一种岩层移动主断面“垮-裂-弯”矢量场模型的构建方法技术

本发明专利技术公开一种岩层移动主断面“垮

【技术实现步骤摘要】
一种岩层移动主断面“垮
‑
裂
‑
弯”矢量场模型的构建方法


[0001]本专利技术涉及开采沉陷计算
，具体地说是一种岩层移动主断面“垮
‑
裂
‑
弯”矢量场模型的构建方法，用来计算描述岩层移动主断面的移动变形和垮落
、
裂缝情况
。

技术介绍

[0002]煤矿地下开采引起的岩层与地表移动计算，涉及地质
、
采矿
、
测绘
、
力学等多门学科，而且岩层移动变形的方式有垮落
、
裂缝
、
弯曲等多种形式，用单一的力学模型难于准确描述
。1)
以往采取数值模拟的方法包括有限元法
、
离散元法
、
边界元法
、
有限差分法等，不能全面反映岩层移动的多种破坏和移动情况，其计算精度受到模型偏差和参数取值偏差的影响；
2)
常用的岩层移动“两带”高度计算公式，是对岩层移动垮落区
>、
裂缝区本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种岩层移动主断面“垮
‑
裂
‑
弯”矢量场模型的构建方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤
(1)、
将上覆岩层移动主断面上全区域划分为岩块堆压区
、
错端叠梁区
、
破断岩层区和弯曲岩层区共四个移动分区；步骤
(2)、
针对岩块堆压区结构建立垮落堆积块体移动模型，针对错端叠梁区结构建立“错端叠梁”移动模型，针对破断岩层区结构建立岩层全厚破断且成层排列的岩层移动模型，针对弯曲岩层区结构建立弯曲岩层上下层面的移动模型和表土层的移动模型；步骤
(3)、
根据开采沉陷基本规律，建立各移动分区的边界条件，导出具有协调约束的岩层及地表移动全断面矢量场模型；步骤
(4)、
根据岩层的介质特性以及岩层所受拉伸变形情况，建立岩层法向裂缝位置
、
裂缝深度和裂缝宽度的计算模型；根据表层岩土的特性以及地表拉伸变形情况，建立地表裂缝定位
、
裂缝深度和裂缝宽度的计算模型
。2.
根据权利要求1所述的岩层移动主断面“垮
‑
裂
‑
弯”矢量场模型的构建方法，其特征在于，步骤
(1)
中，划分上覆岩层移动结构分区时：根据采动岩体组合平衡结构分类方法，针对3类平衡结构中第Ⅱ类平衡结构，即“副岩拱
‑
堆压体
+
弯压体
‑
副岩拱”，结合岩层破断力学准则和岩层移动角量参数，对上覆岩层移动全区域进行分区
。3.
根据权利要求2所述的岩层移动主断面“垮
‑
裂
‑
弯”矢量场模型的构建方法，其特征在于，采用泰森多边形优化剖分算法与仿射变换建立垮落堆积块体移动模型，具体方法为：先利用泰森多边形优化剖分算法对岩块堆压区的垮落岩层进行不重叠不遗漏的剖分，得到剖分多边形块体；确定自然块体的最小外接矩形
P0P1P2P3，并确定该自然块体对应的剖分多边形块体的最小外接矩形
Q0Q1Q2Q3；利用仿射变换将矩形
P0P1P2P3变换成矩形
Q0Q1Q2Q3，并记录仿射变换矩阵；根据仿射变换矩阵对自然块体进行仿射变换，即可将自然块体变换到矩形
Q0Q1Q2Q3内；接着以经过仿射变换后的自然块体为被裁剪对象，剖分多边形块体为裁剪多边形，利用
Weiler
‑
Atherton
多边形裁剪算法进行裁剪；对每个剖分多边形块体进行上述操作即可生成垮落堆积块体移动模型
。4.
根据权利要求3所述的岩层移动主断面“垮
‑
裂
‑
弯”矢量场模型的构建方法，其特征在于，基于单端固支上压下垫梁采动应力
‑
变形关系，建立“错端叠梁”移动模型：通过岩层移动边界和垮落角
α
K
确定错端叠梁区和岩块堆压区的边界；错端叠梁区的叠梁弯曲变形微分方程表示为：
式
(1)
中：
E
为某一叠梁的弹性模量，
I
为某一叠梁的抗弯刚度，
w
为某一叠梁的挠度，
w
(4)
为挠度的四阶导数；
x
为某一叠梁上距最大压应力点的距离，向右为正，向左为负；为最大支承应力；
q
i0
＝
γ
s
h
s
+∑
γ
k
h
k
，
γ
s
为松散层的容重，
h
s
为松散层的厚度，
γ
k
为第
k
层岩层的容重，
h
k
为第
k
层岩层的厚度；
h
i
为叠梁或岩层的厚度，
m
；
α
K
为垮落角；
k
w
为煤岩体的地基系数，
MN/m3；
L
i1
为某一叠梁的下位叠梁与岩层移动边界线的交点到最大压应力点的距离；
L
i2
为某一叠梁的下位叠梁的破断边界到最大压应力点的距离；
k
w
的计算式为：式
(2)
中，从煤层到该层错端叠梁的岩层的编号分别为
1,2,3,
…
,m
；
E1,E2,E3,
…
E
m
分别为第
1,2,3,
…
,m
层岩层的弹性模量，
MN/m2；
h1,h2,h3,
…
h
m
分别为第
1,2,3,
…
,m
层岩层的为厚度，
m。5.
根据权利要求4所述的岩层移动主断面“垮
‑
裂
‑
弯”矢量场模型的构建方法，其特征在于，引用“砌体梁”结构对破断岩层区结构建立岩层全厚破断且成层排列的岩层移动模型；破断岩层区的“砌体梁”结构的下沉曲线方程为：式
(3)
中，
W(x)
为“砌体梁”的位移，
m
；
x
为距开采边界的距离，煤体侧为负，采空侧为正，
m
；
W
qt
为“砌体梁”的最大下沉值，
m
；
Δ
d
为砌体梁块体的长度，
m
；
a
qt
＝
0.25
Δ
d
；
L
qt
为采空区上方“砌体梁”的长度，
m
；
W
qt
＝
m
c
‑
Σ
h
·
(K
p
‑
1)
，
m
c
为开采厚度，
m
；
Σ
h
为“砌体梁”到煤层顶板的距离，
m
；
K
p
为垮落岩层的残余碎胀系数；
L
qt
＝
L
‑
2h/tan(
α
K
)
，
L
为开采长度，
m
；
h
为“砌体梁”结构距煤层顶板的高度即“错端叠梁”结构的厚度，
m
；
α
K
为垮落角；开切眼侧“错端叠梁”区上方“砌体梁”部分位移方程为：式
(4)
中，
w1(x)
为开切眼侧“错端叠梁”区上方“砌体梁”部分的位移，
m
；
x
为距开采边界的距离，煤体侧为负，采空侧为正，
m
；
k
qt
为垫层的地基系数，与煤岩体的地基系数
k
w
的计算方法相同，
E
qt
I
qt
为“砌体梁”结构的抗弯刚度；
q
qt
为“砌体梁”上方荷载；系数
A1和
A2分别为：根据“砌体梁”位移方程将砌体梁结构分为三类，并分别用点状
、
横线和十字进行填充，
待三类“砌体梁”结构绘制完毕，即完成破断岩层区岩层全厚破断且成层排列的岩层移动模型
。6.
根据权利要求5所述的岩层移动主断面“垮
‑
裂
‑
弯”矢量场模型的构建方法，其特征在于，利用玻尔兹曼函数建立弯曲岩层上下层面的移动模型和表土层的移动模型；有限开采时地表移动盆地走向主断面的下沉曲线函数为：式
(6)
中，
W0(x)
为有限开采条件下，走向主断面的地表下沉，
m
；
x
为距开采边界的距离，煤体侧为负，采空侧为正，
m
；
R
为严重影响半径；
L
为工作面走向长度，即开采长度，
m
；
s3和
s4分别为左右拐点偏移距；
W0为地表最大下沉，
m
；有限开采时地表移动盆地倾向主断面上的下沉预计曲线函数为：式
(7)
中，
W0(y)
为有限开采条件下，倾向主断面的地表下沉，
m
；
W(y)
为半无限开采条件下的倾向主断面的地表下沉，
m
；
W(y
‑
D)
为考虑工作面倾向长度
D
的半无限开采条件下的倾向主断面地表下沉，
m
；
y
为倾向主断面上的坐标，
m
；
D
为工作面倾向长度，
s1和
s2分别为下山和上山拐点偏移距，
H1为下山采深，
α
为煤层倾角，
θ0为开采影响传播角，
R1和
R2分别为下山严重影响半径和上山严重影响半径；
W0为地表最大下沉，
m
；水平移动预计曲线的函数为：式
(8)
中，
b
为水平移动系数，取值为
0.2
至
0.4
之间，
W0为地表最大下沉值，
m
；
x
为走向主断面上的坐标，
R
为严重影响半径；
L
为工作面走向长度，即开采长度，
m
；
s3和
s4分别为左右拐点偏移距
。7.
根据权利要求6所述的岩层移动主断面“垮
‑
裂
‑
弯”矢量场模型的构建方法，其特征在于，根据煤层倾角
、
平均采深
、
开采长度
、
下山边界角
、
上山边界角
...

【专利技术属性】
技术研发人员：戴华阳，周棒，阎跃观，
申请(专利权)人：中国矿业大学北京，
类型：发明
国别省市：