一种地下金属矿山开采诱发地表移动范围预测方法技术

本发明专利技术设计一种地下金属矿山开采诱发地表移动范围预测方法，首先构建地下矿体三维地质模型及三维精细化计算模型；确定地表建构筑物安全等级；利用概率积分法计算地表变形理论值；然后利用RQD、RMR、GSI等多种岩体质量评价方法对各岩组岩性进行岩体质量分级评价；利用Hock

【技术实现步骤摘要】
一种地下金属矿山开采诱发地表移动范围预测方法


[0001]本专利技术属于矿山开采
，具体涉及一种地下金属矿山开采诱发地表移动范围预测方法。

技术介绍

[0002]随着当今社会、经济的发展和工业需求的增长，矿山的开采压力逐渐增大，原有的开采能力已经不能满足对矿产资源需求量的增加，矿井开采渐渐向深部地层或复杂的地质条件发展，而开发难度增大，对矿区生态环境造成的危害也越发严重。由地下开采活动造成的地压灾害严重危及地下井巷及设备的安全，矿体产出形成的采空区坍塌，致使地层产生移动，并造成地面塌陷，最终使地表产生下沉变形、房屋和建筑物倾倒以及农田破坏，甚至威胁人类的生命和财产安全。
[0003]目前众多学者对煤矿开采沉陷问题的研究较多，取得了丰硕的成果。金属矿山与煤矿不同，一般是岩浆侵入交代变质成矿，矿体形态多表现为不规则状，大多赋存在地质构造复杂的山区，地质体的力学性质和变形特征呈各向异性。特别是铁矿的采矿工艺，需要综合考虑矿体赋存、矿体品位及开采成本等问题，一般采用崩落法进行开采，因此金属矿山开采造成的岩层移动和地面沉陷机理与煤矿不同，但目前针对金属矿山开采过程导致地面沉陷的研究相对煤矿而言比较少。

技术实现思路

[0004]针对现有技术的不足，本专利技术设计一种地下金属矿山开采诱发地表移动范围预测方法；可以直观表现地下矿山开采各步骤对地表稳定性的影响程度，对矿山安全生产提供更科学的参考依据。
[0005]一种地下金属矿山开采诱发地表移动范围预测方法，具体包括以下步骤：
[0006]步骤1：采用无人机扫描，确定矿区的地形、地貌、植被及各类建筑物分布状态，获得矿区实景三维可视化数据；构建钻孔数据库；建立包含矿区地表、巷道、断层与矿体的3DMine三维实体模型及三维精细化计算模型，获得地下矿矿区地层岩性分布、矿体与围岩的关系及矿区断层分布情况；
[0007]步骤1
‑
1：采用无人机确定矿区的地形、地貌、植被及各类建、构筑物分布状态，获得矿区实景三维可视化点云数据，实现矿区的无人机倾斜摄影建模；
[0008]步骤1
‑
2：根据地质剖面图及钻孔勘探数据，整理各个钻孔的工程号、开孔坐标、最大孔深、轨迹类型、深度、方位角、倾角、RMR值、RQD值、整理定位表、测斜表、RMR表和RQD表，在3DMine软件中选择“钻孔
‑
新建数据库”功能，导入以上表格，建立钻孔数据库；
[0009]步骤1
‑
3：根据矿区所测现状地形图，对等高线、高程点进行提取和三维赋值，利用3DMine软件的约束线条创建DTM功能，建立矿区地表三维模型；根据矿区勘探报告的钻孔数据及勘探线剖面图，开展不同岩体之间边界线的提取，确定岩体空间姿态及位置；根据开拓系统图开展不同标高下有轨运输平道、回风井、斜井和泄水井边界线的提取，确定不同标高
下开拓系统空间姿态以及位置，完成3DMine三维实体模型的构建；
[0010]步骤1
‑
4：在Rhino中根据矿区尺寸建立立方体模型，根据步骤1
‑
1所获得点云数据对其切割，获得带有地表形态的初始模型；根据矿区勘探报告中勘探线、地质纵剖面、矿区地质横剖面，提取断层、围岩、夹岩、矿组的边界线，确定其空间姿态以及空间位置；在Rhino软件中，连接某一围岩或夹岩的断面线，采用“放样”功能构建用于切割的实体面；根据“由大到小，从外到内”的基本原则，采用布尔运算依次对初始模型进行切割，完成矿区Rhino三维精细化计算模型及三维网格模型的构建；
[0011]步骤2、对矿区进行勘探，收集地表建筑物的位置、高度、建筑类型，然后根据规范确定地表建构筑物保护等级；
[0012]步骤3、利用概率积分法计算地表变形值；判断地表建构筑物是否超过该区域保护等级最大倾斜及水平变形值；采取相应的开采措施，以达到建筑物下矿体安全开采的目标与要求；
[0013]步骤3
‑
1、将步骤1中建立的3Dmine三维实体模型切割成边长为a的块体；并导出块体坐标x、y、z及边长数据；a根据模型大小选取；
[0014]步骤3
‑
2、由矿区实际测量资料确定地表下沉系数η、水平移动系数b
z
、主要影响角正切tanβ、开采影响传播角θ及拐点偏距s；
[0015]步骤3
‑
3、计算每个块体的倾斜率i，曲率k，水平变形U，公式如下；
[0016][0017][0018][0019]其中，W0为地表最大下沉值，W0＝mηcosα，m为矿体开采厚度，η为沉降系数，α为矿层倾角；r
z
为主要影响半径；
[0020]步骤3
‑
4、根据步骤3
‑
3获得的每个块体倾斜率、曲率和水平变形值，得到等值曲线图；
[0021]步骤4、利用基于深度学习的智能识别系统对勘探获取的岩芯照片进行RQD识别，获得准确的岩体质量指标RQD值；根据钻孔描述获取计算岩石工程质量的参数，通过岩石质量参数计算各类岩体力学参数对应权重；采用RQD、RMR、GSI三种岩体质量评价方法对各岩组岩性进行了岩体质量分级评价，获得全面与准确的岩体质量分级结果；
[0022]步骤4
‑
1、通过室内单轴抗压试验和标准规范查找对比确定干燥岩石的单轴抗压强度UCS；
[0023]步骤4
‑
2、对于有岩芯数据的钻孔，利用基于深度学习智能识别岩芯RQD系统，导入岩芯照片，识别岩心长度，获取岩芯RQD值并获得相应权重；对于没有岩芯数据的钻孔，从钻孔描述本身出发，根据钻孔描述中关于破碎程度、结构面条件的文字说明，给出相应的权重；
[0024]步骤4
‑
3、通过RQD值计算结构面间距J
s
，二者关系为：
[0025][0026]步骤4
‑
4、钻孔描述中涉及的结构面条件的进行相应折减，确定结构面条件权重；
[0027]步骤4
‑
5、通过水文地质报告中含水层位置涉及的岩性及标高确定地下水条件及权重；
[0028]步骤4
‑
6、由节理化岩体的岩体参数J
v
(节理数/m3)细定节理化岩体的地质强度指标GSI；
[0029]步骤4
‑
7、根据步骤4
‑
2所得RQD值确定RQD分级方法所对应的岩体级别；根据步骤4
‑
1和4
‑
5所得值确定RMR分级方法所对应的岩体级别；根据步骤4
‑
6所得值确定GSI分级方法所对应的岩体级别；
[0030]步骤5、根据组成岩体的完整岩块的单轴抗压强度、组成岩体的完整岩块的Hoek
‑
Brown常数以及岩体的地质强度指标GSI，利用Hoek
‑
Brown强度准则确定各类岩体强度指标本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种地下金属矿山开采诱发地表移动范围预测方法，其特征在于，具体包括以下步骤：步骤1：采用无人机扫描，确定矿区的地形、地貌、植被及各类建筑物分布状态，获得矿区实景三维可视化数据；构建钻孔数据库；建立包含矿区地表、巷道、断层与矿体的3DMine三维实体模型及三维精细化计算模型，获得地下矿区地层岩性分布、矿体与围岩的关系及矿区断层分布情况；步骤2、对矿区进行勘探，收集地表建筑物的位置、高度、建筑类型，然后根据规范确定地表建构筑物保护等级；步骤3、利用概率积分法计算地表变形值；判断地表建构筑物是否超过该区域保护等级最大倾斜及水平变形值；采取相应的开采措施；步骤4、利用基于深度学习的智能识别系统对勘探获取的岩芯照片进行RQD识别，获得准确的岩体质量指标RQD值；根据钻孔描述获取计算岩石工程质量的参数，通过岩石质量参数计算各类岩体力学参数对应权重；采用RQD、RMR、GSI三种岩体质量评价方法对各岩组岩性进行了岩体质量分级评价，获得岩体质量分级结果；步骤5、根据组成岩体的完整岩块的单轴抗压强度、组成岩体的完整岩块的Hoek
‑
Brown常数以及岩体的地质强度指标GSI，利用Hoek
‑
Brown强度准则确定各类岩体强度指标与力学参数；步骤6、利用步骤1获得的三维精细化计算模型进行矿体开采模拟，分析不同保安矿柱厚度、分段高度、盘区间柱宽度对矿体开采诱发岩层与地表移动与破坏规律，计算地表各点倾斜、曲率、水平变形并绘制等值线图，选定地表移动范围的边界，从而预测出地表移动范围并对比地表建构筑物安全等级所允许的最大移动范围，确认开采方式是否合理。2.根据权利要求1所述的一种地下金属矿山开采诱发地表移动范围预测方法，其特征在于，步骤1具体为：步骤1
‑
1：采用无人机确定矿区的地形、地貌、植被及各类建、构筑物分布状态，获得矿区实景三维可视化点云数据，实现矿区的无人机倾斜摄影建模；步骤1
‑
2：根据地质剖面图及钻孔勘探数据，整理各个钻孔的工程号、开孔坐标、最大孔深、轨迹类型、深度、方位角、倾角、RMR值、RQD值、整理定位表、测斜表、RMR表和RQD表，在3DMine软件中选择“钻孔
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新建数据库”功能，导入以上表格，建立钻孔数据库；步骤1
‑
3：根据矿区所测现状地形图，对等高线、高程点进行提取和三维赋值，利用3DMine软件的约束线条创建DTM功能，建立矿区地表三维模型；根据矿区勘探报告的钻孔数据及勘探线剖面图，开展不同岩体之间边界线的提取，确定岩体空间姿态及位置；根据开拓系统图开展不同标高下有轨运输平道、回风井、斜井和泄水井边界线的提取，确定不同标高下开拓系统空间姿态以及位置，完成3DMine三维实体模型的构建；步骤1
‑
4：在Rhino中根据矿区尺寸建立立方体模型，根据步骤1
‑
1所获得点云数据对其切割，获得带有地表形态的初始模型；根据矿区勘探报告中勘探线、地质纵剖面、矿区地质横剖面，提取断层、围岩、夹岩、矿组的边界线，确定其空间姿态以及空间位置；在Rhino软件中，连接某一围岩或夹岩的断面线，采用“放样”功能构建用于切割的实体面；根据“由大到小，从外到内”的基本原则，采用布尔运算依次对初始模型进行切割，完成矿区Rhino三维精细化计算模型及三维网格模型的构建。
3.根据权利要求1所述的一种地下金属矿山开采诱发地表移动范围预测方法，其特征在于，步骤3具体为：步骤3
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1、将步骤1中建立的3Dmine三维实体模型切割成边长为a的块体；并导出块体坐标x、y、z及边长数据；a根据模型大小选取；步骤3
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2、由矿区实际测量资料确定地表下沉系数η、水平移动系数b
z
、主要影响角正切tanβ、开采影响传播角θ及拐点偏距s；步骤3
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3、计算每个块体的倾斜率i，曲率k，水平变形U，公式如下；3、计算每个块体的倾斜率i，曲率k，水平变形U，公式如下；3、计算每个块体的倾斜率i，曲率k，水平变形U，公式如下；其中，W0为地表最大下沉值，W0＝mηcosα，m为矿体开采厚度，η为沉降系数，α为矿层倾角；r
z
为主要影响半径；步骤3
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4、根据步骤3
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3获得的每个块体倾斜率、曲率和水平变形值，得到等值曲线图。4.根据权利要求1所...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵永，焦诗卉，赵乾百，杨天鸿，王述红，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：