金属矿山采空区上覆岩体移动时空规律预测方法技术

金属矿山采空区上覆岩体移动时空规律预测方法，本发明专利技术通过建立金属矿山开采模型，以分步开挖来模拟计算实际矿石的开采过程，分析动态开采条件下上覆岩体的破坏规律，通过对金属矿山覆岩内部位移进行现场实测并结合数值计算分析，计算得出距采空区不同位置的上覆岩体移动随采空区体积的变化在时间和空间上的对应关系。本发明专利技术为可预测金属矿山开采过程中采空区上覆岩体未来的下沉量和移动范围与采空区体积的时空关系，为采取有效支护措施控制上覆岩体移动及覆岩垮落提供有益参考，指导金属矿山的安全开采。

Prediction method of space-time law of movement of overlying rock mass in goaf of metal mine

Prediction method of space-time law of movement of overlying rock mass in goaf of metal mine. By establishing mining model of metal mine, the mining process of actual ore is simulated and calculated by step excavation, the failure law of overlying rock mass under dynamic mining condition is analyzed, and the internal displacement of overlying rock in metal mine is measured on site and combined with it. By numerical calculation and analysis, the corresponding relationship between the displacement of overlying rock mass at different positions from the goaf and the volume of the goaf in time and space is obtained. The invention can predict the space-time relationship between the future subsidence and moving range of the overlying rock mass in the goaf and the volume of the goaf in the mining process of metal mines, provide beneficial reference for adopting effective supporting measures to control the movement of the overlying rock mass and the collapse of the overlying rock mass, and guide the safe mining of metal mines.

【技术实现步骤摘要】
金属矿山采空区上覆岩体移动时空规律预测方法
本专利技术属于金属矿山开采
，具体涉及金属矿山采空区上覆岩体移动规律与采空区体积时空定量关系的预测方法。
技术介绍
矿山地下开采、隧道开挖导致围岩三维应力平衡被破坏，易引起覆岩移动及地表沉陷甚至垮塌，采空区垮落对安全生产构成严重威胁，同时对地表建(构)筑物及环境造成不良影响。对于地下采空区覆岩移动主要有岩层移动“三带”理论、关键层理论、托板理论、砌体梁理论等，在此基础上形成了一系列针对覆岩移动的预测方法，较常见的有概率积分法、数值模拟法、相似模型法、随机介质法、神经网络预测等。目前，针对煤矿的岩层移动的许多研究成果取得了较好的实际应用效果。但金属矿山与煤矿的岩层不同，金属矿山多为裂隙发育的块状岩体，具有不连续、不规则性，同时其矿体形态、地质结构、赋存条件以及开采方法与煤矿有着很大的差异。导致金属矿山的覆岩移动沉陷具有突发性，多为不连续下沉，比如塌陷坑、筒状、管状或漏斗状陷落，不同于层状地层的煤矿沉陷具有缓变性，所以不能直接将针对煤矿岩层移动的理论研究成果直接应用到金属矿山中。目前，国内外学者从多方面对金属矿山覆岩移动做了研究，但因为在金属矿山地下采空区上覆岩体内部进行现场实测或监测时安全隐患较大，上覆岩体的不稳定性随时有可能垮落对人员和设备造成巨大威胁；再者，对采空区上覆岩体内部埋设监测设备(如变形计、位移计)实施操作难度大，因要对采空区上覆岩体内部距采空区顶板数十米甚者上百米的岩体打垂直上向钻孔并要将监测设备牢固地固定在岩体内部，实际操作较困难。因此，对于上覆岩体的移动规律与采空区在时间和空间的对应关系研究较少且大多属于定性研究。
技术实现思路
为了克服现有方法存在的不足，本专利技术提供一种通过对金属矿山覆岩内部位移进行现场实测并结合数值计算分析，研究金属矿山上覆岩体移动规律与随着开采的进行采空区体积的变化对应关系，用定量的方法分析金属矿山采空区覆岩移动的特征，得出距采空区不同位置的上覆岩体移动随采空区体积的变化在时间和空间上的对应关系，为金属矿山采空区上覆岩体移动的预测提供一种定量的预测方法。本专利技术的技术方案如下：金属矿山采空区上覆岩体移动时空规律预测方法，步骤如下：(1)建立金属矿山开采模型，以分步开挖来模拟计算实际矿石的开采过程，分析动态开采条件下上覆岩体的破坏规律，每步开挖10m；(2)在距采空区顶板分别为5m、10m、20m、30m、50m、80m的上覆岩体内布设监测点进行覆岩位移变化监测，获取距采空区顶板不同位置处覆岩移动与某一定采空区尺寸也即开采工作面推进距离的对应关系；所述采空区体积指开采工作面推进距离；(3)获取在采空区工作面推进距离分别为10m、20m、30m、40m、50m、60m、70m、80m、90m时，上覆岩体内某点岩层位移变化随采空区体积也即开采工作面推进距离变化的规律；(4)分析距采空区顶顶板位置5m、10m、20m、30m、50m、80m与采空区体积也即开采工作面推进距离10m、20m、30m、40m、50m、60m、70m、80m、90m的比值关系，然后再与覆岩各监测点处的最大沉降量和覆岩移动范围进行比较分析，其三者之间的关系表现为双曲线且满足方程：y＝axb；得出以下定量预测的计算关系：覆岩下沉量与上覆岩不同距离监测点和采空区体积也即开采工作面推进距离之间的关系为：y1＝-10.55x-1.82；y1为覆岩下沉量，x为上覆岩体监测点与采空区体积也即开采工作面推进距离的比值；所述覆岩下沉量是指竖向的移动位移的大小；覆岩移动范围与上覆岩不同距离监测点和采空区体积之间的关系为：y2＝28.19x-1.14；y2为覆岩移动范围，x为上覆岩体监测点与采空区体积也即开采工作面推进距离的比值；所述覆岩移动范围是指水平方向因受开采影响而下沉的监测点的面积区间；x越小，覆岩移动范围越大，当x到达无穷远处或没有采空区时，覆岩不发生移动。本专利技术从定量的角度研究金属矿山采空区上覆岩体的移动规律，得出距采空区不同位置的上覆岩体移动与工作面推进之间的关系，提供了一种上覆岩体移动的预测与计算方法，为金属矿山的安全开采提供指导，避免开采过程中因上覆岩体移动导致采空区顶板塌陷而造成人员伤亡、设备损坏等矿山生产安全事故的发生，同时，可预测金属矿山开采过程中采空区上覆岩体未来的下沉量和移动范围与采空区体积的时空关系，为采取有效支护措施控制上覆岩体移动及覆岩垮落提供有益参考。附图说明图1为本专利技术实施例的计算模型图；图2为本专利技术实施例的力学模型示意图；图3为本专利技术实施例的距顶板5m覆岩移动与采空区尺寸关系图；图4为本专利技术实施例的距顶板10m覆岩移动与空区尺寸关系图；图5为本专利技术实施的距顶板20m覆岩移动与采空区尺寸关系图；图6为本专利技术实施例的距顶板30m覆岩移动与空区尺寸关系图；图7为本专利技术实施例的距顶板50m覆岩移动与采空区尺寸关系图；图8为本专利技术实施例的距顶板80m覆岩移动与空区尺寸关系图；图9为本专利技术实施例的覆岩下沉量和不同距离监测点与采空区尺寸关系图；图10为本专利技术实施例的覆岩移动范围和不同距离监测点与采空区尺寸关系图；图11为本专利技术实施例的拟合覆岩下沉量和不同距离监测点与采空区尺寸关系图；图12为本专利技术实施例的拟合覆岩移动范围和不同距离监测点与采空区尺寸关系图。具体实施方式以下结合实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。金属矿山采空区上覆岩体移动规律的预测方法，步骤如下：(1)建立金属矿山开采模型，以分步开挖来模拟计算实际矿石的开采过程，观察分析动态开采条件下上覆岩体的破坏规律，每步开挖10m。根据国内某金属矿山现场资料(矿体埋深500m，矿体倾角近水平，矿体平均厚度为5m，矿体长度90m。地表粉质粘土夹碎石，矿体顶板岩石为砂岩、页岩，其中夹粉砂岩和泥岩，覆岩内偶有少量破碎带；底板岩石为砂岩、页岩)，计算模型沿水平方向150m，竖直方向为150m，矿体厚度5m，矿体距下边界为35m，距左右边界均为30m，平面应变模型图见图1和图2。竖直方向考虑自重应力作用，鉴于模型尺寸所限，无法通达地表，因此竖直方向应施加应力7MPa，考虑构造应力作用，通过对相邻矿山构造应力进行研究，结合本矿山的地质特点，取为2MPa(表1)。为了真实的反应金属矿山地质赋存条件的复杂性和不规则性，对上覆岩体单元参数实行随机赋值，其中弹性模量取均值，其他物理参数根据岩石力学性质设置，主要覆岩力学参数见表2。表1控制边界条件和模拟开采参表2模型岩石物理力学参数(2)在距采空区顶板分别为5m、10m、20m、30m、50m、80m的上覆岩体内布设监测点进行覆岩位移变化监测，获取距采空区顶板不同位置处覆岩移动与某一定采空区尺寸的对应关系。为了掌握采空区上覆岩体不同部位在矿体开采过程中的位移及变形破坏情况，在矿山现场距采空区顶板打上向垂直钻孔，并分别在距采空区顶板为5m、10m、20m、30m、50m、80m的上覆岩体内进行布监测点，得到距顶板不同位置处覆岩移动与采空区尺寸的关系曲线，如图3～图8所示。从以上图中进行纵横向总体对比分析，可发现覆岩破坏及位移的以下规律：当覆岩移位在距采空区顶板同一位置时，对比分析可得：a.随着工作面的推进，采空区体积逐渐增大，其覆岩下沉范围和下沉量均逐渐增本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.金属矿山采空区上覆岩体移动时空规律预测方法，其特征在于，步骤如下：(1)建立金属矿山开采模型，以分步开挖来模拟计算实际矿石的开采过程，分析动态开采条件下上覆岩体的破坏规律，每步开挖10m；(2)在距采空区顶板分别为5m、10m、20m、30m、50m、80m的上覆岩体内布设监测点进行覆岩位移变化监测，获取距采空区顶板不同位置处覆岩移动与某一定采空区尺寸也即开采工作面推进距离的对应关系；所述采空区体积指开采工作面推进距离；(3)获取在采空区工作面推进距离分别为10m、20m、30m、40m、50m、60m、70m、80m、90m时，上覆岩体内某点岩层位移变化随采空区体积也即开采工作面推进距离变化的规律；(4)分析距采空区顶顶板位置5m、10m、20m、30m、50m、80m与采空区体积也即开采工作面推进距离10m、20m、30m、40m、50m、60m、70m、80m、90m的比值关系，然后再与覆岩各监测点处的最大沉降量和覆岩移动范围进行比较分析，其三者之间的关系表现为双曲线且满足方程：y＝axb；得出以下定量预测的计算关系：覆岩下沉量与上覆岩不同距离监测点和采空区体积也即开采工作面推进距离之间的关系为：y1＝‑10.55x‑1.82；y1为覆岩下沉量，x为上覆岩体监测点与采空区体积也即开采工作面推进距离的比值；所述覆岩下沉量是指竖向的移动位移的大小；覆岩移动范围与上覆岩不同距离监测点和采空区体积之间的关系为：y2＝28.19x‑1.14；y2为覆岩移动范围，x为上覆岩体监测点与采空区体积也即开采工作面推进距离的比值；所述覆岩移动范围是指水平方向因受开采影响而下沉的监测点的面积区间；x越小，覆岩移动范围越大，当x到达无穷远处或没有采空区时，覆岩不发生移动。...

【技术特征摘要】
1.金属矿山采空区上覆岩体移动时空规律预测方法，其特征在于，步骤如下：(1)建立金属矿山开采模型，以分步开挖来模拟计算实际矿石的开采过程，分析动态开采条件下上覆岩体的破坏规律，每步开挖10m；(2)在距采空区顶板分别为5m、10m、20m、30m、50m、80m的上覆岩体内布设监测点进行覆岩位移变化监测，获取距采空区顶板不同位置处覆岩移动与某一定采空区尺寸也即开采工作面推进距离的对应关系；所述采空区体积指开采工作面推进距离；(3)获取在采空区工作面推进距离分别为10m、20m、30m、40m、50m、60m、70m、80m、90m时，上覆岩体内某点岩层位移变化随采空区体积也即开采工作面推进距离变化的规律；(4)分析距采空区顶顶板位置5m、10m、20m、30m、50m、80m与采空区体积也即开采工作面推进距离10m、20m、30m...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵康，顾水杰，严雅静，王庆，宁富金，
申请(专利权)人：江西理工大学，
类型：发明
国别省市：江西,36