一种地下采煤矿山精确监测防治方法

技术领域

本申请涉及煤矿领域，尤其是涉及一种地下采煤矿山精确监测防治方法。

背景技术

煤矿资源作为人类生存不可或缺的物质条件，对社会发展起着重要的基础性作用。中国的煤炭资源总量大约是五万亿吨，每年中国煤炭资源的消耗量是四十亿吨，由此可见，中国是世界上的煤炭资源大国和煤炭消耗量大国。近年来，煤矿资源开发力度不断加强，煤矿山地质环境恶化带来的危害也日趋严重。煤矿山地质环境及相伴的地质灾害问题成为制约我国煤矿山发展的重大地质环境问题。

由于长时间、高强度的煤矿山开采，对地质环境造成了严重的破坏和影响。我国煤矿的开采大部分为地下开采，这不仅有诱发崩塌、滑坡、泥石流、地面塌陷等突变性地质灾害的可能，而且有诱发地面沉降、土壤荒漠化、水环境恶化等缓变性地质灾害的可能。初步统计，全国因采矿引起的塌陷有180多处，塌陷坑1600多个，塌陷面积约1150km

当前针对地下采煤矿山精确监测防治的研究，主要存在以下3个方面的问题：

1、对地形的获取不够精确和方便。目前常用的地形测绘方法面临着工作效率低，成图周期长，不能快速测图的紧迫问题。如航空摄影测量技术测绘小面积地形花费的人力物力成本高，精度上不能满足1∶500地形图的测量精度；GPS-RTK存在卫星限制、地物干扰、缺少多余观测、高程数据不准确等问题；三维激光扫描测图人工勾绘过程有局部地形精度损失且设备价格高技术难普及。

2、地下采煤矿山的变形预测不够精确。目前对于煤矿山数值模拟的研究中，利用其他第三方软件进行三维地质建模不够精确，这导致地下采煤矿山的变形预测不够精确。而SKUA GOCAD软件针对地质数据具有的不连续性、不确定性特点，采用离散光滑插值法，基于对目标体的离散化，用一系列具有物体的几何和物理特性的相互联结的节点模拟地质体，这使得后面建立的模型十分精确。

3、大部分研究对现有的数值模拟采用的是概化模型，三维数值计算模型一般采用简单概化，甚至多数情况只考虑单一的二维剖面进行模拟计算，难以反映真实矿山内部地质情况。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种地下采煤矿山精确监测防治方法解决了当前地下采煤矿山对地形获取不精确方便、对矿山变形预测不够精准以及难以对矿山建立精准模型的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种地下采煤矿山精确监测防治方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S1：利用无人机倾斜摄影技术采集煤矿山区域地质影像资料；

S2：将地质影像资料进行数据处理，利用三维建模软件获得区域三维模型；

S3：利用区域三维模型，分别制作现有采空区三维地质体和未来采空区三维地质体；

S4：根据现有采空区三维地质体和未来采空区三维地质体，分别制作现有采空区三维网格模型和未来采空区三维网格模型；

S5：对现有采空区三维网格模型和未来采空区三维网格模型分别进行分块赋参数，并分别构建现有采空区数值计算三维模型和未来采空区数值计算三维模型；

S6：对现有采空区数值计算三维模型和未来采空区数值计算三维模型进行模拟计算，分别获得天然状况下、地震状况下和暴雨状况下的现有采空区矿山稳定性结果，以及天然状况下、地震状况下和暴雨状况下的未来采空区矿山稳定性结果；

S7：根据天然状况下、地震状况下和暴雨状况下的现有采空区矿山稳定性结果，以及天然状况下、地震状况下和暴雨状况下的未来采空区矿山稳定性结果，分析得到推荐监测点、监测布置方案和防治措施建议。

上述方案的有益效果是：通过上述技术方案，将倾斜摄影技术，三维地质建模，三维数值模拟等技术结合在一起，构建综合的三维地质模型，并对模型进行数值模拟，为煤矿山的开采提供精确有效的监测防治方法。

进一步地，S1中利用无人机进行影像采集，通过编制任务计划，执行飞行任务，获得地质影像资料。

上述进一步方案的有益效果是：通过上述技术方案，利用无人机采集地质影像资料，能够精确获得地形数据，且该方法相比其他方式更加简单便捷。

进一步地，S2中包括以下步骤：

S2-1：根据地质影像资料，进行空中三角测量，获得影像的高精度外方位元素；

S2-2：对畸变校正后的倾斜影像和高精度的外方位元素通过多视影像密集匹配，获得高密度三维点云；

S2-3：根据高密度三维点云，过滤植被，并提取等高线，生成研究区等高线文件；

S2-4：将研究区等高线文件经处理后导出到三维建模软件中，获得地质影像资料线性模型；

S2-5：对地质影像资料线性模型分别进行限制和拟合，获得区域三维模型。

上述进一步方案的有益效果是：通过上述技术方案，对地质影像数据建立精确三维模型，便于对矿山进行准确分析。

进一步地，地质影像资料包括地形数据、剖面数据和采空区数据；所述区域三维模型包括精确地表模型、精确地质界面模型、现在采空区模型和未来采空区模型。

上述进一步方案的有益效果是：通过上述技术方案，对地形数据、剖面数据和采空区数据进行精确分析，从而建立精确模型。

进一步地，S2-4中包括以下步骤：

S2-4-1：根据地质影像资料数据，通过构建以及转换空间三维坐标系，建立线性地质影像资料的三维图形；

S2-4-2：将线性地质影像资料的三维图形转换为三维地质影像资料模型文件；

S2-4-3：将三维地质影像资料模型文件逐一导入至三维建模软件中，并利用离散光滑插值方法，使得原始数据点全部落在地层曲面上，分别获得地形线模型、剖面线模型、现有采空区模型和未来采空区模型。

上述进一步方案的有益效果是：通过上述技术方案，将地形数据、剖面数据、现有采空区数据和未来采空区数据的CAD文件导入建模软件中获得地形模型、剖面模型、现有采空区模型和未来采空区模型。

进一步地，S2-5中包括以下步骤：

S2-5-1：利用地形线模型，确定地形线中平面；

S2-5-2：利用地形线中平面，以地形线作为限制条件，进行多次拟合，获得精确地表模型；

S2-5-3：利用剖面线模型，确定剖面线中平面；

S2-5-4：利用剖面线中平面，以剖面线作为限制条件，进行多次拟合，获得精确地质界面模型。

上述进一步方案的有益效果是：通过上述技术方案，对地形线模型和剖面线模型进行处理得到精确地表模型和精确地质界面模型。

进一步地，S3中包括以下步骤：

S3-1：利用精确地表模型，改变属性值，建立底部面模型；

S3-2：根据精确地表模型和底部面模型，建立侧面和节点连接，构建侧面模型；

S3-3：根据精确地表模型、底部面模型、侧面模型、精确地质界面模型、现有采空区模型和未来采空区模型，分别制作现有采空区三维地质体和未来采空区三维地质体。

上述进一步方案的有益效果是：通过上述技术方案，根据精确地表模型、精确地质界面模型、现有采空区模型和未来采空区模型获得现有采空区三维地质体和未来采空区三维地质体。

进一步地，S6中包括以下步骤：

S6-1：根据煤矿山工程地质条件，并结合工程类比法和室内单轴抗压试验获得现有采空区三维网格模型物理力学参数和未来采空区三维网格模型物理力学参数；

S6-2：根据现有采空区三维网格模型物理力学参数和未来采空区三维网格模型物理力学参数，对现有采空区三维网格模型和未来采空区三维网格模型分别进行分块赋予确定的参数，获得现有采空区数值计算三维模型和未来采空区数值计算三维模型。

上述进一步方案的有益效果是：通过上述技术方案，对煤矿山地质条件进行处理，借助物理力学参数，获得采空区数值计算三维模型。

进一步地，S7中模拟计算包括以下步骤：

S7-1：对天然状况下现有采空区的数值计算三维模型进行数值模拟，获得天然状况下现有采空区的稳定性系数、塑性图、剪应变云图、位移云图和应力云图，并对其进行分析，获得天然状况下现有采空区的稳定性结果；

S7-2：对地震状况下现有采空区的数值计算三维模型进行数值模拟，获得地震状况下现有采空区的稳定性系数、塑性图、剪应变云图、位移云图和应力云图，并对其进行分析，获得地震状况下现有采空区的稳定性结果；

S7-3：对暴雨状况下现有采空区的数值计算三维模型进行数值模拟，获得暴雨状况下现有采空区的稳定性系数、塑性图、剪应变云图、位移云图和应力云图，并对其进行分析，获得暴雨状况下现有采空区的稳定性结果；

S7-4：对天然状况下未来采空区的数值计算三维模型进行数值模拟，获得天然状况下未来采空区的稳定性系数、塑性图、剪应变云图、位移云图和应力云图，并对其进行分析，获得天然状况下未来采空区的稳定性结果；

S7-5：对地震状况下未来采空区的数值计算三维模型进行数值模拟，获得地震状况下未来采空区的稳定性系数、塑性图、剪应变云图、位移云图和应力云图，并对其进行分析，获得地震状况下未来采空区的稳定性结果；

S7-6：对暴雨状况下未来采空区的数值计算三维模型进行数值模拟，获得暴雨状况下未来采空区的稳定性系数、塑性图、剪应变云图、位移云图和应力云图，并对其进行分析，获得暴雨状况下未来采空区的稳定性结果。

上述进一步方案的有益效果是：通过上述技术方案，根据采空区数值计算三维模型，分析得到不同情况下的采空区矿山的稳定性结果。

进一步地，S8中包括以下步骤：

S8-1：根据各种状况下的稳定性结果，分析不同状况下变形达到规定数值的点位，获得推荐监测点和矿山变形破坏规律；

S8-2：根据推荐监测点和矿山变形破坏规律，分析获得监测布置方案；

S8-3：根据推荐监测点，进行监测，获得推荐监测点数据；

S8-4：分析比对推荐监测点数据，得出防治措施建议。

上述进一步方案的有益效果是：通过上述技术方案，根据不同情况下矿山的稳定性结果，获得推荐监测点、监测布置方案以及防治措施建议。

附图说明

图1为一种地下采煤矿山精确监测防治方法流程图。

图2为获得区域三维模型的流程图。

图3为获得地形线模型、剖面线模型、现有采空区模型和未来采空区模型的流程图。

图4为获得精确地表模型和精确地质界面模型的流程图。

图5为制作现有采空区三维地质体和未来采空区三维地质体的流程图。

图6为构建现有采空区数值计算三维模型和未来采空区数值计算三维模型的流程图。

图7为获得不同状况下矿山稳定性结果的流程图。

图8为获得推荐监测点、检测布置方案和防治措施建议的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。

S1：利用无人机倾斜摄影技术采集煤矿山区域地质影像资料；

S2：将地质影像资料进行数据处理，利用三维建模软件获得区域三维模型；

S3：利用区域三维模型，分别制作现有采空区三维地质体和未来采空区三维地质体；

S4：根据现有采空区三维地质体和未来采空区三维地质体，分别制作现有采空区三维网格模型和未来采空区三维网格模型；

S5：对现有采空区三维网格模型和未来采空区三维网格模型分别进行分块赋参数，并分别构建现有采空区数值计算三维模型和未来采空区数值计算三维模型；

S6：对现有采空区数值计算三维模型和未来采空区数值计算三维模型进行模拟计算，分别获得天然状况下、地震状况下和暴雨状况下的现有采空区矿山稳定性结果，以及天然状况下、地震状况下和暴雨状况下的未来采空区矿山稳定性结果；

S7：根据天然状况下、地震状况下和暴雨状况下的现有采空区矿山稳定性结果，以及天然状况下、地震状况下和暴雨状况下的未来采空区矿山稳定性结果，分析得到推荐监测点、监测布置方案和防治措施建议。

除此之外，S1中利用无人机进行影像采集，通过编制任务计划，执行飞行任务，获得地质影像资料。

S2中包括以下步骤，如图2所示：

S2-1：根据地质影像资料，进行空中三角测量，获得影像的高精度外方位元素，本发明实施例中利用ContextCature软件进行测量；

S2-2：对畸变校正后的倾斜影像和高精度的外方位元素通过多视影像密集匹配，获得高密度三维点云；

S2-3：根据高密度三维点云，本实施例利用Lidar360过滤植被，并利用3DReshaper软件提取等高线，生成研究区等高线CAD文件；

S2-4：将地质影像资料生成的研究区等高线CAD文件，在Autocad中处理后以DXF文件的形式导出到SKUA-GOCAD中，获得地质影像资料线性模型；

S2-5：对地质影像资料线性模型分别进行限制和拟合，获得区域三维模型。

地质影像资料包括地形数据、剖面数据和采空区数据；所述区域三维模型包括精确地表模型、精确地质界面模型、现在采空区模型和未来采空区模型。

S2-4中包括以下步骤，如图3所示：

S2-4-1：利用Autocad软件分别将地质影像资料数据，通过构建以及转换空间三维坐标系，建立线性地质影像资料的CAD三维图形；

S2-4-2：将线性地质影像资料的CAD三维图形转换为三维地质影像资料模型DXF文件；

S2-4-3：将三维地质影像资料模型DXF文件逐一导入至GOCAD软件，并利用离散光滑插值方法，使得原始数据点全部落在地层曲面上，分别获得地形线模型、剖面线模型、现有采空区模型和未来采空区模型。

S2-5中包括以下步骤，如图4所示：

S2-5-1：利用地形线模型，确定地形线中平面；

S2-5-2：利用地形线中平面，以地形线作为限制条件，进行多次拟合，获得精确地表模型；

S2-5-3：利用剖面线模型，确定剖面线中平面；

S2-5-4：利用剖面线中平面，以剖面线作为限制条件，进行多次拟合，获得精确地质界面模型。

S3中包括以下步骤，如图5所示：

S3-1：利用精确地表模型，改变属性值，建立底部面模型；

S3-2：根据精确地表模型和底部面模型，建立侧面和节点连接，构建侧面模型；

S3-3：根据精确地表模型、底部面模型、侧面模型、精确地质界面模型、现有采空区模型和未来采空区模型，分别制作现有采空区三维地质体和未来采空区三维地质体。

S4中根据现有采空区三维地质体和未来采空区三维地质体，利用SGrid功能，分别建立现有采空区三维网格模型和未来采空区三维网格模型。

S5中将现有采空区三维网格模型数据和未来采空区三维网格模型数据分别导出为现有采空区Abaqus文件和未来采空区Abaqus文件，然后将现有采空区Abaqus文件和未来采空区Abaqus文件逐一导入至FLAC

S6中包括以下步骤，如图6所示：

S6-1：根据煤矿山工程地质条件，并结合工程类比法和室内单轴抗压试验获得现有采空区三维网格模型物理力学参数和未来采空区三维网格模型物理力学参数；

S6-2：根据现有采空区三维网格模型物理力学参数和未来采空区三维网格模型物理力学参数，利用FLAC

S7中模拟计算包括以下步骤，如图7所示：

S7-1：利用FLAC

S7-2：利用FLAC

S7-3：利用FLAC

S7-4：利用FLAC

S7-5：利用FLAC

S7-6：利用FLAC

S8中包括以下步骤，如图8所示：

S8-1：根据各种状况下的稳定性结果，分析不同状况下变形达到规定数值的点位，获得推荐监测点和矿山变形破坏规律；

S8-2：根据推荐监测点和矿山变形破坏规律，分析获得监测布置方案；

S8-3：根据推荐监测点，进行监测，获得推荐监测点数据；

S8-4：分析比对推荐监测点数据，得出防治措施建议。

在本发明的一个实施例中，主要利用无人机倾斜摄影技术获取目标区域的高精度倾斜模型并生成精确地形图，再结合目标区域的勘察及剖面数据和采空区数据，采用三维地质建模软件对目标区域进行三维地质建模，建立地形线和地层界线等模型，最后利用数值模拟的方法，对模型在开采后天然工况及暴雨、地震工况下进行模拟计算，明确矿山现在以及未来变形破坏显著区域，准确给出监测设备布置点位，给出科学安全的防治建议。

本发明提供了一种地下采煤矿山精确监测防治的方法。将倾斜摄影技术，三维地质建模，三维数值模拟等技术结合在一起，从局部到宏观，构建综合的三维地质模型，并对模型进行数值模拟，得到稳定性结果，进而准确的为煤矿山的开采提供精确的监测防治方法。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在发明的保护范围内。