(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210525811.8 (22)申请日 2022.05.16 (71)申请人 东北大学 地址 110819 辽宁省沈阳市和平区文化路3 号巷11号 (72)发明人 杨天鸿　刘一龙　马凯　赵永　 孙东东　高源　李金多　刘洋　 (74)专利代理 机构 沈阳东大知识产权代理有限 公司 21109 专利代理师 徐湘辉 (51)Int.Cl. G06F 30/20(2020.01) G06F 30/13(2020.01) G06Q 50/02(2012.01) G01C 5/00(2006.01)E21C 41/18(2006.01) G06F 111/10(2020.01) (54)发明名称 基于数值模拟与地表沉降监测的多煤层开 采类型识别方法 (57)摘要 本发明提供了基于数值模拟与地表沉降监 测的多煤层开采类型识别方法， 涉及采矿工程中 煤矿安全监测技术领域。 该方法不需要布置昂贵 的地下微震监测系统监测层间主关键层破断情 况， 也不需要布置复杂的地表监测点， 仅需利用 矿山井下已有的液压支架上的应力计设备与简 易的地表 沉降监测点布置， 即可通过对比二者发 生阶跃变化的时间以及分析地表岩层最大曲率 变化特征确定目标采区与其上部煤层形成的多 煤层开采类型。 本发明基于数值模拟与地表沉降 监测综合分析多煤层开采类型的方法比理论分 析更具有说服力， 可为类似地质条件的矿山提供 参考， 多煤层开采类型识别效果好， 且识别流程 简单。 权利要求书2页 说明书11页 附图4页 CN 115081182 A 2022.09.20 CN 115081182 A 1.基于数值模拟与地表沉降监测的多煤层开采类型识别方法， 其特征在于， 该方法包 括以下步骤： 步骤1： 从多煤层赋存煤矿选定目标采区， 根据对应的地质钻孔柱状表和主关键层需要 满足的特征确定煤层 间主关键层的层位； 在所述 目标采区上覆地表布置沉降监测点， 获取 所述目标采区开采过程中的地表沉降数据； 步骤2： 根据对应的地质钻孔柱状表和矿山生产部门编制的回采地质说明书建立目标 采区的数值模型， 对数值模型中的主关键层与地表岩层均布置沉降监测 点， 通过数值模拟 软件模拟目标采区的开采过程， 获取目标采区数值模型中每一开采步的沉降监测点的沉降 数据； 步骤3： 根据经验公式初步计算目标采区的上部煤层开采形成的底板破坏深度以及目 标采区所在煤层开采形成的垮落带高度、 导水裂隙带高度， 再根据多煤层开采的安全开采 比初步推测目标采区与其上部 煤层构成的多煤层开采类型； 步骤4： 通过对比目标采区的地表沉降监测点实测数据与数值模拟中得到的地表岩层 沉降监测点数据， 不断修正目标采区的数值模型网格尺寸直至数值模拟得到的沉降特征与 实测的沉降特 征匹配度达 到最优， 获得 数值模型最优参数； 步骤5： 依据数值模型中的目标采区所在煤层开采引起的覆岩裂隙发育高度， 进一步验 证目标采区与其上部 煤层构成的多煤层开采类型； 步骤6： 从所述多煤层赋存煤矿选择其他采区作为新的目标采区， 使用步骤4获得的数 值模型最优参数， 按照步骤2至步骤3的方法建立该采区的数值模型并初步推测该采区与其 上部煤层构成的多煤层开采类型； 步骤7： 重复执 行步骤6， 直至推测出三种不同的多煤层开采类型； 步骤8： 通过数值模拟过程， 对初步推测出的三种不同多煤层开采类型分别对应的目标 采区的数值模型中的沉降监测点的数据进 行分析， 获得与每一目标采区对应的最大沉降值 增量变化特 征和地表岩层最大曲率变化特 征； 步骤9： 根据从三种多煤层开采类型的数值模拟过程获得的其各自对应的最大沉降值 增量变化特征以及地表岩层最大曲率变化特征， 总 结出多煤层开采类型 的区分标准， 以用 于多煤层开采类型的识别。 2.根据权利要求1所述的基于数值模拟与地表沉降监测的多煤层开采类型识别方法， 其特征在于， 所述主关键层需要满足的特征包括： ①几何特征： 主关键层的厚度大； ②岩性 特性： 相比较于其它岩层， 主关键层强度高、 弹性模量大； ③变形特征： 在主关键层下沉变形 时， 其上覆全部或部 分岩层的下沉变形与它是同步的； ④破断特征： 主关键层的破断导致其 上覆全部或部分岩层的破断， 引起大 范围内的岩层移动、 变形。 3.根据权利要求1所述的基于数值模拟与地表沉降监测的多煤层开采类型识别方法， 其特征在于， 所述在目标采区上覆地表布置沉降监测 点的方式为： 平行于煤层走向布置地 表沉降监测线， 地表沉降监测线由等间距的地表沉降监测点组成。 4.根据权利要求1所述的基于数值模拟与地表沉降监测的多煤层开采类型识别方法， 其特征在于， 所述 步骤2进一 步包括以下步骤： 步骤2.1： 根据地质钻孔柱状表中记录的地层分布及地层厚度信息， 通过建模软件建立 目标采区的地质模型；权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115081182 A 2步骤2.2： 将目标采区的地质模型导入到数值模拟软件中建立目标采区的数值模型， 在 目标采区的数值模型中的主关键层上与地表岩层上均布置沉降监测点； 步骤2.3： 将回采地质说明书中的各个地层的岩石力学参数赋值给数值模型中的相应 地层， 选择岩石本构关系与破坏准则， 建立 边界条件与自重条件； 步骤2.4： 按照回采地质说明书确定数值模拟中目标采区的初始开采位置、 停采位置、 采区的走向长度、 倾向长度以及开采步长； 步骤2.5： 通过数值模拟软件模拟煤层开采过程， 获取数值模型中每一开采步中的沉降 监测点的沉降数据。 5.根据权利要求1所述的基于数值模拟与地表沉降监测的多煤层开采类型识别方法， 其特征在于， 所述多煤层开采的安全开采比指的是煤层间距与上下煤层破坏带高度之和的 比值。 6.根据权利要求5所述的基于数值模拟与地表沉降监测的多煤层开采类型识别方法， 其特征在于， 所述根据多煤层开采的安全开采比初步推测目标采区与其上部煤层构成的多 煤层开采类型的方法为： 当煤层间距D不大于上部煤层底板的破坏深度Hfl与下部煤层垮落带的高度HC之和时即 D≤HC+Hfl， 以r1代表此时的多煤层开采的安全开采比， 根据式(1)可知r1≤1， 将多煤层开采 类型初步推测为近距离多煤层开采； 当煤层间距D大于上部煤层底板的破坏深度Hfl与下部 煤层垮落带的高度HC之和， 且不大于上部煤层底板的破坏深度Hfl与下部煤层的导水裂隙带 高度Hfr之和时即HC+Hfl＜D≤Hfr+Hfl， 以r2代表此时 的多煤层开采的安全开采比， 根据式(2) 可知r2≤1， 将多煤层开采类型初步推测为中距离多煤层开采； 当煤层间距大于上部煤层底 板的破坏深度Hfl与下部煤层的导水裂隙带高度Hfr之和时即D＞Hfr+Hfl， 根据式(2)可知 r2＞ 1， 将多煤层开采类型初步推测为远距离多煤层开采： 7.根据权利要求1所述的基于数值模拟与地表沉降监测的多煤层开采类型识别方法， 其特征在于， 所述多煤层开采类型 的区分标准为： 将工作面顶板来压阶跃时刻与地表最大 沉降值增量阶跃时刻 进行比较， 若地表最大沉降值增量阶跃时刻晚于工作面顶板来压阶跃 时刻， 且阶跃点与拐点时的最大沉降值增量之差占最大沉降值增量峰值的50％及以上， 则 可判断煤层采动引起的岩层移动进入充分采动阶段； 岩层移动进入充分采动阶段后， 通过 在目标采区地表布置的沉降监测线数据得出： 若地表岩层最大曲率变化 曲线呈稳定趋势， 可归类为远距离多煤层开采； 若地表岩层最大曲率变化 曲线呈下降趋势， 则可归类为中距 离多煤层开采； 若地表岩层最大曲率变化曲线呈 上升趋势， 则可归类为近距离多煤层开采。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115081182 A 3