CN116703244A - 采矿沉陷区治理效果与综合评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了采矿沉陷区治理效果与综合评价方法，涉及采矿沉陷区治理评价技术领域，包括：根据采空区治理过程、地球物理勘察和钻探勘察成果，建立采矿沉陷区治理后三维可视化地质模型；进行室内试验，并监测拟建场地沉陷区现场数据；将室内试验结果与现场监测数据整合处理，建立评价指标；基于评价指标，利用神经网络算法预测治理后沉陷区的变形情况，得到三维可视化地质演化分析模型；根据现场监测数据反馈至三维可视化地质演化分析模型实时修正预测治理效果。本发明通过建立考虑时间效应的采矿沉陷区三维地质模型的四维评价方法，能够定量分析治理效果，不同地质条件下的采空区治理及工程建设规划提供依据。
Description
技术领域
本发明涉及采矿沉陷区治理评价技术领域，尤其涉及采矿沉陷区治理效果与综合评价方法。
背景技术
采煤沉陷区土地作为建筑用地进行综合治理与利用是一项长期且艰巨的任务。对于危害大的采煤沉陷区，一般采用注浆加固法进行工程治理。由于其属于隐蔽工程，如何评价注浆加固治理效果，如何评估治理后的采煤沉陷区土地是否能满足工程建设需要，十分重要。
注浆质量是注浆充填法施工的核心问题，其工后质量检测及效果评价较为成熟，已形成一整套检测方法和评价指标，并已列入规范、行业标准及团体标准。规范提出钻探、室内试验方法检测结石体抗压强度，利用孔内电视开挖，压浆试验检测充填系数，孔内测井或跨孔CT检测横波波速，变形监测测量倾斜值、水平变形值及曲率值。此外，工程实践中还广泛利用瞬变电磁法、高密度电阻率法及地震法等物探方法，通过检测采空区治理前后物理性质的变化，对注浆效果进行区域性的检测。但是，对于注浆治理后沉陷区变形情况的长期预测，缺少采矿沉陷区治理效果多维超前精准预测评价方法。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供采矿沉陷区治理效果与综合评价方法，通过建立考虑时间效应的采矿沉陷区三维地质模型的四维评价方法，能够定量分析治理效果，为不同地质条件下的采空区治理及工程建设规划提供依据。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
本发明的实施例提供了采矿沉陷区治理效果与综合评价方法，包括：
根据采空区治理过程、地球物理勘察和钻探勘察成果，建立采矿沉陷区治理后三维可视化地质模型；
进行室内试验，并监测拟建场地沉陷区现场数据；将室内试验结果与现场监测数据整合处理，建立评价指标；所述评价指标包括时间效应指标、空区指标、强度指标和沉降指标；
基于所述评价指标，利用神经网络算法预测治理后沉陷区的变形情况，得到三维可视化地质演化分析模型；
根据现场监测数据反馈至三维可视化地质演化分析模型实时修正预测治理效果。
作为进一步的实现方式，采矿沉陷区治理后三维可视化地质模型的建立方法为：
根据拟建场地沉陷区治理过程资料、采空区治理后的地球物理勘探和钻探测试大数据，确定采矿沉陷区赋存状态，构建基于采矿沉陷区多源数据的三维可视化地质模型。
作为进一步的实现方式，所述室内试验包括岩体力学特性试验、岩体流变试验、三维地质力学物理模型试验和数值模拟试验。
作为进一步的实现方式，依据注浆后的沉陷区为地质原型进行现场取芯，开展岩体力学特性试验和岩体流变试验；利用数值分析软件开展地面荷载下注浆后的采空地层运动演化数值模拟试验；结合采矿沉陷区治理后三维可视化地质模型，开展沉陷区注浆后的三维地质力学物理模型试验。
作为进一步的实现方式，建立考虑时间效应的采矿沉陷区三维地质模型的四维评价方法，利用BP神经网络算法预测注浆治理后沉陷区变形情况，实现多维分析评价采矿沉陷区治理效果。
作为进一步的实现方式，分析岩体力学特性试验和岩体流变试验、数值模拟试验及三维地质力学物理模型试验的试验结果和现场监测数据，建立时间效应指标、空区指标、强度指标、沉降指标四类变形指标，指标均达到标准后可评价采矿沉陷区治理效果合格。
作为进一步的实现方式，采用高密度电阻率法进行勘察，按照设定时间频率从现场获取沉降相关监测数据，实时修正已形成的预测结果。
作为进一步的实现方式，综合分析治理前后电阻率异常变化特征，利用治理前后岩层的电阻率变化特征对治理工程进行评价，反馈数据到三维可视化地质演化分析模型进行数据修正。
作为进一步的实现方式，所述时间效应指标包括岩体流变时间；空区指标包括注浆量、注采比、空隙填充率、结石率、空区形态分布及大小；强度指标包括抗压强度、抗拉强度、弹性模量、内聚力和内摩擦角；沉降指标包括沉降、沉降速度、沉降加速度、水平变形和倾斜。
作为进一步的实现方式，根据采矿沉陷区布设的监测点，提取分析注浆后沉陷区的现场监测数据。
本发明的有益效果如下：
本发明建立考虑时间效应的三维可视化地质模型的四维评价方法，定量分析采矿沉陷区治理效果，明确时间效应下不同类别沉陷区覆岩结构的变化对区域稳定性的影响，为不同地质条件下的采空区治理及工程建设规划提供依据。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明具体实施方式的流程图。
具体实施方式
实施例一：
本实施例提供了采矿沉陷区治理效果与综合评价方法，用以建立考虑时间效应的采矿沉陷区三维地质模型的四维评价方法，定量分析治理效果；包括：
根据采空区治理过程、地球物理勘察和钻探勘察成果，建立采矿沉陷区治理后三维可视化地质模型；
进行室内试验，并监测拟建场地沉陷区现场数据；将室内试验结果与现场监测数据整合处理，建立评价指标；所述评价指标包括时间效应指标、空区指标、强度指标和沉降指标；
利用神经网络算法将所述评价指标下的数据输入三维可视化地质模型，形成三维可视化地质演化分析模型，用于预测分析治理后沉陷区的变形情况；
根据现场监测数据反馈至三维可视化地质演化分析模型实时修正预测治理效果。
具体的，如图1所示，包括以下步骤：
步骤1：建立采矿沉陷区治理后三维可视化地质模型。
根据拟建场地的采矿沉陷区治理后的采空区测绘信息、地层电阻率分布数据、地质雷达探测信息、岩层钻探测试数据、岩层重力与磁场探测数据等多源信息，结合已有的钻孔柱状图，建立采空区探测多源信息数据库；确定采矿沉陷区注浆量、注采比、空隙充填率、结石率及治理后采矿沉陷区形态、空间大小与分布等赋存状态。
进一步的，采矿沉陷区治理后三维可视化地质模型建立方法为：
首先，绘制沉陷区的圈定范围的二维CAD图，在图中对沉陷区依据地面建筑物的设计规划进行分区；其次，依据钻孔柱状图的信息，在二维分区CAD图基础上，利用三维绘图软件，在拟建场地中把钻孔柱状图数据输入绘制出所有现场布设的钻孔情况；然后，根据各个钻孔的岩层信息和工程地质理论，将岩层合并分析，把相近的部分连点成面，形成初步的三维地质模型，结合勘探线数据，修正岩层分布范围，加入断层等地质构造；最后，依据每层地层的岩性，贴画地层材质，形成直观的三维可视化地质模型。
步骤2：开展室内试验，获取采矿沉陷区治理后地质情况。
室内试验包括岩体力学特性试验、岩体流变试验、三维地质力学物理模型试验和数值模拟试验。依据注浆后沉陷区为地质原型进行现场取芯，开展岩体力学特性试验和岩体流变试验；利用数值分析软件开展地面荷载下注浆后采空地层运动演化数值模拟试验；结合采矿沉陷区治理后三维可视化地质模型，开展沉陷区注浆后的三维地质力学物理模型试验。
进一步地，结合拟建场地的采矿沉陷区治理后的钻探勘察成果，开展沉陷区区域煤岩和注浆结石体力学特性试验，获得其抗压强度等基本力学参数。
结合拟建场地采空区治理后的钻探勘察，开展沉陷区区域煤岩和注浆结石体力学特性试验。首先将钻孔取出的岩体加工成标准试样；然后利用电液伺服岩石试验系统进行岩样单轴压缩、单轴抗拉和三轴压缩试验，获得其抗压强度、抗拉强度、弹性模量、内聚力、内摩擦角和泊松比等基本力学参数，明确煤岩和结石体力学特性。
开展岩体流变试验，具体包括：煤岩流变试验和结石体流变试验，试验过程中利用声发射系统、热红外系统、高速三维数字图像相关测量系统对岩石破坏过程进行监测，得到其全过程轴向应变、应力-应变的曲线规律和瞬时加载岩体变形模量规律。
进一步地，煤岩流变试验采用MTS电液伺服岩石试验系统、声发射系统、热红外系统、高速三维数字图像相关测量系统开展试验，设置应力水平（单轴抗压强度的30%、40%、50%、60%、70%、80%、85%、90%、95%、100%、105%）、保载时间（12h、48h）。
将煤岩取芯并制作成Ф50*100mm标准试件，采用MTS电液伺服岩石试验系统进行煤岩单轴压缩试验，确定煤岩的单轴抗压强度；然后开展岩石分级加载试验，先将煤岩分别加载至单轴抗压强度的30%，保载12h，然后依次加载到单轴抗压强度的30%、40%、50%、60%、80%、85%、90%、95%、100%、105%，并分别保载12h，直至岩石发生破坏。试验过程中利用声发射系统、热红外系统、高速三维数字图像相关测量系统对岩石破坏过程进行监测。同样地，按照上述步骤开展保载48h的煤岩流变试验，通过试验研究明确煤柱长期承载特征及稳定性。
进一步地，结石体流变试验设置应力水平（单轴抗压强度的30%、40%、50%、60%、80%、85%、90%、95%、100%、105%）、保载时间（12h、48h）。将注浆结石体取芯并制作成Ф50*100mm标准试件，采用MTS电液伺服岩石试验系统进行结石体单轴压缩试验，确定结石体的单轴抗压强度；然后开展结石体分级加载试验，先将结石体分别加载至单轴抗压强度的30%，保载12h，然后依次加载到单轴抗压强度的30%、40%、50%、60%、70%、80%、85%、90%、95%、100%、105%，并分别保载12h，直至结石体发生破坏。
试验过程中利用声发射系统、热红外系统、高速三维数字图像相关测量系统对结石体破坏过程进行监测。同样地，按照上述步骤开展保载48h的结石体流变试验，通过不同加载时长的蠕变试验，拟合出试验试件的强度变化曲线，用来预测其长期强度。
进一步地，开展地面荷载下注浆后采空地层运动演化数值模拟试验，基于离散元-有限差分多尺度耦合算法进行不同建筑物参数（不同建筑物高度、不同建筑物宽度、不同建筑物的中心与采空区中部的水平距离）条件下采空地层运动演化数值模拟研究，分析不同建筑载荷条件下注浆后采空区上覆岩层的应力、应变、位移以及地表沉降变化规律。
基于离散元-有限差分多尺度耦合算法进行不同建筑物参数（建筑物高度初步设计为20m、30m、40m、50m、60m，建筑物宽度初步设计为20m、30m、40m、50m，建筑物的中心与采空区中部的水平距离初步设计为0m、50m、100m、150m、200m）条件下采空地层运动演化数值模拟研究，分析不同建筑载荷条件下注浆前和注浆后采空区上覆岩层的应力、应变、位移以及地表沉降变化规律，研究地层自重应力和上覆载荷叠加作用下采空区覆岩承载结构变形和失稳机制。
开展沉陷区注浆后的三维地质力学物理模型试验，三维地质力学物理模型铺设过程中，在各关键层的顶界面和底界面的分界面处布置应力测线，用于连续监测沉陷区活化过程中采动应力的变化规律；同时在三维地质力学物理模型的正面布置摄影测量的位移测点，监测沉陷区活化运动过程中的位移场。
工作面推采完成后，结合拟建场地的地球物理勘察结果，分析采空区上覆岩层垮落形态，同时对沉陷区承压变形、覆岩移动变形、地表沉降变形特征进行分析。
步骤3：根据采矿沉陷区布设的监测点，提取分析注浆后沉陷区的沉降、沉降速度、沉降加速度、水平变形、倾斜、注浆量、注采比、空隙填充率、结石率、形态、大小及分布等现场监测数据。
进一步地，采取综合物探和现场钻探相结合的方式，检测注浆治理后的充填系数，并且充填系数大于等于85%时视为工程合格。
现场监测数据具体为：
沉降量：某监测点垂直变换的距离，通过监测点两次监测值之差计算。依据沉降量数据要明确最大沉降点及其值，下沉区域边界点和拐点。
；
其中，W表示沉降量，表示地表n点m次监测的高程，/>表示地表n点第一次监测的高程。
沉降速度：是指在某监测区域(点)处，单位时间内该区域沉降的速度，用来描述监测区域沉降的快慢。沉降加速度：是指在某监测区域(点)处，单位时间内该区域沉降速度的变换值，用来描述监测区域沉降速度变化，包括大小和正负，分别表示速度变化幅度和速度是增大或者减小。通过沉降加速度了解监测区域内各点的沉降速度的变化，进而了解该区域的沉降趋势。
；
；
其中，v表示沉降速度，a表示沉降加速度，表示地表n次监测的沉降量，/>表示地表n-1点沉降量；/>表示地表n次监测的沉降速度，/>表示地表n-1点沉降速度，/>是监测的第n次和第n-1次下沉速度的差值，/>是监测间隔时间。
水平变形：指地表单位长度内水平移动的变化量。在移动盆地内有任意两点A和B，其水平移动值之差与两点之间的水平距离相除，称水平变形，表示地表受拉伸变形或受压缩变形。通过现场水平变形数据绘制水平变形曲线，反应地表沉降过程中水平移动分布规律。
；
其中，ε表示水平变形，表示A点水平移动值，/>表示B点水平移动值，/>表示A和B两点之间的水平移动之差，/>表示A和B两点之间的水平距离。
倾斜：指地表单位长度内下沉的变化量。在移动盆地内有任意两点A和B，其沉降值之差与两点之间水平距离相除，称倾斜；描述与X轴夹角的正负。倾斜i是沉降的一阶导数，通过分析倾斜曲线可以得出地表移动规律。
；
其中，表示A点沉降，/>表示B点沉降，/>表示A和B两点之间的沉降之差，/>表示A和B两点之间的水平距离。
进一步地，沉降、沉降速度、沉降加速度、水平变形、倾斜等变形监测数据满足《GB51180-2016煤矿采空区建构筑物地基处理技术规范结构规范》和《GB51044-2014煤矿采空区岩土工程勘察规范》的要求，并且利用跨孔CT检测横波波速不应小于300mm/s。
表1
步骤4：建立考虑时间效应的采矿沉陷区三维地质模型的四维评价方法，利用BP神经网络算法预测注浆治理后沉陷区变形情况，实现多维分析评价采矿沉陷区治理效果。
将岩体力学特性试验、岩体流变试验、数值模拟试验和三维地质力学物理模型试验的试验结果和现场监测数据等数据整合处理，建立时间效应指标、空区指标、强度指标、沉降指标等四类指标。将处理好的数据通过BP神经网络算法进行计算：首先，将时间效应指标、空区指标、强度指标、沉降指标四类数据导入输入层，经过隐含层计算，由输出层产生注浆治理后沉陷区变形预测情况。
进一步地，时间效应指标包括：岩体流变时间；空区指标包括：注浆量、注采比、空隙填充率、结石率、空区形态分布及大小；强度指标包括：抗压强度、抗拉强度、弹性模量、内聚力和内摩擦角；沉降指标包括：沉降、沉降速度、沉降加速度、水平变形和倾斜。所有指标均达到标准后可评价采矿沉陷区治理效果合格。
步骤5：采用高密度电阻率法进行勘察，按照一定时间频率从现场获取沉降相关监测数据，实时修正已形成的预测结果，实现精准预测治理效果。
高密度电阻率法的基本原理是以岩土体导电性差异为物质基础，在人工电流场作用下，通过观测和研究视电阻率的变化规律，进而解决地质、环境、工程问题的一种电法勘探方法，并且高密度电阻率法在观测中设置了较高密度的测点，电极布设一次完成。
注浆治理前进行高密电阻率勘察，获取治理区范围内电性特征，注浆治理工程结束一周后，再在同线同点布置高密度电阻率法测量，然后，对比注浆前、后高密度电阻率测量结果进行对比，综合分析电阻率异常变化特征，利用治理前后岩层的电阻率变化特征对治理工程质量进行评价。按照一定时间频率从现场利用高密度电阻率法提取各个岩层的沉降等监测数据，反馈到三维可视化地质演化分析模型进行数据修正，实时修正已形成的预测数据。若开始一周提取一次监测数据进行反馈修正，发现现场数据与模型预测数据基本吻合，则后期提取现场数据的频率可以减小至一月一次甚至一年一次，最终实现精准预测治理效果。
利用上述试验的结果，利用时间效应指标、空区指标、强度指标、沉降指标定量评价采矿沉陷区治理效果，建立考虑时间效应的采矿沉陷区治理后三维可视化地质模型的四维评价方法，明确时间效应下的不同类别沉陷区覆岩结构的变化对区域稳定性的影响。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.采矿沉陷区治理效果与综合评价方法，其特征在于，包括：
根据采空区治理过程、地球物理勘察和钻探勘察成果，建立采矿沉陷区治理后三维可视化地质模型；
进行室内试验，并监测拟建场地沉陷区现场数据；将室内试验结果与现场监测数据整合处理，建立评价指标；所述评价指标包括时间效应指标、空区指标、强度指标和沉降指标；
基于所述评价指标，利用神经网络算法预测治理后沉陷区的变形情况，得到三维可视化地质演化分析模型；
根据现场监测数据反馈至三维可视化地质演化分析模型实时修正预测治理效果。
2.根据权利要求1所述的采矿沉陷区治理效果与综合评价方法，其特征在于，采矿沉陷区治理后三维可视化地质模型的建立方法为：
根据拟建场地沉陷区治理过程资料、采空区治理后的地球物理勘探和钻探测试大数据，确定采矿沉陷区赋存状态，构建基于采矿沉陷区多源数据的三维可视化地质模型。
3.根据权利要求1所述的采矿沉陷区治理效果与综合评价方法，其特征在于，所述室内试验包括岩体力学特性试验、岩体流变试验、三维地质力学物理模型试验和数值模拟试验。
4.根据权利要求3所述的采矿沉陷区治理效果与综合评价方法，其特征在于，依据注浆后的沉陷区为地质原型进行现场取芯，开展岩体力学特性试验和岩体流变试验；利用数值分析软件开展地面荷载下注浆后的采空地层运动演化数值模拟试验；结合采矿沉陷区治理后三维可视化地质模型，开展沉陷区注浆后的三维地质力学物理模型试验。
5.根据权利要求1所述的采矿沉陷区治理效果与综合评价方法，其特征在于，建立考虑时间效应的采矿沉陷区三维地质模型的四维评价方法，利用BP神经网络算法预测注浆治理后沉陷区变形情况，实现多维分析评价采矿沉陷区治理效果。
6.根据权利要求5所述的采矿沉陷区治理效果与综合评价方法，其特征在于，分析岩体力学特性试验和岩体流变试验、数值模拟试验及三维地质力学物理模型试验的试验结果和现场监测数据，建立时间效应指标、空区指标、强度指标、沉降指标四类变形指标，指标均达到标准后可评价采矿沉陷区治理效果合格。
7.根据权利要求1或6所述的采矿沉陷区治理效果与综合评价方法，其特征在于，采用高密度电阻率法进行勘察，按照设定时间频率从现场获取沉降相关监测数据，实时修正已形成的预测结果。
8.根据权利要求7所述的采矿沉陷区治理效果与综合评价方法，其特征在于，综合分析治理前后电阻率异常变化特征，利用治理前后岩层的电阻率变化特征对治理工程进行评价，反馈数据到三维可视化地质演化分析模型进行数据修正。
9.根据权利要求1所述的采矿沉陷区治理效果与综合评价方法，其特征在于，所述时间效应指标包括岩体流变时间；空区指标包括注浆量、注采比、空隙填充率、结石率、空区形态分布及大小；强度指标包括抗压强度、抗拉强度、弹性模量、内聚力和内摩擦角；沉降指标包括沉降、沉降速度、沉降加速度、水平变形和倾斜。
10.根据权利要求1所述的采矿沉陷区治理效果与综合评价方法，其特征在于，根据采矿沉陷区布设的监测点，提取分析注浆后沉陷区的现场监测数据。
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