矿区基岩与风积沙地表传递损伤研究模拟方法

1.本发明涉及矿业工程研究领域，尤其涉及矿区基岩与风积沙地表传递损伤研究模拟方法。


背景技术：

2.随着中国采煤技术与机械制造的发展，高强度开采已成为现代主流开采方式，但这样的开采强度导致矿山压力显现更为明显，地表移动变形更为剧烈，从而导致大量覆岩裂隙和地表裂缝生成，覆岩主要包括基岩和地表，地表呈现多种多样，有些矿区的地表为风积沙，本发明主要研究的是风积沙地表与基岩所构成的煤矿矿区地质结构。对于覆岩地表损伤研究主要有理论分析、实验室相似模拟、数值模拟、现场监测四种方法；其中，理论分析虽然简单明了，但它需要建立大量的假设，并简化地质因素和特征，而覆岩地表的采动损伤传递现象是复杂多变、极不稳定的一个过程，其涉及的介质种类多样、几何形态多样、力学环境复杂，使得材料力学、结构力学、弹性力学、土力学、岩石力学等传统方法难以在数学上获得解析解，而对于大多数问题，由于材料和几何的非线性，无法对复杂的地质因素及其动态运动过程作出系统、全面的评价，易造成较大的误差。现场监测研究虽然真实可靠，但进行微观分析具有挑战性，需要大量人力、物力和财力，且监测周期长，监测范围有限、只能对特定测点进行监测，无法及时获得覆岩动态变化的系统数据。实验室相似模拟仅针对局部研究，无法实现矿区地质结构的系统分析。
3.随着计算机技术的发展，数值模拟分析方法比类似试验更加方便快捷，其不仅可以考虑复杂地质因素的影响，而且可以进行全方位、大范围的系统监测。综合对比分析表明，数值模拟分析方法是开采覆岩变形破坏和裂隙发育动态分析的有效方法，不仅可以验证现场测量结果的准确性，而且可以获得理论和实践中无法获得的数据和动态发展规律。在以往模拟方法中，由于研究侧重点的单一，研究人员对覆岩(块体离散介质)与地表(颗粒离散介质)两种非连续介质特性进行一定的忽略与假设，将其视为同一种离散元介质进行覆岩结构失稳与裂隙扩展、地表下沉等现象的模拟分析，其会造成了一定的误差，尤其是在风积沙地表矿区。在高强度开采损伤的传递路径中，基岩和地表风积沙作为两种特性完全不同的非连续介质，对损伤传递的显现并不相同，但是具有相关性，地表变形是基岩经历损伤传递后的必然结果，又由于其较强的流动性与散体性质，对基岩的破坏具有极强的响应特征。现有技术无法实现从基岩、风积沙颗粒两种介质的特性出发，分别对其进行采动影响特征的模拟分析，也就无法实现矿区基岩、风积沙地表之间的传递损伤研究。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服现有技术无法实现矿区基岩、风积沙地表传递损伤研究的技术问题，提供一种矿区基岩与风积沙地表传递损伤研究模拟方法，能够模拟分析出基岩与风积沙地表损伤传递演变过程，对风积沙地表覆岩矿区传递损伤研究具有重要意义，能够科学直观显现开采损伤传递现象，并能得到传递数据，同时也能随仿真开采进行持续模
拟研究。
5.本发明的目的通过下述技术方案实现：
6.一种矿区基岩与风积沙地表传递损伤研究模拟方法，其方法包括：
7.a、采样和测量矿区基岩的岩层分布、破断块体数据及力学参数，利用udec软件构建基岩模型；采样地表风积沙测量得到粒径数据、颗粒孔隙度数据、颗粒静摩擦系数数据、风积沙休止角数据、颗粒间滚动摩擦数据，测量地表形态及尺寸，利用pfc模拟软件构建地表模型；
8.b、对基岩模型进行仿真开采，待基岩模型运行平衡时，提取基岩模型顶部岩层形态数据作为pfc模拟软件中地表模型下方、控制颗粒流运动状态的墙，待地表模型运行平衡，提取地表模型底面力学数据；将地表模型底面力学数据加载至udec软件的基岩模型顶部岩层并提取岩模型顶部岩层形态数据，如此循环，直至基岩模型、地表模型均平衡无变化，提取平衡后的基岩模型顶部岩层形态数据、平衡后的地表模型底面力学数据；
9.c、记录基岩模型顶部岩层形态数据的变化过程及数据，记录地表模型底面力学数据的变化过程及数据，分析得出风积沙地表对矿区基岩传递损伤研究数据；
10.d、按照步骤a方法持续延伸基岩模型、地表模型，按照步骤b、c方法持续得到基岩模型顶部岩层形态数据、地表模型底面力学数据的变化过程及数据，分析得出开采传递损伤研究数据、风积沙地表对矿区基岩传递损伤研究数据。
11.为了更好地实现本发明，步骤a中，pfc模拟软件为pfc2d模拟软件，pfc2d模拟软件构建的地表模型为对应基岩模型某纵向剖面位置下的二维纵向剖面地表；在步骤b中，先得到同一位置关系下平衡后的剖面基岩模型顶部岩层形态数据、平衡后的剖面地表模型底面力学数据，然后依次连续平衡处理得到平衡后的基岩模型顶部岩层形态数据、平衡后的地表模型底面力学数据。
12.优选地，在基岩模型中加入根据实际工作面设计参数的开采拱壳结构数据，引入开采拱壳结构数据能够使基岩模型更接近实际矿区开采环境。
13.优选地，破断块体数据根据矿区基岩实际测量及关键层理论综合得出，并设定udec软件中基岩模型的标定参数及破坏准则。
14.优选地，本发明构建平面滑动实验平台实现对地表风积沙的颗粒静摩擦系数数据进行测量，平面滑动实验平台包括平台基座、升降器、斜板，利用平面滑动实验平台对地表风积沙的颗粒静摩擦系数数据进行测量，地表风积沙的颗粒间滚动摩擦数据选取经验值范围或通过采样的地表风积沙进行坍落度实验得到；地表风积沙的粒径数据通过筛分法分级测量；地表风积沙的颗粒孔隙度数据通过排水法测量；地表风积沙的风积沙休止角数据通过坍落度实验进行测量。
15.本发明步骤a还包括地表模型的数据调整，方法如下：
16.s1、根据采样地表风积沙的测量数据按照地表风积沙形态及大小构建初步的地表模型；从不同视觉拍照矿区的地表风积沙并经过二值化处理提取到矿区地表实际风积沙堆积轮廓线，对初步的地表模型按照对应视觉截取图像经过二值化处理提取到地表模型风积沙堆积轮廓线；
17.s2、对初步的地表模型进行数据调整，直到地表模型风积沙堆积轮廓线与矿区地表实际风积沙堆积轮廓线拟合一致，得到最终的地表模型及模型所需输入的参数数据。
18.本发明步骤a的矿区为拟建拱壳结构的开采矿区或已建拱壳结构的开采矿区或开采矿区拱壳结构周边区域；矿区为拟建拱壳结构的开采矿区，分析引入不同工作面设计参数前后的开采传递损伤研究数据；矿区为已建拱壳结构的开采矿区，按照已建拱壳结构的开采矿区当前状态构建基岩模型、地表模型进行模拟分析，并进行仿真开采持续模拟分析。
19.本发明较现有技术相比，具有以下优点及有益效果：
20.本发明实现了基岩与风积沙地表传递损伤关系科学研究并实现两者之间的复现模拟，能够模拟分析出基岩与风积沙地表损伤传递演变过程，对风积沙地表覆岩矿区传递损伤研究具有重要意义，能够科学直观显现开采损伤传递现象，并能得到传递数据，同时也能随仿真开采进行持续模拟研究，对矿区安全开采与治理提供技术支撑。
附图说明
21.图1为实施例中平面滑动实验平台测试颗粒间静摩擦系数数据的示意图；
22.图2为实施例中矿区地表实际风积沙堆积轮廓线的处理流程图；
23.图3为实施例中地表模型风积沙堆积轮廓线的处理流程图；
24.图4为实施例中风积沙颗粒滚动摩擦系数的回归分析图；
25.图5为实施例中滚动摩擦因素优化示意图；
26.图6为实施例中地表模型的剖面示意图；
27.图7为实施例中基岩模型的剖面示意图；
28.图8为实施例中基岩与风积沙地表传递损伤研究的示意图；
29.图9为实施例中基岩顶部与风积沙地表沉降曲线对比图；
30.图10为实施例中对举例矿区的监测结果图。
具体实施方式
31.下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明：
32.实施例一
33.一种矿区基岩与风积沙地表传递损伤研究模拟方法，其方法包括：
34.a、采样和测量矿区基岩的岩层分布、破断块体数据及力学参数，利用udec软件构建基岩模型；采样地表风积沙测量得到粒径数据、颗粒孔隙度数据、颗粒静摩擦系数数据、风积沙休止角数据、颗粒间滚动摩擦数据，测量地表形态及尺寸，利用pfc模拟软件构建地表模型；
35.在步骤a中，构建的地表模型还包括地表模型的数据调整，方法如下：
36.s1、根据采样地表风积沙的测量数据按照地表风积沙形态及大小构建初步的地表模型；从不同视觉拍照矿区的地表风积沙并经过二值化处理提取到矿区地表实际风积沙堆积轮廓线，对初步的地表模型按照对应视觉截取图像经过二值化处理提取到地表模型风积沙堆积轮廓线；
37.s2、对初步的地表模型进行数据调整，直到地表模型风积沙堆积轮廓线与矿区地表实际风积沙堆积轮廓线拟合一致，得到最终的地表模型及模型所需输入的参数数据。
38.b、对基岩模型进行仿真开采，待基岩模型运行平衡时，提取基岩模型顶部岩层形态数据作为pfc模拟软件中地表模型下方、控制颗粒流运动状态的墙，待地表模型运行平
衡，提取地表模型底面力学数据；将地表模型底面力学数据加载至udec软件的基岩模型顶部岩层并提取岩模型顶部岩层形态数据，如此循环，直至基岩模型、地表模型均平衡无变化，提取平衡后的基岩模型顶部岩层形态数据、平衡后的地表模型底面力学数据；
39.c、记录基岩模型顶部岩层形态数据的变化过程及数据，记录地表模型底面力学数据的变化过程及数据，分析得出风积沙地表对矿区基岩传递损伤研究数据，还可包括基岩单独下沉数据及基岩形态，地表最终形态、地表传递损伤引起基岩下沉数据(风积沙地表对矿区基岩传递损伤的相关数据)、地表下沉数据，基岩综合下沉数据；
40.d、按照步骤a方法持续延伸基岩模型、地表模型，按照步骤b、c方法持续得到基岩模型顶部岩层形态数据、地表模型底面力学数据的变化过程及数据，分析得出开采传递损伤研究数据、风积沙地表对矿区基岩传递损伤研究数据。
41.本发明步骤a的矿区为拟建拱壳结构的开采矿区或已建拱壳结构的开采矿区或开采矿区拱壳结构周边区域。矿区为拟建拱壳结构的开采矿区，分析引入不同工作面设计参数前后的开采传递损伤研究数据；便于进行拟建拱壳结构开采的工作面设计与验证。矿区为已建拱壳结构的开采矿区，按照已建拱壳结构的开采矿区当前状态构建基岩模型、地表模型进行模拟分析，并进行仿真开采持续模拟分析，便于实现按照开采进度进行仿真开采，并分析得出风积沙地表对矿区基岩传递损伤研究数据及开采传递损伤研究数据，以及随着开采时间推移下的风积沙地表对矿区基岩传递损伤研究数据、开采传递损伤研究数据(实现仿真开采并根据仿真开采进行持续分析)。
42.实施例二
43.如图1～图10所示，一种矿区基岩与风积沙地表传递损伤研究模拟方法，其方法包括：
44.a、采样和测量矿区基岩的岩层分布、破断块体数据及力学参数，利用udec软件构建基岩模型，基岩模型为三维模型；优选地，在基岩模型中加入根据实际工作面设计参数的开采拱壳结构数据。在一些实施例中，破断块体数据根据矿区基岩实际测量及关键层理论综合得出，并设定udec软件中基岩模型的标定参数及破坏准则。采样地表风积沙测量得到粒径数据、颗粒孔隙度数据、颗粒静摩擦系数数据、风积沙休止角数据、颗粒间滚动摩擦数据，粒径数据、颗粒孔隙度数据、颗粒静摩擦系数数据、风积沙休止角数据、颗粒间滚动摩擦数据均是一个数据范围并作为地表模型的输入参数(或称输入数据)。在一些实施例中，本发明构建平面滑动实验平台实现对采样地表风积沙的颗粒静摩擦系数数据进行测量，利用平面滑动实验平台对地表风积沙的颗粒静摩擦系数数据进行测量，如图3所示，平面滑动实验平台包括平台基座1、升降器2、斜板3，在斜板3上放置采样地表风积沙4，通过升降器2对斜板3端部进行提升，在采样地表风积沙4自由落下时测量斜板的提升角度，然后对应计算颗粒静摩擦系数，经过多次测量得到颗粒静摩擦系数范围,即为颗粒静摩擦系数数据。地表风积沙的颗粒间滚动摩擦数据选取经验值范围(利用经验值或者已有研究，对颗粒间滚动摩擦因素设定选取范围)或通过采样的地表风积沙进行坍落度实验得到，如图4所示，经过多次坍落度实验可以得到堆积角与滚动摩擦系数的拟合关系图，从而就根据地表风积沙堆积角度进行选取合适的颗粒静摩擦系数；地表风积沙的粒径数据通过筛分法分级测量；地表风积沙的颗粒孔隙度数据通过排水法测量；地表风积沙的风积沙休止角数据通过坍落度实验进行测量；地表风积沙的颗粒间滚动摩擦数据还可以利用试错法对其进行坍落度实验
的数值模拟标定，并在后续地表模型的数据调整中进行参数调整。
45.测量地表形态及尺寸，利用pfc模拟软件构建地表模型，地表模型可以为三维模型(按照地表形态及尺寸进行模拟)，由于构建三维的地表模型所需的运算能力较大或者需要模拟的地表较大，本实施例pfc模拟软件采用为pfc2d模拟软件，先按照采样地表风积沙的粒径数据、颗粒孔隙度数据、颗粒静摩擦系数数据、风积沙休止角数据、颗粒间滚动摩擦数据、地表形态及尺寸组成地表模型数据库。pfc2d模拟软件构建的地表模型为对应基岩模型某纵向剖面位置下的二维纵向剖面地表，先选取基岩模型中的纵向剖面位置，通过pfc2d模拟软件构建同一位置下的二维纵向剖面地表，pfc2d模拟软件按照地表模型数据库依次构建即可得到所有地表关联的二维纵向剖面地表。
46.在步骤a中，构建的地表模型还包括地表模型的数据调整，方法如下：
47.s1、根据采样地表风积沙的测量数据按照地表风积沙形态及大小构建初步的地表模型；从不同视觉(如图2所示，比如：本实施例选取一个矿区，以采用主视、左视、右视、后视为例进行示意说明，经计算处理可以得到各自堆积角度等数据，如下表)拍照矿区的地表风积沙并经过二值化处理提取到矿区地表实际风积沙堆积轮廓线，对初步的地表模型(初步的地表模型数据如下表，μr为设定的颗粒间滚动摩擦数据，其与堆积角度存在对应关系，初步的地表模型数据处理如图3所示)按照对应视觉截取图像经过二值化处理提取到地表模型风积沙堆积轮廓线；
[0048][0049][0050]
s2、对初步的地表模型进行数据调整，直到地表模型风积沙堆积轮廓线与矿区地表实际风积沙堆积轮廓线拟合一致，得到最终的地表模型及模型所需输入的参数数据，模型所需输入的参数数据为地表模型在pfc模拟软件中的输入数据并以输入数据能够构建出地表模型。
[0051]
本发明能够通过对矿井工作面覆盖基岩的破坏形态和地表沉降特征为研究对象，并对其提取沉降数据进行分析；选取世界首个8.8m特大采高工作面覆岩地表破坏特征作为研究对象，利用本发明进行基岩、地表的模型构建，并建立其采动损伤在传递过程中的联系，阐述基岩破坏对地表下沉的影响。
[0052]
在本实施例中，称取400g风积沙试样，将杂物用镊子夹取，并将过大颗粒过滤忽略，然后将分级筛按孔径顺序放置，附上底筛；然后将风积沙颗粒放于最上层的筛子里，加上筛盖后进行筛分，直到筛子上存留试样的1％为止，如图2所示。并对其孔隙度、堆积密度等宏观参数进行测试，最终得上湾矿风积沙堆积密度为1680kg/m3，孔隙度为0.33。其次，结合斜面滑动法和斜面仪测定出颗粒间静摩擦系数，尽可能降低后续模拟参数设置误差；如图1所示。待测静摩擦系数：μ＝tanα；其中，μ为静摩擦系数；α为粘板提升角度。进行三次平均实验，最终得出颗粒间的静摩擦系数为0.69。按照本发明方法得到颗粒间滚动摩擦系数
为0.47，本实施例采样实际风积沙地表按照图5所示进行二值化处理得出堆积角，然后按照堆积角对应选取地表模型中颗粒间滚动摩擦系数，然后进行模型检验；对求解结果进行模拟检验，得到堆积角度为26.31
°
，并与实际堆积效果进行对比验证，角度误差仅为1.6％。
[0053]
地表模型的建立：根据已有研究与实验室参数标定，依据工程尺度对基岩进行udec建模，举例如下：基岩模型长500m，高228m，并依据实际推进情况对煤层进行开挖。对地表进行pfc2d建模，如图6所示，地表风积沙厚度为8m。
[0054]
b、对基岩模型进行仿真开采，待基岩模型运行平衡时，选取基岩模型的纵向剖面位置(可根据基岩模型的情况，先在不同位置处选择具有代表性或特征性的纵向剖面位置a，再在相邻纵向剖面位置a之间划分若干个纵向剖面位置b，这样可以在基岩模型预设出需要研究的预选取纵向剖面位置，预选取纵向剖面位置包括纵向剖面位置a和纵向剖面位置b，研究时在预选取纵向剖面位置中选取，预选取纵向剖面位置越多研究就越具体、越准确，图7举例示出一种基岩模型的纵向剖面位置下的基岩模型剖面数据)，提取纵向剖面位置下基岩模型顶部岩层形态数据(一般存储为“dxf.”文件)作为pfc模拟软件中地表模型中二维纵向剖面地表下方、控制颗粒流运动状态的墙(在pfc2d模拟软件利用“geometry-wall”命令流将所提取基岩模型顶部岩层形态数据转变为控制颗粒运动的“墙”，图6示出风积沙地表的二维纵向剖面地表，在二维纵向剖面地表底部以基岩模型顶部岩层形态数据作为控制颗粒运动的“墙”)，待地表模型运行平衡，提取地表模型底面力学数据；将地表模型底面力学数据加载至udec软件的基岩模型同一纵向剖面位置下顶部岩层并提取岩模型顶部岩层形态数据，如此循环(在下一次循环时，需要删除上一次基岩模型顶部岩层形态数据所对应的“墙”)，直至基岩模型、地表模型均平衡无变化，提取同一剖面位置关系下平衡后的剖面基岩模型顶部岩层形态数据、平衡后的剖面地表模型底面力学数据，这样可以分析同一剖面关联位置处的风积沙地表对矿区基岩传递损伤研究数据。按照基岩模型横向方向依次得到各个剖面位置关系下平衡后的剖面基岩模型顶部岩层形态数据、平衡后的剖面地表模型底面力学数据，然后即可得到平衡后的基岩模型顶部岩层形态数据、平衡后的地表模型底面力学数据；
[0055]
c、记录基岩模型顶部岩层形态数据的变化过程及数据，记录地表模型底面力学数据的变化过程及数据，此时可以记录地表模型底面的形态变化，分析得出风积沙地表对矿区基岩传递损伤研究数据；基岩模型顶部岩层形态数据的变化过程及数据包括所有剖面位置的基岩模型顶部岩层形态数据的变化过程及数据、底面力学数据的变化过程及数据；经过分析能够得出如图8所示剖面视角下的地表与基岩传递损伤研究结果示意图，以及图9举例示出的基岩沉降及地表沉降关系图(本实施例可利用fish语言对基岩顶部岩层沉降量与地表沉降量进行提取，提取特征数据之后，通过origin作图软件对覆岩-地表沉降数据进行处理，并获得充分采动后的沉降特征曲线，如图9所示)。
[0056]
本实施例基岩与风积沙地表传递损伤研究结果如图8、图9所示，根据模型的直观破坏现象，在开切眼(区域i)以及停采线区域(区域ш)地表均出现了台阶下沉以及塌陷坑，台阶落差约1.5～2.5m，塌陷坑深度约为1m。通过对比岩移数据与地表下沉值可知，由于颗粒运动的复杂性，总体上与基岩顶部岩层下沉基本一致，呈现“倒梯形”沉降槽。本实施例通过图8、图9的图示，可以分析得出如下研究结果：区域i沉降高差为-839～-6310mm；下沉梯度11.99～84.13mm/m；区域ш沉降高差为-905～-5574mm；下沉梯度9.05～55.74mm/m；而在
区域п内地表最大沉降相比较基岩顶部岩层沉降均减小，说明风积沙对采动损伤具有一定的吸收作用。地表最大下沉量约为6500mm，最大下沉系数为0.74，相对基岩最大下沉量降低了7.14％。风积沙对开采损伤的吸收从量上表现为地表下沉量相对基岩顶部岩层下沉量的减小，减小范围约为7.14％～12.5％。由此可以看出，本发明至少能够得出上述分析结果，具有较高的可靠性和合理性。
[0057]
图10举例示出一种矿区开采的下沉示意图，本发明可以随着开采进度进行持续测量，也可以进行开采模拟并得到与图10类似的下沉示意图。
[0058]
d、按照步骤a方法持续延伸基岩模型、地表模型，按照步骤b、c方法持续得到基岩模型顶部岩层形态数据、地表模型底面力学数据的变化过程及数据，分析得出开采传递损伤研究数据、风积沙地表对矿区基岩传递损伤研究数据。
[0059]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。