矿山采空区地表重力异常效应分析

发布时间：2020-08-22 15:01

【摘要】：煤炭资源开采所形成的大范围地下采空区是影响煤矿生产和工程建设的安全隐患,其有效探测和稳定性评价是学术界研究的重要课题。地下采空区的“空洞”效应会导致重力场发生变化,通过地表重力测量可揭示采空区的演变特征,但长期以来,这种重力异常效应因量级较小而被多数学者所忽视。本文从高精度重力测量实验入手,采用数值模拟和实验验证的方法分析采空区地表重力异常效应,探索基于重力异常数据反演采空区稳定性的技术途径。主要研究内容及结果如下:(1)基于布格重力异常理论结合概率积分法预计模型,根据有限元计算思路构建采空区地表重力异常正演模型,模拟分析采空区地表重力异常分布特征。结果表明:采空区地表的重力异常场呈对称状分布在空洞的正上方,一般采矿条件下采空区所引起的重力异常效应约为50uGal～450uGal;地表重力异常峰值与采宽、采高均呈线性正相关,与开采深度呈非线性负相关。(2)采用CG-5型重力仪进行重力测量实验,分析高精度重力数据的可靠性。实验结果表明:该重力仪的静态观测精度可以达到±5uGal,动态观测精度可以达到±3.5uGal;对重力测量数据经过滤波处理和统一归化后,归化残差在±lOuGal范围内,远小于采空区地表重力异常的最小峰值,说明采用CG-5型高精度重力仪可以观测到采空区地表重力场的微小变化。(3)采用紧致差分格式构建矿山采空区地表重力异常反演模型,分析测量误差对反演采空区边界位置的影响。通过数值模拟发现:在随机误差不超过±15uG土时,可以较准确地反演采空区空洞的边界位置。(4)通过地下空洞重力探测实验,验证本文反演模型的有效性。实验结果表明:高精度重力测量仪(如CG-5)的观测精度及可靠性能够满足反演模型对重力测量数据的精度要求。研究结果为利用重力异常数据反演采空区演变及地表长期稳定性提供了新的技术途径。
【学位授予单位】：西安科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TD325.3
【图文】：

技术路线图,重力异常,重力测量,采空区稳定性

西安科技大学硕士学位论文性，探索基于重力异常数据反演采空区稳定性的技术途径，为利用重力数据探测矿山采空区残留空洞的空间位置，反演采空区演变及其地表稳定性提供参考依据。针对研究目标，本文以西安科技大学新购的 CG-5 型重力测量仪为依托，以矿山采空区开采沉陷理论和重力测量学的相关知识为基础，有效结合概率积分法开采沉陷预计模型和重力异常正演模型，围绕矿山采空区地表重力异常效应展开研究。主要研究内容包括：(1)基于布格重力异常理论结合概率积分法预计模型，构建采空区地表重力异常正演模型，模拟分析采空区地表重力异常分布规律；(2)以 CG-5 型高精度重力测量仪为例进行重力测量实验，分析现有高精度重力测量仪的测量精度及其数据的可靠性；(3)构建采空区地表重力异常反演模型，分析重力异常数据误差的大小对采空区边界反演的影响，验证在现有重力测量精度条件下，本文所构建的地表重力异常反演模型的有效性，探索基于重力异常数据反演采空区稳定性的技术途径。根据上述研究内容，本文的技术路线如图 1.1 所示。

铅垂,薄片,物质,重力异常

图 2.1 多边形铅垂物质薄片图点处所引起的重力异常为： g G S d 其中 32 2 2 2=d dS 薄片，用一个 n 边多边形来逼近其横截面的形状。设多边、(ε2，η2, 2)、……、(εk，ηk, k)、……、(εn，ηn, n)则 S(εj)可以 11 1302 2 2 212 2 2 2 21 1=kkk kk knjkjn nk kj jdS dd d 第 k 边的直线方程为：=k k C D1 1 1,k k k k k kk kC D

示意图,三维形体,水平面,示意图

图 2.2 水平面切割三维形体示意图图 2.3 水平物质薄片将以上关系代入式（2.7）中，对于 PBC 有 1111 12 2221 12 2 2 2 22 212 22 2112 2 1 2( ) ( )sinsin( )coscos( )cos1cos c( ) sin sin( )kkkkkkjj k kkjjk kk j jjk jk kjk jj k jk kk jdSddarc arc 2 2 1 2os( )kk j （2.8）故整个多边形引起的重力异常值为：

【参考文献】