本發(fā)明屬于礦山安全技術(shù)領(lǐng)域，涉及地表沉陷預(yù)測(cè)技術(shù)，特別針對(duì)覆巖離層動(dòng)態(tài)發(fā)展對(duì)地表沉陷的影響，提出一種基于覆巖離層動(dòng)態(tài)發(fā)展的地表沉陷動(dòng)態(tài)過(guò)程的展現(xiàn)方法。

背景技術(shù)：

隨著煤礦開(kāi)采規(guī)模的不斷增加，礦區(qū)開(kāi)采沉陷帶來(lái)的損害日趨加劇，地表沉陷將導(dǎo)致耕地破壞，建(構(gòu))筑物受損甚至垮塌等，嚴(yán)重影響了人們的安全生產(chǎn)和正常生活，是一種嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象，其造成的后果已經(jīng)成為社會(huì)焦點(diǎn)問(wèn)題，嚴(yán)重威脅社會(huì)的和諧穩(wěn)定。

影響地表沉陷的因素很多，如開(kāi)采厚度、開(kāi)采深度、覆巖性質(zhì)等，這些因素多為自然因素和人為因素。除了上述因素外，還存在著一種介質(zhì)因素，對(duì)地表沉陷有著非常大的影響，就是離層，離層的發(fā)育狀態(tài)在一定程度上決定著地表沉陷的大小，如離層發(fā)育的高度、寬度等。地表沉陷是一種由漸變到突變，再由突變到漸變的動(dòng)態(tài)過(guò)程，覆巖離層的演對(duì)地表沉陷起著重要作用，但是由于現(xiàn)有技術(shù)的不足，無(wú)法精確還原覆巖離層的演化過(guò)程，造成沉陷與離層的對(duì)應(yīng)關(guān)系不明確，通過(guò)將地表沉陷過(guò)程與離層演化過(guò)程相結(jié)合，對(duì)提高安全生產(chǎn)具有重要意義,因此，對(duì)于探究覆巖離層發(fā)生、發(fā)展、演化的過(guò)程十分重要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于探究覆巖離層發(fā)生、發(fā)展、演化的一般力學(xué)行為，并將地表沉陷過(guò)程與離層演化過(guò)程相結(jié)合，旨在建立地表沉陷依賴(lài)離層演化的模型，為安全生產(chǎn)提供參考。

本發(fā)明是采用以下的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種基于覆巖離層動(dòng)態(tài)發(fā)展的地表沉陷動(dòng)態(tài)過(guò)程的展現(xiàn)方法，包括以下步驟：

步驟S1、對(duì)覆巖離層的產(chǎn)生進(jìn)行力學(xué)分析；

步驟S2、建立離層發(fā)育空間位置圖；

步驟S3、基于簡(jiǎn)支梁的覆巖移動(dòng)模型，建立上覆巖層的撓度曲線微分方程；

步驟S4、建立采動(dòng)覆巖沉陷模型并將其可視化。

進(jìn)一步的，所述步驟S4中基于3DMAX實(shí)現(xiàn)采動(dòng)覆巖離層動(dòng)畫(huà)展現(xiàn)，包括以下步驟：

步驟S41、利用RFPA軟件確定離層的產(chǎn)生；

步驟S42、各巖層的下沉撓度曲線計(jì)算；

步驟S43、采動(dòng)覆巖模型形態(tài)生成、修改及輸出；

步驟S44、圖像制作與選??；

步驟S45、虛擬采動(dòng)覆巖沉陷動(dòng)畫(huà)。

進(jìn)一步的，所述步驟S41確定離層產(chǎn)生具體包括以下步驟：

步驟S411、統(tǒng)計(jì)各巖層的物理力學(xué)參數(shù)，包括巖性、巖層厚度、泊松比、密度、內(nèi)摩擦角、粘聚力、彈性模量、抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度；

步驟S412、將上述參數(shù)輸入RFPA軟件中，確定模型尺寸：模型的長(zhǎng)度為煤層采寬的2倍，模型左右邊界為水平約束，模型上邊界為自由端，模型下邊界同時(shí)作用水平約束和豎直約束；

步驟S413、根據(jù)離層產(chǎn)生的力學(xué)條件，判斷離層產(chǎn)生與否；

步驟S414、若離層產(chǎn)生，則輸出離層產(chǎn)生的位置、長(zhǎng)度和斷裂角；否則執(zhí)行步驟S412。

進(jìn)一步的，所述步驟S42中，根據(jù)上覆巖層的撓度曲線微分方程，獲得離層上覆巖層的下沉撓度曲線微分方程。

進(jìn)一步的，所述步驟S43中包括以下步驟：步驟S431中：根據(jù)每個(gè)地層的組成、物理力學(xué)性能構(gòu)建不同地層模型，利用單元集成軟件將各個(gè)地層獨(dú)立集成化，按照實(shí)際情況將各個(gè)地層按順序疊放；步驟S432：布置攝影機(jī)；步驟S433：設(shè)置燈光；步驟S434：選擇背景。

進(jìn)一步的，所述步驟S44包括：

步驟S441：引入一張具有離層數(shù)據(jù)信息的地層圖像，利用材質(zhì)編輯程序?qū)㈦x層的數(shù)據(jù)信息映射至受開(kāi)采沉陷影響的地層中；

步驟S442：捕捉離層圖像的數(shù)據(jù)信息，利用線性樣條線程序，將之與原地層的離層圖像的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行進(jìn)一步的匹配設(shè)置；進(jìn)一步處理樣條線圖像數(shù)據(jù)，即在數(shù)據(jù)中添加深度的設(shè)置，使其成為一個(gè)參數(shù)化數(shù)據(jù)模型，并將其設(shè)置成具有一定的厚度的弧狀模型；

步驟S443：不斷改變開(kāi)采隧道的長(zhǎng)度，不斷對(duì)各個(gè)地層進(jìn)行變形計(jì)算處理，得到更多的地層變形模型，依次得到煤層開(kāi)采過(guò)程中離層演化過(guò)程中的各個(gè)關(guān)鍵圖；

步驟S444：利用聯(lián)結(jié)工具將2D點(diǎn)形態(tài)轉(zhuǎn)化為2D曲線形態(tài)，把形成的二維曲線形態(tài)用彎曲、線框、光滑網(wǎng)格物體、拉伸、自由變換和編輯網(wǎng)格物體等修改工具加以修飾，最終各幀圖像組合在一起形成了采動(dòng)覆巖沉陷模型的可視化。

進(jìn)一步的，所述步驟S413中，離層產(chǎn)生的力學(xué)條件為：弱面上的剪應(yīng)力τ大于弱面的抗剪強(qiáng)度S_s，并且下位巖層的抗彎剛度小于上位巖層的抗彎剛度時(shí)，弱面受剪破裂，離層開(kāi)始產(chǎn)生；反之，離層不產(chǎn)生。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果在于：本發(fā)明通過(guò)探究覆巖離層發(fā)生、發(fā)展、演化的一般力學(xué)行為，并將地表沉陷過(guò)程與離層演化過(guò)程相結(jié)合，通過(guò)建立地表沉陷依賴(lài)離層演化的模型，精確還原覆巖離層的演化過(guò)程，明確造成沉陷與離層的對(duì)應(yīng)關(guān)系，為安全生產(chǎn)提供指導(dǎo)。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例離層產(chǎn)生的力學(xué)模型，其中(1)為層間剪裂模型，(2)為層間拉裂模型；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例離層發(fā)育的空間位置圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例簡(jiǎn)支梁的覆巖移動(dòng)模型；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例所述基于覆巖離層動(dòng)態(tài)發(fā)展的地表沉陷動(dòng)態(tài)過(guò)程展現(xiàn)方法流程圖；

圖5為圖4中步驟S4具體實(shí)現(xiàn)方法的流程圖；

圖6為圖5中步驟S41具體實(shí)現(xiàn)方法的流程圖；

圖7為圖4中步驟S43中采動(dòng)覆巖離層模型構(gòu)建流程圖。

具體實(shí)施方式

為了能夠更加清楚地理解本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)，下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。

基于覆巖離層動(dòng)態(tài)發(fā)展的地表沉陷動(dòng)態(tài)過(guò)程的展現(xiàn)方法，參考圖4，包括以下步驟：步驟S1、對(duì)覆巖離層的產(chǎn)生進(jìn)行力學(xué)分析；步驟S2、建立離層發(fā)育空間位置圖；步驟S3、基于簡(jiǎn)支梁的覆巖移動(dòng)模型，建立上覆巖層的撓度曲線微分方程；步驟S4、建立采動(dòng)覆巖沉陷模型并將其可視化，具體的：

1、覆巖離層產(chǎn)生機(jī)理的力學(xué)分析

離層產(chǎn)生的實(shí)質(zhì)就是層間弱面的開(kāi)裂，弱面的力學(xué)性質(zhì)較巖層有很大的差異，在組合梁彎曲下沉過(guò)程中，對(duì)應(yīng)力的變化非常敏感，往往在組合梁未發(fā)生斷裂前就有離層產(chǎn)生。離層的產(chǎn)生包含兩種力學(xué)模型，一是層間剪裂；二是層間拉裂，如圖1所示，(P₁和P₂分別為層間橫向作用力，P₁’和P₂’為層間縱向作用力)。

在巖層整體彎曲下沉過(guò)程中，層間弱面上產(chǎn)生了逐漸增大的剪應(yīng)力，大小為：式中，Q為組合梁橫截面的剪力；I_z為橫截面對(duì)中性軸的慣性矩；d為弱面到組合梁中性軸的距離；h為下位離層的高度。

層間弱面的抗剪強(qiáng)度S_s為：S_s＝C+σtanφ，式中，C為弱面的粘聚力；σ為弱面的法向應(yīng)力；φ為弱面的內(nèi)摩擦角。

隨著組合梁層間弱面上剪力的逐漸增加，當(dāng)弱面上的剪應(yīng)力τ小于弱面的抗剪強(qiáng)度S_s時(shí)，離層不會(huì)產(chǎn)生；當(dāng)弱面上的剪應(yīng)力τ大于弱面的抗剪強(qiáng)度S_s，并且下位巖層的抗彎剛度小于上位巖層的抗彎剛度時(shí)，弱面受剪破裂，離層開(kāi)始產(chǎn)生。

在弱面受剪破裂后將不再承受組合梁的剪應(yīng)力，此后，層間弱面在下位巖層的自重應(yīng)力作用下得到擴(kuò)展，下位巖層的自重應(yīng)力稱(chēng)為弱面的拉應(yīng)力，大小為：σ_t＝γ_dh_d，式中，γ_d為下位巖層的容重；h_d為下位巖層的厚度。

當(dāng)弱面的拉應(yīng)力σ_t小于弱面的抗拉強(qiáng)度S_t時(shí)，離層不擴(kuò)展；當(dāng)弱面的拉應(yīng)力σ_t大于弱面的抗拉強(qiáng)度S_t，并且下位巖層的抗彎剛度小于上位巖層的抗彎剛度時(shí)，弱面受拉破裂，離層開(kāi)始擴(kuò)展。

2、離層發(fā)育的空間位置

隨著離層空間層位向上發(fā)展，地表向下繼續(xù)沉降，隨著離層空間橫向發(fā)展，地表沉陷盆地不斷擴(kuò)張，所以離層具有空間層位演化和橫向擴(kuò)展規(guī)律，因此建立離層發(fā)育的空間位置圖，可以獲取采動(dòng)覆巖離層演化過(guò)程的關(guān)鍵位置數(shù)據(jù)，用以進(jìn)行情景構(gòu)建工作，如圖2所示，其中，A為地表沉降，B為開(kāi)采推進(jìn)方向，1為離層，ψ為斷裂角。

3、上覆巖層的撓度曲線微分方程

當(dāng)有離層產(chǎn)生時(shí)，將相鄰離層間的巖層視為簡(jiǎn)支梁，如圖3所示，X軸、W軸方向如圖所示，2為地表沉陷盆地，3為簡(jiǎn)支梁，根據(jù)彈性力學(xué)和材料力學(xué)，可得上覆巖層的撓度曲線微分方程為：

S＝L-hcotψ

式中，E為簡(jiǎn)支梁的彈性模量；I為簡(jiǎn)支梁的慣性矩；W為簡(jiǎn)支梁的撓度；q為簡(jiǎn)支梁的均布荷載；S為簡(jiǎn)支梁的長(zhǎng)度的一半；L為工作面采寬的一半；h為下位離層的高度；簡(jiǎn)支梁受到彈性基礎(chǔ)的反力；ψ為斷裂角。

式中，E'為煤層和簡(jiǎn)支梁下巖層的綜合彈性模量，E_i、h_i為簡(jiǎn)支梁下第i層巖層的彈性模量和厚度。

邊界條件規(guī)定如下：

當(dāng)x＝0時(shí)，

當(dāng)x→±∞時(shí)，W→0，近而，可計(jì)算相鄰兩巖層的撓度曲線微分方程，由方程計(jì)算得到相鄰兩巖層的沉降，兩相鄰巖層之間的沉降差即為離層發(fā)展的寬度，進(jìn)而可得到全部離層的寬度。由采空區(qū)高度減去全部離層的總寬度即為地表沉降的大小。

以上通過(guò)力學(xué)計(jì)算，可得到采動(dòng)覆巖離層演化的各種數(shù)據(jù)參數(shù)，從而可以進(jìn)行數(shù)據(jù)模型的構(gòu)建，進(jìn)而模擬采動(dòng)覆巖離層的演化過(guò)程，進(jìn)行情景構(gòu)建及動(dòng)態(tài)過(guò)程展現(xiàn)。

4、基于3D MAX的采動(dòng)覆巖沉陷模型及可視化過(guò)程：

如圖5所示，所述采動(dòng)覆巖動(dòng)畫(huà)的實(shí)現(xiàn)方法的步驟如下：

步驟S41：利用RFPA軟件確定離層的產(chǎn)生；

步驟S42：各巖層的下沉撓度曲線計(jì)算；

步驟S43：模型形態(tài)生成、修改及輸出；

步驟S44：圖像制作與選??；

步驟S45：虛擬采動(dòng)覆巖沉陷動(dòng)畫(huà)。

其中，步驟S41具體包括：

(1)采集數(shù)據(jù)，包括各巖層的物理力學(xué)參數(shù)，包括巖性、巖層厚度、泊松比、密度、內(nèi)摩擦角、粘聚力、彈性模量、抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度；

(2)確定模型尺寸：模型的長(zhǎng)度為煤層采寬的2倍，模型左右邊界為水平約束，模型上邊界為自由端，模型下邊界同時(shí)作用水平約束和豎直約束；

(3)判斷離層產(chǎn)生與否：將以上各數(shù)據(jù)輸入到RFPA軟件中，由于離層產(chǎn)生于相鄰巖層之間，隨著工作面的不斷推進(jìn)，上覆巖層應(yīng)力重新分布，當(dāng)相鄰巖層之間滿足離層產(chǎn)生的力學(xué)條件時(shí)(當(dāng)弱面上的剪應(yīng)力τ小于弱面的抗剪強(qiáng)度S_s時(shí)，離層不會(huì)產(chǎn)生；當(dāng)弱面上的剪應(yīng)力τ大于弱面的抗剪強(qiáng)度S_s，并且下位巖層的抗彎剛度小于上位巖層的抗彎剛度時(shí)，弱面受剪破裂，離層開(kāi)始產(chǎn)生)，離層在此處產(chǎn)生，由RFPA軟件可確定出離層產(chǎn)生的位置、長(zhǎng)度和斷裂角。其流程圖如圖6所示。

步驟S42中：根據(jù)上覆巖層撓度曲線微分方程的計(jì)算公式，依次輸入各巖層的彈性模量E、各巖層的厚度h、各巖層的容重γ、各巖層的慣性矩I、斷裂角ψ、煤層的開(kāi)采距離2L，即可輸出離層上覆巖層的下沉撓度曲線微分方程。

步驟S43中：對(duì)采動(dòng)覆巖離層模型構(gòu)建，由于每個(gè)地層的組成、物理力學(xué)性能等各不相同，利用材質(zhì)編輯程序基于組成及抗彎剛度分別構(gòu)建不同地層模型，然后利用單元集成軟件將各個(gè)地層獨(dú)立集成化，按照實(shí)際情況將各個(gè)地層按順序疊放，流程圖如圖7。然后再布置攝影機(jī)、設(shè)置燈光和選擇背景等步驟的操作。其中，布置攝影機(jī)包括：在命令面板中單擊目標(biāo)攝影機(jī)面板,從而在頂視圖中建立目標(biāo)攝影機(jī),調(diào)節(jié)目標(biāo)攝影機(jī)使其成透視角度察看，從透視圖中視圖菜單選擇目標(biāo)攝影機(jī)視圖,適當(dāng)調(diào)整目標(biāo)攝影機(jī),使其攝影機(jī)鏡頭為55mm,以確定視圖角度；設(shè)置燈光步驟包括：在命令面板中選擇燈光面板,在頂視圖中離層的正前方建立一個(gè)泛光燈,在前視圖中抬高泛光燈,使光線由前上方照下,再進(jìn)入修改命令面板,調(diào)節(jié)光線的顏色為純白色。選擇攝影機(jī)視圖,進(jìn)行渲染觀看光強(qiáng)弱,并反復(fù)調(diào)節(jié)泛光燈的強(qiáng)度,直到滿意為止。之后,在頂視圖中各地層的后方再建立一個(gè)泛光燈,調(diào)弱泛光燈的強(qiáng)度,把陰暗面照亮；選擇背景步驟包括：在渲染下拉菜單中選擇環(huán)境選項(xiàng),在彈出的顏色控制面板中選擇淺灰色為動(dòng)畫(huà)背景。

步驟S44中，當(dāng)L為1的整數(shù)倍(單位：m)時(shí)為一個(gè)開(kāi)挖步并在3D MAX里輸出一幀圖像。在圖像的制作時(shí)，以初始巖層的位置為參照點(diǎn)，依據(jù)上一步的結(jié)果輸入各巖層點(diǎn)的下沉值，點(diǎn)的選取以W軸為基準(zhǔn)向左向右分別取1的整數(shù)倍(單位：m)且位于各巖層層面處。具體的，包括以下步驟：

步驟S441：引入一張具有離層數(shù)據(jù)信息的地層圖像，利用材質(zhì)編輯程序?qū)㈦x層的數(shù)據(jù)信息映射至受開(kāi)采沉陷影響的地層中；

步驟S442：捕捉離層圖像的數(shù)據(jù)信息，利用線性樣條線程序，將之與原地層的離層圖像的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行進(jìn)一步的匹配設(shè)置；進(jìn)一步處理樣條線圖像數(shù)據(jù)，即在數(shù)據(jù)中添加深度的設(shè)置，使其成為一個(gè)參數(shù)化數(shù)據(jù)模型，并將其設(shè)置成具有一定的厚度的弧狀模型；

步驟S443：最后不斷改變開(kāi)采隧道的長(zhǎng)度，不斷對(duì)各個(gè)地層進(jìn)行變形計(jì)算處理，得到更多的地層變形模型，依次得到煤層開(kāi)采過(guò)程中離層演化過(guò)程中的各個(gè)關(guān)鍵圖。

步驟S444：利用聯(lián)結(jié)工具將2D點(diǎn)形態(tài)轉(zhuǎn)化為2D曲線形態(tài)，把形成的二維曲線形態(tài)用彎曲、線框、光滑網(wǎng)格物體、拉伸、自由變換和編輯網(wǎng)格物體等修改工具加以修飾。將修改過(guò)的模型形態(tài)進(jìn)行材質(zhì)和燈光的修飾和逼真，最后按*.JPG格式輸出為一幀圖像，最終各幀圖像組合在一起形成了采動(dòng)覆巖沉陷模型的可視化。各個(gè)關(guān)鍵圖如下圖7：

其中，步驟S45：虛擬采動(dòng)覆巖沉陷動(dòng)畫(huà)，通過(guò)以下步驟實(shí)現(xiàn)：

步驟S451：通過(guò)時(shí)間控制按鈕,選擇電視標(biāo)準(zhǔn)制式,在時(shí)間顯示模式中選擇當(dāng)前幀數(shù)標(biāo)記時(shí)間。在播放控制面板中選擇實(shí)時(shí)選項(xiàng),在動(dòng)畫(huà)開(kāi)始時(shí)間處輸入0，長(zhǎng)度處輸入400，作為本動(dòng)畫(huà)的最長(zhǎng)幀數(shù),結(jié)束時(shí)間輸入400,在步幅中勾取選中對(duì)象；

步驟S452：將動(dòng)畫(huà)幀數(shù)拖至0幀，將尾選取的各個(gè)階段的各個(gè)圖片一幀一幀地、依次插入時(shí)間軸，注意關(guān)鍵幀的處置；

步驟S453：點(diǎn)擊渲染場(chǎng)景按鈕,在輸出時(shí)間中選擇范圍為0～300幀,在輸出尺寸上選擇分辨率為800×600。單擊輸出文件按鈕,在文件類(lèi)型的下拉菜單中選擇文件格式；

步驟S454：選擇攝影機(jī)視圖并渲染，最終實(shí)現(xiàn)了基于離層動(dòng)態(tài)發(fā)展與地表沉陷動(dòng)態(tài)過(guò)程的關(guān)系的情景構(gòu)建。

以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非是對(duì)本發(fā)明作其它形式的限制，任何熟悉本專(zhuān)業(yè)的技術(shù)人員可能利用上述揭示的技術(shù)內(nèi)容加以變更或改型為等同變化的等效實(shí)施例應(yīng)用于其它領(lǐng)域，但是凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所作的任何簡(jiǎn)單修改、等同變化與改型，仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的保護(hù)范圍。