基于覆岩离层动态发展的地表沉陷动态过程的展现方法

摘要

本发明公开一种基于覆岩离层动态发展的地表沉陷动态过程的展现方法，包括：步骤S1、对覆岩离层的产生进行力学分析；步骤S2、建立离层发育空间位置图；步骤S3、基于简支梁的覆岩移动模型，建立上覆岩层的挠度曲线微分方程；步骤S4、建立采动覆岩沉陷模型并将其可视化。通过探究覆岩离层发生、发展、演化的一般力学行为，并将地表沉陷过程与离层演化过程相结合，通过建立地表沉陷依赖离层演化的模型，精确还原覆岩离层的演化过程，明确造成沉陷与离层的对应关系，为安全生产提供指导。

说明书

技术领域

本发明属于矿山安全技术领域，涉及地表沉陷预测技术，特别针对覆岩离层动态发展对地表沉陷的影响，提出一种基于覆岩离层动态发展的地表沉陷动态过程的展现方法。

背景技术

随着煤矿开采规模的不断增加，矿区开采沉陷带来的损害日趋加剧，地表沉陷将导致耕地破坏，建(构)筑物受损甚至垮塌等，严重影响了人们的安全生产和正常生活，是一种严重的地质灾害现象，其造成的后果已经成为社会焦点问题，严重威胁社会的和谐稳定。

影响地表沉陷的因素很多，如开采厚度、开采深度、覆岩性质等，这些因素多为自然因素和人为因素。除了上述因素外，还存在着一种介质因素，对地表沉陷有着非常大的影响，就是离层，离层的发育状态在一定程度上决定着地表沉陷的大小，如离层发育的高度、宽度等。地表沉陷是一种由渐变到突变，再由突变到渐变的动态过程，覆岩离层的演对地表沉陷起着重要作用，但是由于现有技术的不足，无法精确还原覆岩离层的演化过程，造成沉陷与离层的对应关系不明确，通过将地表沉陷过程与离层演化过程相结合，对提高安全生产具有重要意义,因此，对于探究覆岩离层发生、发展、演化的过程十分重要。

发明内容

本发明的目的在于探究覆岩离层发生、发展、演化的一般力学行为，并将地表沉陷过程与离层演化过程相结合，旨在建立地表沉陷依赖离层演化的模型，为安全生产提供参考。

本发明是采用以下的技术方案实现的：

一种基于覆岩离层动态发展的地表沉陷动态过程的展现方法，包括以下步骤：

步骤S1、对覆岩离层的产生进行力学分析；

步骤S2、建立离层发育空间位置图；

步骤S3、基于简支梁的覆岩移动模型，建立上覆岩层的挠度曲线微分方程；

步骤S4、建立采动覆岩沉陷模型并将其可视化。

进一步的，所述步骤S4中基于3DMAX实现采动覆岩离层动画展现，包括以下步骤：

步骤S41、利用RFPA软件确定离层的产生；

步骤S42、各岩层的下沉挠度曲线计算；

步骤S43、采动覆岩模型形态生成、修改及输出；

步骤S44、图像制作与选取；

步骤S45、虚拟采动覆岩沉陷动画。

进一步的，所述步骤S41确定离层产生具体包括以下步骤：

步骤S411、统计各岩层的物理力学参数，包括岩性、岩层厚度、泊松比、密度、内摩擦角、粘聚力、弹性模量、抗拉强度、抗压强度；

步骤S412、将上述参数输入RFPA软件中，确定模型尺寸：模型的长度为煤层采宽的2倍，模型左右边界为水平约束，模型上边界为自由端，模型下边界同时作用水平约束和竖直约束；

步骤S413、根据离层产生的力学条件，判断离层产生与否；

步骤S414、若离层产生，则输出离层产生的位置、长度和断裂角；否则执行步骤S412。

进一步的，所述步骤S42中，根据上覆岩层的挠度曲线微分方程，获得离层上覆岩层的下沉挠度曲线微分方程。

进一步的，所述步骤S43中包括以下步骤：步骤S431中：根据每个地层的组成、物理力学性能构建不同地层模型，利用单元集成软件将各个地层独立集成化，按照实际情况将各个地层按顺序叠放；步骤S432：布置摄影机；步骤S433：设置灯光；步骤S434：选择背景。

进一步的，所述步骤S44包括：

步骤S441：引入一张具有离层数据信息的地层图像，利用材质编辑程序将离层的数据信息映射至受开采沉陷影响的地层中；

步骤S442：捕捉离层图像的数据信息，利用线性样条线程序，将之与原地层的离层图像的数据信息进行进一步的匹配设置；进一步处理样条线图像数据，即在数据中添加深度的设置，使其成为一个参数化数据模型，并将其设置成具有一定的厚度的弧状模型；

步骤S443：不断改变开采隧道的长度，不断对各个地层进行变形计算处理，得到更多的地层变形模型，依次得到煤层开采过程中离层演化过程中的各个关键图；

步骤S444：利用联结工具将2D点形态转化为2D曲线形态，把形成的二维曲线形态用弯曲、线框、光滑网格物体、拉伸、自由变换和编辑网格物体等修改工具加以修饰，最终各帧图像组合在一起形成了采动覆岩沉陷模型的可视化。

进一步的，所述步骤S413中，离层产生的力学条件为：弱面上的剪应力τ大于弱面的抗剪强度S_s，并且下位岩层的抗弯刚度小于上位岩层的抗弯刚度时，弱面受剪破裂，离层开始产生；反之，离层不产生。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：本发明通过探究覆岩离层发生、发展、演化的一般力学行为，并将地表沉陷过程与离层演化过程相结合，通过建立地表沉陷依赖离层演化的模型，精确还原覆岩离层的演化过程，明确造成沉陷与离层的对应关系，为安全生产提供指导。

附图说明

图1为本发明实施例离层产生的力学模型，其中(1)为层间剪裂模型，(2)为层间拉裂模型；

图2为本发明实施例离层发育的空间位置图；

图3为本发明实施例简支梁的覆岩移动模型；

图4为本发明实施例所述基于覆岩离层动态发展的地表沉陷动态过程展现方法流程图；

图5为图4中步骤S4具体实现方法的流程图；

图6为图5中步骤S41具体实现方法的流程图；

图7为图4中步骤S43中采动覆岩离层模型构建流程图。

具体实施方式

为了能够更加清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

基于覆岩离层动态发展的地表沉陷动态过程的展现方法，参考图4，包括以下步骤：步骤S1、对覆岩离层的产生进行力学分析；步骤S2、建立离层发育空间位置图；步骤S3、基于简支梁的覆岩移动模型，建立上覆岩层的挠度曲线微分方程；步骤S4、建立采动覆岩沉陷模型并将其可视化，具体的：

1、覆岩离层产生机理的力学分析

离层产生的实质就是层间弱面的开裂，弱面的力学性质较岩层有很大的差异，在组合梁弯曲下沉过程中，对应力的变化非常敏感，往往在组合梁未发生断裂前就有离层产生。离层的产生包含两种力学模型，一是层间剪裂；二是层间拉裂，如图1所示，(P₁和P₂分别为层间横向作用力，P₁’和P₂’为层间纵向作用力)。

在岩层整体弯曲下沉过程中，层间弱面上产生了逐渐增大的剪应力，大小为：式中，Q为组合梁横截面的剪力；I_z为横截面对中性轴的惯性矩；d为弱面到组合梁中性轴的距离；h为下位离层的高度。

层间弱面的抗剪强度S_s为：S_s＝C+σtanφ，式中，C为弱面的粘聚力；σ为弱面的法向应力；φ为弱面的内摩擦角。

随着组合梁层间弱面上剪力的逐渐增加，当弱面上的剪应力τ小于弱面的抗剪强度S_s时，离层不会产生；当弱面上的剪应力τ大于弱面的抗剪强度S_s，并且下位岩层的抗弯刚度小于上位岩层的抗弯刚度时，弱面受剪破裂，离层开始产生。

在弱面受剪破裂后将不再承受组合梁的剪应力，此后，层间弱面在下位岩层的自重应力作用下得到扩展，下位岩层的自重应力称为弱面的拉应力，大小为：σ_t＝γ_dh_d，式中，γ_d为下位岩层的容重；h_d为下位岩层的厚度。

当弱面的拉应力σ_t小于弱面的抗拉强度S_t时，离层不扩展；当弱面的拉应力σ_t大于弱面的抗拉强度S_t，并且下位岩层的抗弯刚度小于上位岩层的抗弯刚度时，弱面受拉破裂，离层开始扩展。

2、离层发育的空间位置

随着离层空间层位向上发展，地表向下继续沉降，随着离层空间横向发展，地表沉陷盆地不断扩张，所以离层具有空间层位演化和横向扩展规律，因此建立离层发育的空间位置图，可以获取采动覆岩离层演化过程的关键位置数据，用以进行情景构建工作，如图2所示，其中，A为地表沉降，B为开采推进方向，1为离层，ψ为断裂角。

3、上覆岩层的挠度曲线微分方程

当有离层产生时，将相邻离层间的岩层视为简支梁，如图3所示，X轴、W轴方向如图所示，2为地表沉陷盆地，3为简支梁，根据弹性力学和材料力学，可得上覆岩层的挠度曲线微分方程为：

S＝L-hcotψ

式中，E为简支梁的弹性模量；I为简支梁的惯性矩；W为简支梁的挠度；q为简支梁的均布荷载；S为简支梁的长度的一半；L为工作面采宽的一半；h为下位离层的高度；简支梁受到弹性基础的反力；ψ为断裂角。

式中，E'为煤层和简支梁下岩层的综合弹性模量，E_i、h_i为简支梁下第i层岩层的弹性模量和厚度。

边界条件规定如下：

当x＝0时，

当x→±∞时，W→0，近而，可计算相邻两岩层的挠度曲线微分方程，由方程计算得到相邻两岩层的沉降，两相邻岩层之间的沉降差即为离层发展的宽度，进而可得到全部离层的宽度。由采空区高度减去全部离层的总宽度即为地表沉降的大小。

以上通过力学计算，可得到采动覆岩离层演化的各种数据参数，从而可以进行数据模型的构建，进而模拟采动覆岩离层的演化过程，进行情景构建及动态过程展现。

4、基于3D MAX的采动覆岩沉陷模型及可视化过程：

如图5所示，所述采动覆岩动画的实现方法的步骤如下：

步骤S41：利用RFPA软件确定离层的产生；

步骤S42：各岩层的下沉挠度曲线计算；

步骤S43：模型形态生成、修改及输出；

步骤S44：图像制作与选取；

步骤S45：虚拟采动覆岩沉陷动画。

其中，步骤S41具体包括：

(1)采集数据，包括各岩层的物理力学参数，包括岩性、岩层厚度、泊松比、密度、内摩擦角、粘聚力、弹性模量、抗拉强度、抗压强度；

(2)确定模型尺寸：模型的长度为煤层采宽的2倍，模型左右边界为水平约束，模型上边界为自由端，模型下边界同时作用水平约束和竖直约束；

(3)判断离层产生与否：将以上各数据输入到RFPA软件中，由于离层产生于相邻岩层之间，随着工作面的不断推进，上覆岩层应力重新分布，当相邻岩层之间满足离层产生的力学条件时(当弱面上的剪应力τ小于弱面的抗剪强度S_s时，离层不会产生；当弱面上的剪应力τ大于弱面的抗剪强度S_s，并且下位岩层的抗弯刚度小于上位岩层的抗弯刚度时，弱面受剪破裂，离层开始产生)，离层在此处产生，由RFPA软件可确定出离层产生的位置、长度和断裂角。其流程图如图6所示。

步骤S42中：根据上覆岩层挠度曲线微分方程的计算公式，依次输入各岩层的弹性模量E、各岩层的厚度h、各岩层的容重γ、各岩层的惯性矩I、断裂角ψ、煤层的开采距离2L，即可输出离层上覆岩层的下沉挠度曲线微分方程。

步骤S43中：对采动覆岩离层模型构建，由于每个地层的组成、物理力学性能等各不相同，利用材质编辑程序基于组成及抗弯刚度分别构建不同地层模型，然后利用单元集成软件将各个地层独立集成化，按照实际情况将各个地层按顺序叠放，流程图如图7。然后再布置摄影机、设置灯光和选择背景等步骤的操作。其中，布置摄影机包括：在命令面板中单击目标摄影机面板,从而在顶视图中建立目标摄影机,调节目标摄影机使其成透视角度察看，从透视图中视图菜单选择目标摄影机视图,适当调整目标摄影机,使其摄影机镜头为55mm,以确定视图角度；设置灯光步骤包括：在命令面板中选择灯光面板,在顶视图中离层的正前方建立一个泛光灯,在前视图中抬高泛光灯,使光线由前上方照下,再进入修改命令面板,调节光线的颜色为纯白色。选择摄影机视图,进行渲染观看光强弱,并反复调节泛光灯的强度,直到满意为止。之后,在顶视图中各地层的后方再建立一个泛光灯,调弱泛光灯的强度,把阴暗面照亮；选择背景步骤包括：在渲染下拉菜单中选择环境选项,在弹出的颜色控制面板中选择浅灰色为动画背景。

步骤S44中，当L为1的整数倍(单位：m)时为一个开挖步并在3D MAX里输出一帧图像。在图像的制作时，以初始岩层的位置为参照点，依据上一步的结果输入各岩层点的下沉值，点的选取以W轴为基准向左向右分别取1的整数倍(单位：m)且位于各岩层层面处。具体的，包括以下步骤：

步骤S441：引入一张具有离层数据信息的地层图像，利用材质编辑程序将离层的数据信息映射至受开采沉陷影响的地层中；

步骤S442：捕捉离层图像的数据信息，利用线性样条线程序，将之与原地层的离层图像的数据信息进行进一步的匹配设置；进一步处理样条线图像数据，即在数据中添加深度的设置，使其成为一个参数化数据模型，并将其设置成具有一定的厚度的弧状模型；

步骤S443：最后不断改变开采隧道的长度，不断对各个地层进行变形计算处理，得到更多的地层变形模型，依次得到煤层开采过程中离层演化过程中的各个关键图。

步骤S444：利用联结工具将2D点形态转化为2D曲线形态，把形成的二维曲线形态用弯曲、线框、光滑网格物体、拉伸、自由变换和编辑网格物体等修改工具加以修饰。将修改过的模型形态进行材质和灯光的修饰和逼真，最后按*.JPG格式输出为一帧图像，最终各帧图像组合在一起形成了采动覆岩沉陷模型的可视化。各个关键图如下图7：

其中，步骤S45：虚拟采动覆岩沉陷动画，通过以下步骤实现：

步骤S451：通过时间控制按钮,选择电视标准制式,在时间显示模式中选择当前帧数标记时间。在播放控制面板中选择实时选项,在动画开始时间处输入0，长度处输入400，作为本动画的最长帧数,结束时间输入400,在步幅中勾取选中对象；

步骤S452：将动画帧数拖至0帧，将尾选取的各个阶段的各个图片一帧一帧地、依次插入时间轴，注意关键帧的处置；

步骤S453：点击渲染场景按钮,在输出时间中选择范围为0～300帧,在输出尺寸上选择分辨率为800×600。单击输出文件按钮,在文件类型的下拉菜单中选择文件格式；

步骤S454：选择摄影机视图并渲染，最终实现了基于离层动态发展与地表沉陷动态过程的关系的情景构建。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。