一种露天矿端帮地下开采诱发地表裂缝分布规律预测方法技术

本发明专利技术提供一种露天矿端帮地下开采诱发地表裂缝分布规律预测方法，包括：收集露天铁矿区的地形地质资料；露天铁矿坑端帮地下开采模型构建；露天铁矿坑端帮地下开采模型参数确定；地下开采数值模拟：利用三维离散元方法，进行露天铁矿坑端帮开采数值模拟计算，获得岩层与地表移动规律；地表裂缝预测。本发明专利技术立足于解决铁矿露天转地下矿山的端帮开采引起的地表开裂预测问题，利用三维地质建模方法建立露天铁矿区岩体三维地质模型，并将露天铁矿区岩体三维地质模型划分成适用于3DEC计算的离散块体模型。利用本发明专利技术方法可以预测出地下开采过程中地表裂缝的分布范围与形式，为矿山安全生产提供支持。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于采矿工程
，具体涉及一种露天矿端帮地下开采诱发地表裂缝分布规律预测方法。
技术介绍
露天矿端帮矿体是位于矿坑底部以上从端帮边坡坡面延伸到露天境界外一定距离的矿体，一般在露天转向地下开采的过渡期进行地下开采。利用无底柱分段崩落法进行端帮矿体开采将造成地表开裂破坏。地表开裂破坏造成的危害包括：(1)地表开裂将引起地面设施的毁坏，如：破坏露天矿坑的截排水设施等；(2)地表裂缝可能造成人员安全事故。因此，预测地表裂缝十分重要。目前，常用的地表裂缝预测方法是适用于煤矿地下开采的经验方法，关于露天矿坑端帮下铁矿开采引起的地表裂缝的预测方法，尚未见文献报道。当地下矿体采空区面积扩大到一定范围后，岩层移动发展到地表，使地表发生移动和变形，当地表拉伸变形超过其抵抗变形能力时，地表产生裂缝。因此，地下开采引起的岩层移动直接影响地表裂缝的产生，准确掌握地表移动规律是预测地表裂缝分布规律的基础。(1)地表移动规律研究早在19世纪，各国学者就开始了煤矿开采岩层移动及开采沉陷理论研究。经过近200年的发展，相关理论与方法已趋成熟。相比于煤矿，金属矿山地下开采岩层与地表移动问题研究历史较短，尚处于探索阶段。针对金属矿山开采岩层与地表移动问题，国内外学者主要采用数值模拟、现场监测与模型试验方法进行研究。蔡美峰等采用三维有限元对玲珑金矿深部回采过程中的地压活动规律和围岩稳定性进行了系统分析。郑榕明等用离散单元法对金山店矿山进行了二维模拟研究，得到了围岩变形规律。王艳辉等以FLAC为工具，采用正交数值模拟方法对程潮铁矿地下开采岩层移动进行了研究。赵海军等采用FLAC3D对急倾斜矿体在构造应力和自重应力条件下的岩移特征进行对比分析。张亚民等采用FLAC3D，就金川二矿区高构造应力下充填开采引起的岩层与地表变形规律展开研究。一些学者还根据地表位移监测数据研究地下开采岩层与地表移动问题。曹阳等分析了程潮铁矿开采沉陷宏观破坏现象，研究了构造应力型矿山地表移动特征。白义如等以现场实测资料为基础，分析了程潮铁矿东区地表沉降和岩层移动规律，认为地表下沉属于不连续下沉，岩层破坏主要是缓慢型破坏。王艳辉等以10多个采用无底柱分段崩落法开采的矿山为例，进行岩层移动规律调查分析，结果表明设计的岩层移动角与实际开采的岩层移动角存在不同程度的差异。马凤山等对金川二矿区地下采矿引起的地表岩移进行GPS实时监测，阐述了急倾斜金属矿体开采岩体移动的概化传递模式及其地表移动特征。袁仁茂等结合数值模拟及GPS监测结果，对厚大急倾斜金属矿山岩移机理进行研究，认为矿体厚度对地表移动具有明显的影响。席人双等以程潮铁矿东区为例，通过现场结构面调查、地表及深部岩体变形监测，分析了该区岩层移动与结构面的关系。李海英等分析了弓长岭矿塌陷区实测数据，认为临界散体柱的高度与围岩稳定性、采空区倾角、散体内摩擦角及岩体碎胀系数有关。另外，还有一些学者采用平面相似材料模型试验研究金属矿山地下开采岩层与地表移动规律。任伟中等通过平面地质力学模型试验，分析了某铁矿地下开采引起的地表陷落特征和采空区围岩的变形破坏特征。黄平路等以某铁矿为例，进行了二维相似材料模型试验，研究地表变形和围岩移动规律。(2)地表裂缝分布范围与形式预测方法目前，对矿体开采引起的地表裂缝分布规律的预测，都是通过对观测或计算得到的采动后岩层与地表移动变形结果，根据不同的判据分析来进行的。对矿体开采诱发的地表裂缝分布规律预测的判定方法大致可以分为两种：一种是基于应力分析的方法，即以地表的抗拉或抗压强度作为裂缝产生的标准；另一种是利用地表的变形指标来判断和分析裂缝的分布规律。马崇武等基于平面应变弹塑性理论，建立有限元模型模拟了开采过程，认为地表裂缝的产生与地表水平应力和最大剪应力有关，并以此预测地表裂缝的分布位置。杜国栋等利用FLAC3D数值模拟软件对金川充填采矿法引起的地表变形进行了研究，认为地表受到拉应力最大的位置容易产生裂缝，据此推测的地表变形危险位置与地裂缝出露位置一致。高直等以地表GPS监测的长期现场数据为依据，结合对裂缝区调查，分析了金川二矿区地表裂缝沉降变形规律，并根据近期地表采空区附近点的变形规律预测了地表裂缝发展趋势。夏开宗等综合利用GPS监测方法和FLAC3D数值模拟方法对矿区开采进行分析计算，对开采引起的地表变形规律进行研究，并根据地表水平变形速率来分析地表是否产生裂缝。王来贵等利用有限元方法对开采沉陷区的地表裂缝产生过程进行模拟，以抗拉强度作为判据分析地表裂缝的分布规律，为研究开采过程中地表裂缝扩展规律和分布规律提供了新方法。郭延辉等利用FLAC3D对矿区的开采进行模拟，计算结果反映了地表和不同开采深度岩体内部力学状态的变化，并以地表临界变形值来预测开采过程中地表移动陷落范围。刘爱军等利用离散元方法，模拟不同采动程度、采厚和松散层厚度等开采条件下的地表移动变形过程，以临界水平变形值作为地表裂缝产生的依据，分析采动地表裂缝的分布规律。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种露天矿端帮地下开采诱发地表裂缝分布规律预测方法，基于离散元法采用水平拉伸变形来预测地下开采过程中地表裂缝的分布范围与形式，为矿山安全生产提供支持。本专利技术的技术方案如下：一种露天矿端帮地下开采诱发地表裂缝分布规律预测方法，包括以下步骤：步骤1、收集露天铁矿区的地形地质资料，包括地形特征、地质界面特征、构造数据；步骤2、模拟露天铁矿坑端帮地下开采；步骤2-1、露天铁矿坑端帮地下开采模型构建：利用三维地质建模方法建立露天铁矿区岩体三维地质模型，并将露天铁矿区岩体三维地质模型划分成适用于3DEC计算的离散块体模型，划分后的露天铁矿区岩体三维地质模型即露天铁矿坑端帮地下开采模型；步骤2-1-1、利用三维地质建模方法生成露天铁矿区地表面：先将露天铁矿区剖分成三角形网；然后利用Kriging插值方法，以不规则分布的地表原始高程数据点为基础，进行插值计算，生成露天铁矿区地表曲面；步骤2-1-2、将三维地质建模方法生成的露天铁矿区地表曲面导入三维离散元法程序3DEC中，并映射至某一高度，形成以类三棱柱为基本块体的三维地质模型；步骤2-1-3、将以类三棱柱为基本块体的三维地质模型中每组结构面简化成一组平行的平面，产状为其平均倾向或倾角；增大结构面间距，并保证距离待开采区域近的结构面间距小，而远离待开采区域结构面间距逐渐增大；将各组结构面添加到以类三棱柱为基本块体的三维地质模型中得到适用于3DEC计算的离散块体模型，各离散块体模型共同构成露天铁矿坑端帮地下开采模型；步骤2-2、露天铁矿坑端帮地下开采模型参数确定：根据结构面分布特征、岩石风化程度、地下水分布特征，进行岩体质量级别评价，为地下开采数值模拟确定露天铁矿区内岩体与结构面的物理力学参数：步骤2-2-1、露天铁矿区岩体结构面分布特征的现场获取：现场获取结构面分布特征，包括：产状、间距、延续性、粗糙程度、起伏度、侧壁抗压强度、充填情况、组数和块体大小；并获取矿体发育特征、岩体特征、矿区构造特征；步骤2-2-2、确定岩石坚硬程度和岩体完整程度，进而评价岩体质量级别；步骤2-2-3、根据岩石物理力学实验结果、现场获取的露天铁矿区岩体结构面分布特征及岩体质量级别评价结果，确定露天铁矿区内岩体本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种露天矿端帮地下开采诱发地表裂缝分布规律预测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、收集露天铁矿区的地形地质资料，包括地形特征、地质界面特征、构造数据；步骤2、模拟露天铁矿坑端帮地下开采；步骤2‑1、露天铁矿坑端帮地下开采模型构建：利用三维地质建模方法建立露天铁矿区岩体三维地质模型，并将露天铁矿区岩体三维地质模型划分成适用于3DEC计算的离散块体模型，划分后的露天铁矿区岩体三维地质模型即露天铁矿坑端帮地下开采模型；步骤2‑2、露天铁矿坑端帮地下开采模型参数确定：根据结构面分布特征、岩石风化程度、地下水分布特征，进行岩体质量级别评价，为地下开采数值模拟确定露天铁矿区内岩体与结构面的物理力学参数；步骤2‑3、地下开采数值模拟：利用三维离散元方法，进行露天铁矿坑端帮开采数值模拟计算，获得岩层与地表移动规律；步骤3、地表裂缝预测：选择地表水平拉伸变形作为地表裂缝产生与否的判断依据，当地表水平拉伸变形大于地表裂缝临界水平拉伸变形εmax时，地表将会产生裂缝，进而预测地表裂缝的产生范围和分布规律，εmax是指采动影响范围内当地表水平变形达到该值时，地表可能产生裂缝，此时地表的水平拉伸应变值。

【技术特征摘要】
1.一种露天矿端帮地下开采诱发地表裂缝分布规律预测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、收集露天铁矿区的地形地质资料，包括地形特征、地质界面特征、构造数据；步骤2、模拟露天铁矿坑端帮地下开采；步骤2-1、露天铁矿坑端帮地下开采模型构建：利用三维地质建模方法建立露天铁矿区岩体三维地质模型，并将露天铁矿区岩体三维地质模型划分成适用于3DEC计算的离散块体模型，划分后的露天铁矿区岩体三维地质模型即露天铁矿坑端帮地下开采模型；步骤2-2、露天铁矿坑端帮地下开采模型参数确定：根据结构面分布特征、岩石风化程度、地下水分布特征，进行岩体质量级别评价，为地下开采数值模拟确定露天铁矿区内岩体与结构面的物理力学参数；步骤2-3、地下开采数值模拟：利用三维离散元方法，进行露天铁矿坑端帮开采数值模拟计算，获得岩层与地表移动规律；步骤3、地表裂缝预测：选择地表水平拉伸变形作为地表裂缝产生与否的判断依据，当地表水平拉伸变形大于地表裂缝临界水平拉伸变形εmax时，地表将会产生裂缝，进而预测地表裂缝的产生范围和分布规律，εmax是指采动影响范围内当地表水平变形达到该值时，地表可能产生裂缝，此时地表的水平拉伸应变值。2.根据权利要求1所述的露天矿端帮地下开采诱发地表裂缝分布规律预测方法，其特征在于，所述步骤2-1具体按如下步骤进行：步骤2-1-1、利用三维地质建模方法生成露天铁矿区地表面：先将露天铁矿区剖分成三角形网；然后利用Kriging插值方法，以不规则分布的地表原始高程数据点为基础，进行插值计算，生成露天铁矿区地表曲面；步骤2-1-2、将三维地质建模方法生成的露天...

【专利技术属性】
技术研发人员：邵安林，裴学斌，周仁杰，刘显峰，尹华光，徐能雄，刘京平，
申请(专利权)人：鞍钢集团矿业有限公司，
类型：发明
国别省市：辽宁;21