[发明专利]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。

主权项

1.基于覆岩离层动态发展的地表沉陷动态过程的展现方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1、对覆岩离层的产生进行力学分析：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；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；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：当有离层产生时，将相邻离层间的岩层视为简支梁，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；计算相邻两岩层的挠度曲线微分方程，进而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；步骤S4、基于3DMAX建立采动覆岩沉陷模型并将其可视化，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。