基于布格重力异常的矿山采空区变形及稳定性评估方法

技术领域

本发明属于矿山工程技术领域，尤其是涉及一种基于布格重力异常的矿山采空区变形及稳定性评估方法。

背景技术

矿山采空区即是指地下矿产经过一系列人工开采后所留下的地下层间空洞区域。天然的岩体本来处于自然的应力平衡状态，但是由于矿山的开发、开采工作必然会在岩体内部开挖各式各样的空间，如巷道、采场等，如此必然破坏了矿区地下岩石层的应力平衡而产生次生的应力-应变效应。正是由于这种次生的应力-应变效应，使得矿山采空区的围岩体结构发生变形，甚至应力平衡结构的破坏、移动，直到区域岩石圈构造应力平衡调整至新的平衡为止。

上个世纪的国有矿山企业，由于采矿技术与装备的局限，大量使用空场法、崩落法、留矿法等采矿方法，虽然开采过程经过正规设计，采空区资料齐全，但是因为完成填充采空区成本较高，许多矿山也未能及时对所有采空区完成填充，有40％以上的采空区仍然遗留在各个矿山，更遑论我国矿产资源的开采还经历过严重失控的阶段，民采、群采猖獗，矿山采空区丛生。我国的重点煤矿，平均采空塌陷面积约占矿区含煤面积的1/10。目前，据不完全统计，在我国20多个省、自治区内，共发生大规模的采空区地质灾害200多起，累计塌陷面积超过70万公顷，造成的直接经济损失更是超过了500亿元。可以看出，由于采空区的失稳变形而引发的矿山地质灾害的社会危害性极大，轻者造成生产的局部停产，重者造成人员伤亡及巨大经济损失，严重影响到国家、地区的资产和人民群众财产安全。

另外，矿山采空区稳定性是一个极其复杂的问题，它不仅和开采矿体的深埋、倾角、厚度、上覆岩层的岩性、赋存状态、厚度、物理力学性质、地质构造、场地地形地貌、水、文地质条件以及煤矿开采面积、顶板管理方法、开采频次、采掘技术等地质采矿条件有关，而且也和上部荷载的类型、大小、位置等密相关。

目前关于外矿山采空区的变形测量与稳定性评估分析方法主要有：

第一、数值模拟法：矿山采空区数值模拟可以使用边界单元法、有限单元法、有限差分法及离散单元法等。其中，有限元方法适合范围最广，发展较为成熟。

第二、解析法：解析法是对矿山采空区硐室进行简化，建立相应的地质模型，再按照一定的原则或者假设条件抽象为一个理想的数学物理模型，然后按照数值方法予以求解。

第三、预计法：预计法主要通过计算矿山采空区顶板承载力、残留空洞的稳定性、剩余地表变形量及地表破坏范围来进行。矿山开采沉陷预计理论及方法较多，在我国广泛使用的概率积分法,

第四、半预测半解析法：该方法是预测法和解析法的结合，如B.Dzezi l教授在Bduryky-noteh理论基础上引入Fouier二维积分变换形成的方法。目前的方法的主要缺陷在于：这些研究都是建立在特定的实验基础上,研究方法与研究结论依靠的主要是以往的经验，而且这些方法的侧重点普遍在于矿山采空区变形而引起的地质灾害方面的评价，均忽略了对矿山采空区从开采阶段到采后空置变形阶段的总体变形过程、变化规律的观测。

现如今还未出现能对矿山采空区的稳定性进行评估的方法，不能全面、有效地对矿山采空区的变形进行监测，同时对矿山采空区的稳定性进行评价，且不能体现矿山采空区的变化规律和特点。由上述内容可知，利用传统的变形监测方法，由于无法规避自身缺陷，使得变形量监测与实际工程有所偏离，从而造成矿山采空区的稳定性评估在较大误差，不能满足矿山采空区工程准确性需求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于布格重力异常的矿山采空区变形及稳定性评估方法，其方法步骤简单、设计合理且成本低，使用操作简便，利用布格重力异常能准确地对矿山采空区的变形量进行监测，监测结果准确，且根据矿山采空区的变形量对矿山采空区的稳定性进行评估，获取矿山采空区的稳定变形量，实用性强。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于布格重力异常的矿山采空区变形及稳定性评估方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、相对重力仪观测点的布置：首先，在矿山采空区研究场地中，沿矿山采空区地表面的长度方向和宽度方向间隔设置多个相对重力仪观测点；其中，多个相对重力仪观测点分别记作相对重力观测点B₁、相对重力观测点B₂、...、相对重力观测点B_n，n为相对重力仪观测点的数量；

步骤二、基点的布置：在矿山采空区研究场地外距离所述矿山采空区研究场地邻近区域10km～20km处设置基点，并将基点记作基点A；

步骤三、架设相对重力仪和绝对重力仪：首先在步骤二中基点A处架设绝对重力仪，然后分别在步骤一中多个所述相对重力仪观测点和基点A之间架设多个相对重力仪；

步骤四、相对重力观测值和绝对重力观测值的获取：步骤三中多个所述相对重力仪分别对多个所述相对重力仪观测点相对于基点A的相对重力观测值按照采样周期T进行检测，并将检测到的多个所述相对重力仪观测点相对于基点A的相对重力观测值传输至数据处理器，同时，步骤三中所述绝对重力仪对基点A的绝对重力观测值按照采样周期T进行检测，并将检测到的基点A的绝对重力观测值传输至所述数据处理器；

步骤五、相对重力观测点的变形量的获取：采用所述数据处理器对步骤四中获取的所述绝对重力观测值和多个所述相对重力观测值分别进行处理，得到多个所述相对重力观测点的变形量，其中，对于所述绝对重力观测值和任一个所述相对重力观测值进行计算获取任一个所述相对重力观测点的变形量的计算方法均相同，则对于所述绝对重力观测值和任一个相对重力观测值进行计算获取任一个所述相对重力观测点的变形量，包括以下步骤：

步骤501、采用所述数据处理器且根据公式(a)，得到相对重力观测点B_i的布格重力异常其中，表示相对重力观测点B_i相对于基点A的相对重力观测值，表示相对重力观测点B_i相对于基点A的高度改正值，表示相对重力观测点B_i相对于基点A的层间改正值，表示相对重力观测点B_i相对于基点A的地形改正值，i表示相对重力仪观测点的序号；

步骤502、采用所述数据处理器且根据公式得到基点A相对于大地水准面的层间改正值Δ₂g，其中，g_A表示基点A的绝对重力观测值，Δ₁g表示基点A相对于大地水准面的高度改正值，Δ₃g表示基点A相对于大地水准面的地形改正值；采用所述数据处理器且根据公式得到基点A对应的正常重力值γ₀，其中，表示基点A所处的纬度；

步骤503、采用所述数据处理器且将公式(a)代入公式(b)，得到则获取相对重力观测点B_i的变形量并将获取的相对重力观测点B_i的变形量存储至与所述数据处理器相接的存储器中；

步骤504、多次重复步骤501至步骤503，获取多个所述相对重力观测点的变形量，并依次将多个所述相对重力观测点的变形量存储至所述存储器中；

步骤六、相对重力观测点变形量曲线的绘制及稳定变形量的获取：采用所述数据处理器调用变形量曲线绘制模块绘制，获取多个所述相对重力观测点的相对重力观测点变形量曲线，并根据所述相对重力观测点变形量曲线获取所述相对重力观测点的稳定变形量。

上述的基于布格重力异常的矿山采空区变形及稳定性评估方法，其特征在于：步骤六中采用所述数据处理器获取多个所述相对重力观测点的相对重力观测点变形量曲线及稳定变形量，其中，对于任一个所述相对重力观测点的相对重力观测点变形量曲线及稳定变形量的获取方法均相同，则对于任一个所述相对重力观测点的相对重力观测点变形量曲线及稳定变形量的获取，包括以下步骤：

步骤601、采用所述数据处理器将所述存储器中存储的各个采样时刻所述相对重力观测点的变形量分别按照采样时间先后顺序进行排列，并采用所述数据处理器调用变形量曲线绘制模块绘制出所述相对重力观测点的变形量随时间t变化的曲线,获取相对重力观测点变形量曲线，其中，当所述相对重力观测点的变形量随时间t变化的曲线连续时，说明所述相对重力观测点的变形量为稳定变形；当所述相对重力观测点的变形量随时间t变化的曲线趋近于一条直线时，说明所述相对重力观测点的变形已稳定；

步骤602、当所述相对重力观测点的变形量随时间t变化的曲线趋近于一条直线时，采用所述数据处理器获取所述相对重力观测点变形量曲线中的最终变形量，则所述最终变形量为所述相对重力观测点的稳定变形量；

步骤603、多次重复步骤601至步骤602，直至获取多个所述相对重力观测点的相对重力观测点变形量曲线及稳定变形量。

上述的基于布格重力异常的矿山采空区变形及稳定性评估方法，其特征在于：步骤四中所述采样周期T的取值范围为12h～24h。

上述的基于布格重力异常的矿山采空区变形及稳定性评估方法，其特征在于：所述数据处理器为计算机。

上述的基于布格重力异常的矿山采空区变形及稳定性评估方法，其特征在于：步骤一中相邻两个所述相对重力仪观测点的水平间距为0.2km～1km。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明方法步骤简单且实现方便，监测效率和准确度高，使用效果好。

2、本发明的变形量监测方法简便、快速、准确，通过在矿山采空区地表面的长度方向和宽度方向间隔设置多个相对重力仪观测点，对矿山采空区的多个区域进行监测，保证矿山采空区的变形量监测满足工程需求。

3、本发明对任一个相对重力仪观测点的变形量进行监测时，首先采用数据处理设备利用相对重力观测值计算得到相对重力仪观测点的布格重力异常，然后，采用数据处理器利用绝对重力观测值计算得到相对重力仪观测点的布格重力异常，最后，采用数据处理设备通过根据相对重力仪观测点的布格重力异常相同而获取基点A相对于大地水准面的层间改正值，则相对重力观测点相对于基点的层间改正值与基点A相对于大地水准面的层间改正值的差值为相对重力观测点的变形量，实现了基于布格重力异常而获取矿山采空区的变形监测，矿山采空区变形的监测是在矿山采空区研究场地中进行，所以能准确地对矿山采空区的变形量进行监测，监测结果准确。

4、本发明关于对矿山采空区长期变形状态及稳定性的评估方法只涉及矿山采空区地表面的相对重力观测值和绝对重力观测值，通过矿山采空区层间空洞的厚度会对布格重力异常层间改正项中连续分布的质量层厚度造成扰动的基本原理，构建了地面重力勘探基础资料与矿山采空区层间空洞的厚度变化之间的数学关系，从而获取相对重力观测点的变形量为相对重力观测点相对于基点的层间改正值与基点A相对于大地水准面的层间改正值的差值，进而省略了矿山开采过程中的一系列物理、几何影响因素对矿山采空区可能造成的影响，进而极大地简化了原有问题的复杂程度。

5、本发明通过绝对重力仪和相对重力仪进行长期连续观测，而获取相对重力观测值和绝对重力观测值，从而获取矿山采空区的变形量随时间变化的曲线，并根据所述相对重力观测点变形量曲线获取所述相对重力观测点的稳定变形量，实现对矿山采空区结构变形、变化的连续监测，且根据矿山采空区的变形量对矿山采空区的稳定性进行评估，获取矿山采空区的稳定变形量，实用性强。

综上所述，本发明方法步骤简单、设计合理且成本低，使用操作简便，利用布格重力异常能准确地对矿山采空区的变形量进行监测，监测结果准确，且根据矿山采空区的变形量对矿山采空区的稳定性进行评估，获取矿山采空区的稳定变形量，实用性强。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明的方法流程框图。

具体实施方式

如图1所示，本发明包括以下步骤：

步骤一、相对重力仪观测点的布置：首先，在矿山采空区研究场地中，沿矿山采空区地表面的长度方向和宽度方向间隔设置多个相对重力仪观测点；其中，多个相对重力仪观测点分别记作相对重力观测点B₁、相对重力观测点B₂、...、相对重力观测点B_n，n为相对重力仪观测点的数量；

步骤二、基点的布置：在矿山采空区研究场地外距离所述矿山采空区研究场地邻近区域10km～20km处设置基点，并将基点记作基点A；

步骤三、架设相对重力仪和绝对重力仪：首先在步骤二中基点A处架设绝对重力仪，然后分别在步骤一中多个所述相对重力仪观测点和基点A之间架设多个相对重力仪；

步骤四、相对重力观测值和绝对重力观测值的获取：步骤三中多个所述相对重力仪分别对多个所述相对重力仪观测点相对于基点A的相对重力观测值按照采样周期T进行检测，并将检测到的多个所述相对重力仪观测点相对于基点A的相对重力观测值传输至数据处理器，同时，步骤三中所述绝对重力仪对基点A的绝对重力观测值按照采样周期T进行检测，并将检测到的基点A的绝对重力观测值传输至所述数据处理器；

步骤五、相对重力观测点的变形量的获取：采用所述数据处理器对步骤四中获取的所述绝对重力观测值和多个所述相对重力观测值分别进行处理，得到多个所述相对重力观测点的变形量，其中，对于所述绝对重力观测值和任一个所述相对重力观测值进行计算获取任一个所述相对重力观测点的变形量的计算方法均相同，则对于所述绝对重力观测值和任一个相对重力观测值进行计算获取任一个所述相对重力观测点的变形量，包括以下步骤：

步骤501、采用所述数据处理器且根据公式得到相对重力观测点B_i的布格重力异常其中，表示相对重力观测点B_i相对于基点A的相对重力观测值，表示相对重力观测点B_i相对于基点A的高度改正值，表示相对重力观测点B_i相对于基点A的层间改正值，表示相对重力观测点B_i相对于基点A的地形改正值，i表示相对重力仪观测点的序号；

步骤502、采用所述数据处理器且根据公式得到基点A相对于大地水准面的层间改正值Δ₂g，其中，g_A表示基点A的绝对重力观测值，Δ₁g表示基点A相对于大地水准面的高度改正值，Δ₃g表示基点A相对于大地水准面的地形改正值；采用所述数据处理器且根据公式得到基点A对应的正常重力值γ₀，其中，表示基点A所处的纬度；

步骤503、采用所述数据处理器且将公式(a)代入公式(b)，得到则获取相对重力观测点B_i的变形量并将获取的相对重力观测点B_i的变形量存储至与所述数据处理器相接的存储器中；

步骤504、多次重复步骤501至步骤503，获取多个所述相对重力观测点的变形量，并依次将多个所述相对重力观测点的变形量存储至所述存储器中；

步骤六、相对重力观测点变形量曲线的绘制及稳定变形量的获取：采用所述数据处理器调用变形量曲线绘制模块绘制，获取多个所述相对重力观测点的相对重力观测点变形量曲线，并根据所述相对重力观测点变形量曲线获取所述相对重力观测点的稳定变形量。

本实施例中，采用数据处理设备利用相对重力观测值计算得到相对重力仪观测点的布格重力异常，并采用数据处理器利用绝对重力观测值计算得到相对重力仪观测点的布格重力异常，根据相对重力仪观测点的布格重力异常相同而获取基点A相对于大地水准面的层间改正值，则相对重力观测点相对于基点的层间改正值与基点A相对于大地水准面的层间改正值的差值为相对重力观测点的变形量，实现了基于布格重力异常而获取矿山采空区的变形监测，监测过程便捷，且监测结果准确。

本实施例中，步骤六中采用所述数据处理器获取多个所述相对重力观测点的相对重力观测点变形量曲线及稳定变形量，其中，对于任一个所述相对重力观测点的相对重力观测点变形量曲线及稳定变形量的获取方法均相同，则对于任一个所述相对重力观测点的相对重力观测点变形量曲线及稳定变形量的获取，包括以下步骤：

步骤601、采用所述数据处理器将所述存储器中存储的各个采样时刻所述相对重力观测点的变形量分别按照采样时间先后顺序进行排列，并采用所述数据处理器调用变形量曲线绘制模块绘制出所述相对重力观测点的变形量随时间t变化的曲线,获取相对重力观测点变形量曲线，其中，当所述相对重力观测点的变形量随时间t变化的曲线连续时，说明所述相对重力观测点的变形量为稳定变形；当所述相对重力观测点的变形量随时间t变化的曲线趋近于一条直线时，说明所述相对重力观测点的变形已稳定；

步骤602、当所述相对重力观测点的变形量随时间t变化的曲线趋近于一条直线时，采用所述数据处理器获取所述相对重力观测点变形量曲线中的最终变形量，则所述最终变形量为所述相对重力观测点的稳定变形量；

步骤603、多次重复步骤601至步骤602，直至获取多个所述相对重力观测点的相对重力观测点变形量曲线及稳定变形量。

本实施例中，步骤四中所述采样周期T的取值范围为12h～24h。

本实施例中，所述数据处理器为计算机。

本实施例中，步骤一中相邻两个所述相对重力仪观测点的水平间距为0.2km～1km。

综上所述，本发明方法步骤简单、设计合理且成本低，使用操作简便，利用布格重力异常能准确地对矿山采空区的变形量进行监测，监测结果准确，且根据矿山采空区的变形量对矿山采空区的稳定性进行评估，获取矿山采空区的稳定变形量，实用性强。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。