CN111737895B - 一种动态评价露天矿地下采空区顶板稳定性的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种动态评价露天矿地下采空区顶板稳定性的方法，包括下列步骤为：1)资料搜集，获取现场地形参数、地下采空区几何参数及岩土力学参数；2)建立地质模型及计算模型；3)试算该组参数下采空区上方开采平台的沉降特性；4)根据沉降特性选择最佳沉降观测点，布设沉降传感器；5)开采采空区上部矿层，沉降传感器发生变化；6)借助连续介质与非连续介质相结合的计算方法反分析当前状态下的力学参数；7)根据校正后的岩土力学参数，计算采空区的顶板稳定性及临界顶板厚度；8)重复5)‑7)步，不断修正采空区上覆岩层的力学参数，实现采空区顶板稳定性的动态预测。解决传统经验公式法及单纯数值模拟法评价不准确的难题。
Description
技术领域
本发明涉及采矿工程技术领域，尤其涉及一种动态评价露天矿地下采空区顶板稳定性的方法。
背景技术
目前，采空区顶板稳定性的分析方法往往基于确定的力学参数展开，并采用简单的理论或经验公式进行计算。理论公式往往对采空区的赋存状态、受力模式及破坏模式进行了过多的概化；而经验公式则限于局地的观测及实验结果，普适性不强。因此，无论理论公式还是经验公式，均无法准确计算出复杂采空区的顶板稳定性。基于力学理论的数值模拟技术，可以充分考虑采空区及地面的复杂形态，可以考虑地层的弹性参数、强度参数对采空区顶板稳定性的影响，是进行采空区顶板稳定性评价的有效手段。借助数值模拟进行顶板稳定性分析时，需要输入各地层的力学参数，力学参数的准确性将直接影响分析结果的准确性。由于地质体的非均匀、非连续等特性，局部取样获得的力学参数并不能代表采空区顶板整体的力学特性，因而也无法保证分析结果的准确性。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种动态评价露天矿地下采空区顶板稳定性的方法,可将现场监测数据与数值模拟结合，通过监测数据动态调整优化各地层的力学参数，而后利用与现场相匹配的力学参数进行采空区顶板稳定性的分析。
本发明的目的是这样实现的。
本发明的一种动态评价露天矿地下采空区顶板稳定性的方法，包括下列步骤：
步骤1)资料搜集
获取现场地形参数、岩层参数、地下采空区几何参数及岩土力学参数；
步骤2)建立地质模型及计算模型
根据地形参数、岩层参数及地下采空区几何参数建立地质模型，基于地质模型建立数值计算网格，基于数值计算网格及岩土力学参数建立数值计算模型。
步骤3)基于步骤2)中建立的数值计算模型，计算该组岩土力学参数下采空区上方开采平台的沉降特性
采用连续介质与非连续介质相结合的数值模拟方法进行数值模拟，单元采用理想弹塑性的摩尔-库伦模型及最大拉应力模型，虚拟界面采用脆性断裂的摩尔-库伦模型获取采空区顶部平台各处的沉降特性；
步骤4)根据沉降特性选择最佳沉降观测点
布设沉降传感器，根据数值模拟获得的顶板各处的沉降值，结合后续露天开采工序及开采方案，选取5-10处观测点，在采空区上方地表位置均匀布设沉降传感器；
步骤5)按照实际生产计划对采空区顶部的矿层进行逐层开采，同时记录各沉降传感器的变化情况；
步骤6)借助数值模拟反分析当前状态下的力学参数
基于连续介质与非连续介质相结合的数值计算方法，采用寻优算法，反复调整校正各岩层的力学参数，以数值计算获得的地表沉降与实际监测沉降的二范数最小为寻优条件，解算出与当前岩层相匹配的岩土力学参数；
最优解的确定公式为：
其中n为监测点的个数，为实际监测点的沉降值，/>为数值计算的沉降值，f及均为弹性模量E、粘聚力c、内摩擦角φ及抗拉强度σt的函数；
步骤7)根据校正后的岩土力学参数，计算采空区的顶板稳定性，确定临界顶板厚度及安全系数；
步骤8)重复步骤5)-7)，不断修正采空区上覆岩层的岩土力学参数，使得数值计算所用的岩土力学参数与实际值不断接近，从而实现采空区顶板稳定性的动态评价。
进一步地，所述步骤7)根据校正后的岩土力学参数，计算采空区的顶板稳定性，确定临界顶板厚度及安全系数，具体过程如下：
基于准确的岩土力学参数进行数值模拟，采用虚拟开采法对采空区上覆岩层进行逐层开采，设每层开采厚度为L，取0.5m-2m，每开采一层，进行一次稳定性的数值计算，如果数值计算收敛，系统不平衡率小于设定值，其设定值取10-4～10-5，则判定为顶板处于稳定状态，否则判定顶板处于失稳状态；设开采到i层时，顶板计算处于稳定状态，计算到i+1层时，顶板处于失稳状态；
该采空区当前状态下顶板的临界厚度Hc为：
Hc＝H0-iL
其中H0为当前时刻顶板的厚度，
该采空区当前状态下的安全系数为
进一步地，所述的地形参数包括地表几何形态、岩层分布、地质构造及结构面空间展布特征，地下采空区几何参数包括采空区的位置、尺寸及空间形态。
进一步地，所述的岩土力学参数包括：各岩层的密度、弹性模量、泊松比、粘聚力、内摩擦角、抗拉强度及剪胀角。
进一步地，所述的连续介质与非连续介质相结合的数值计算方法包括：有限元法、有限差分法、离散元法、非连续变形分析法、连续-非连续单元法。
进一步地，所述的寻优算法包括：梯度下降法、牛顿法、共轭梯度法、拉格朗日法。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：综合考虑采空区上覆岩层力学参数的不准确性及现场爆破开采对顶板岩层力学性质的影响，将现场监测数据与数值模拟有机结合，通过监测数据动态调整优化各地层的力学参数，解决传统经验公式法及单纯数值模拟法评价不准确的难题，提升露天矿地下采空区顶板稳定性及临界厚度的评估准确性及时效性。
附图说明
图1为采空区顶板稳定性动态分析流程图。
图2为采空区顶板逐层开采数值模型示意图。
具体实施方式
如图1和图2所示，本发明以东北某露天铁矿的开采为应用案例进行说明。
具体实施步骤为：
步骤1)资料搜集：该露天铁矿存在一长度为40m，高度为10m的采空区，采空区上覆岩层厚度为30m，露天开采时每个台阶高度为6.5m；该采空区顶板的基本岩土力学参数为：密度2615kg/m3，弹性模量40GPa，泊松比0.26，粘聚力3.2MPa，内摩擦角31.7°，抗拉强度1.0MPa，剪胀角15°。
步骤2)建立地质模型及计算模型。建立如图2所示的地质模型及计算模型，采用四面体网格进行剖分，共划分10.1万四面体单元，将岩土力学参数与网格进行关联，形成数值计算模型。
步骤3)基于步骤2)中的数值计算模型，计算该组参数下采空区上方开采平台的沉降特性。采用连续-非连续单元法进行数值模拟，单元采用理想弹塑性的摩尔-库伦模型及最大拉应力模型，虚拟界面采用脆性断裂的摩尔-库伦模型；模型的底部及四周进行法向约束，重力方向竖直向下。计算稳定后，输出地面各节点的沉降值。
步骤4)根据沉降特性选择最佳沉降观测点。对数值计算获得的地表沉降值进行分析后，选择地面典型位置布设5支沉降传感器，3支位于开采平台后缘边界，两支位于左右边界。布设位置如图2所示。
步骤5)按照实际生产计划对采空区顶部的矿层进行逐层开采，同时记录各沉降传感器的变化情况。按照生产计划进行1个台阶的开采，5支传感器获得的沉降量分别为2.3mm、2.5mm、2.8mm、1.7mm及1.3mm。
步骤6)借助数值模拟反分析当前状态下的力学参数。主要反分析弹性模量、粘聚力、内摩擦角及抗拉强度这4个量，基于连续-非连续单元法，采用共轭梯度法，反复调整校正各岩层的弹性模量、粘聚力、内摩擦角及抗拉强度，以数值计算获得的地表沉降与实际监测沉降的二范数最小为寻优条件，解算出与当前岩层相匹配的岩土力学参数，最优解的确定公式为：迭代53次后获得最优的参数：弹性模量53GPa、粘聚力1.0MPa、内摩擦角28.7°，抗拉强度0.5MPa。
步骤7)根据校正后的岩土力学参数，计算采空区的顶板稳定性，确定临界顶板厚度及安全系数。设定每层开采厚度为1.0m，判断收敛用的不平衡率设定为10-4。经过计算，当开采到28层时，计算出现不收敛，采空区顶板两侧出现明显的塑性变形。计算获得该采空区的临界顶板厚度为3m，采空区顶板的安全系数为10。计算公式为：
Hc＝H0-iL＝30-(28-1)×1＝3(m)
通过监测数据动态调整优化各地层的力学参数，解决了传统经验公式法及单纯数值模拟法评价不准确的难题，提升了露天矿地下采空区顶板稳定性及临界厚度的评估准确性及时效性。
Claims (6)
1.一种动态评价露天矿地下采空区顶板稳定性的方法，包括下列步骤：
步骤1)资料搜集
获取现场地形参数、岩层参数、地下采空区几何参数及岩土力学参数；
步骤2)建立地质模型及计算网格
根据地形参数、岩层参数及地下采空区几何参数建立地质模型，基于地质模型建立数值计算网格，基于数值计算网格及岩土力学参数建立数值计算模型；
步骤3)基于步骤2)中建立的数值计算模型，计算岩土力学参数下采空区上方开采平台的沉降特性
采用连续介质与非连续介质相结合的数值计算方法进行数值模拟，单元采用理想弹塑性的摩尔-库伦模型及最大拉应力模型，虚拟界面采用脆性断裂的摩尔-库伦模型，获取采空区顶部平台各处的沉降特性；
步骤4)根据沉降特性选择最佳沉降观测点
布设沉降传感器，根据数值模拟获得的顶板各处的沉降值，结合后续露天开采工序及开采方案，选取5-10处观测点，在采空区上方地表位置均匀布设沉降传感器；
步骤5)按照实际生产计划对采空区顶部的矿层进行逐层开采，同时记录各沉降传感器的变化情况；
步骤6)借助数值模拟反分析当前状态下的岩土力学参数
基于连续介质与非连续介质相结合的数值计算方法，采用寻优算法，反复调整校正各岩层的力学参数，以数值计算获得的地表沉降与实际监测沉降的二范数最小为寻优条件，解算出与当前岩层相匹配的岩土力学参数；
最优解的确定公式为：
其中n为监测点的个数，为实际监测点的沉降值，/>为数值计算的沉降值，f及/>均为弹性模量E、粘聚力c、内摩擦角φ及抗拉强度σt的函数；
步骤7)根据校正后的岩土力学参数，计算采空区的顶板稳定性，确定临界顶板厚度及安全系数；
步骤8)重复步骤5)-7)，不断修正采空区上覆岩层的岩土力学参数，使得数值计算所用的岩土力学参数与实际值不断接近，从而实现采空区顶板稳定性的动态评价。
2.根据权利要求1所述的动态评价露天矿地下采空区顶板稳定性的方法，其特征在于，所述步骤7)根据校正后的岩土力学参数，计算采空区的顶板稳定性，确定临界顶板厚度及安全系数，具体过程如下：
基于准确的岩土力学参数进行数值模拟，采用虚拟开采法对采空区上覆岩层进行逐层开采，设每层开采厚度为L，取0.5m-2m，每开采一层，进行一次稳定性的数值计算，如果数值计算收敛，系统不平衡率小于设定值，其设定值取10-4～10-5，则判定为顶板处于稳定状态，否则判定顶板处于失稳状态；设开采到i层时，顶板计算处于稳定状态，计算到i+1层时，顶板处于失稳状态；
该采空区当前状态下顶板的临界厚度Hc为：
Hc＝H0-iL
其中H0为当前时刻顶板的厚度，
该采空区当前状态下的安全系数为
3.根据权利要求1所述的动态评价露天矿地下采空区顶板稳定性的方法，其特征在于，所述的地形参数包括地表几何形态、岩层分布、地质构造及结构面空间展布特征，地下采空区几何参数包括采空区的位置、尺寸及空间形态。
4.根据权利要求1所述的动态评价露天矿地下采空区顶板稳定性的方法，其特征在于，所述的岩土力学参数包括：各岩层的密度、弹性模量、泊松比、粘聚力、内摩擦角、抗拉强度及剪胀角。
5.根据权利要求1所述的动态评价露天矿地下采空区顶板稳定性的方法，其特征在于，所述的连续介质与非连续介质相结合的数值计算方法包括：有限元法、有限差分法、离散元法、非连续变形分析法、连续-非连续单元法。
6.根据权利要求1所述的动态评价露天矿地下采空区顶板稳定性的方法，其特征在于，所述的寻优算法包括：梯度下降法、牛顿法、共轭梯度法、拉格朗日法。
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