲率变形曲线特征点综合确定拐点位置，主要是依据倾斜变形最大值点和曲率变形在达到最大值后首次降为零的点来综合判定拐点的位置；

步骤Ⅷ：以一个月每次的频率重复步骤Ⅲ～步骤Ⅶ；

步骤Ⅸ、绘制拐点的动态轨迹图：

通过对每一期获得的倾斜变形曲线和曲率变形曲线进行分析得到每一期拐点的位置，并将拐点的位置变化绘制成轨迹图，从而划分地表拉伸-压缩变形分区为永久拉伸区和先拉伸后压缩区；

步骤Ⅹ、理论分析：

以拐点为起点向远离工作面边界方向的区域为拉伸区，向靠近工作面边界方向的区域为压缩区，裂缝易出现在靠近工作面边界的拉伸区，随着拐点的移动，原先是拉伸区的地带会逐渐转变为压缩区，因此原先处于拉伸区的裂缝也会随着拉伸区向压缩区转变而逐渐闭合。