本发明涉及到岩土工程地质灾害防治领域，具体为一种地下煤火燃空区三维形态演化模拟方法。
背景技术：
0、技术背景
1、地下煤火燃烧作为一种无规律且复杂的自然现象，其引发的燃空区形成过程和形态特征仍然是研究的难点。煤火燃烧所形成的燃空区通常呈现出极其不规则的形状，这对于理论模型的建立和预测带来了挑战。
2、尽管基于遥感技术的煤火研究在地表温度和形变监测方面已经取得了一定的成果，但这些研究多数局限于地表层面。实际上，地表的温度变化和形变情况往往能够在一定程度上反映出地下空间的特征，例如煤火燃烧形成的地下燃空区的三维形态特征等。然而，对于火区地表参数与地下燃空区之间的协同关系的研究还相对欠缺。
技术实现思路
1、针对现有技术存在的问题，本发明提供一种地下煤火燃空区三维形态演化模拟方法，通过反演和对比验证两种方法模拟地下煤火燃空区三维形态，描述燃空区的空间分布、几何结构特征及其演化规律，揭示燃空区三维形态演化及其与地表形变等要素的关系，为煤火的有效灭火与治理提供科学依据和技术支持。
2、为实现上述目的，本发明公开一种地下煤火燃空区三维形态演化模拟方法，步骤如下：
3、根据有明确记载发生地下煤火燃空的区域的资料，选取产生地下煤火燃空区的某段时间中的q幅sentinel-1a卫星影像数据，采用ds-insar技术提取研究区域的累计地表形变值；
4、并从地下煤火燃空区发生资料中获取该区域发生地下煤火的地层分布、地层参数、地表温度、三维温度场、火区基本情况信息；
5、通过地下煤火燃空区三维形态反演和对比验证两种方法模拟地下煤火燃空区三维形态，描述地下煤火燃空区的空间分布、几何结构特征及其演化规律；
6、其中，地下煤火燃空区三维形态反演方法包括：
7、a1、使用arcgis软件将累计地表形变值转换成栅格数据，根据栅格数据提取出地下煤火燃空区的累计地表形变等值线；
8、a2、利用地层分布、地层参数和累计地表形变等值线在rhino软件中建立初始地表不规则三维模型，并利用griddle软件将初始地表不规则三维模型导入flac3d软件，导入后保留地表不规则三维模型的几何特征和物理属性，使flac3d能够对煤火燃烧过程下的力学响应进行准确的数值模拟；
9、a3、根据资料记载的岩石力学参数随温度确立地层力学参数，同时计算地下煤火燃空区中各个岩层温度；
10、a4、由于不同区域的煤火燃烧温度不同，在构建的不规则地表模型上设定高温条件，根据高温对岩层的动态物理和力学特性的变化选取合适的力学参数：设置关于各个岩层参数的弱化系数，弱化系数随着温度的升高逐渐下降，通过逐步缩小弱化系数的方法逐渐降低各个岩层的力学参数，体现出岩层的力学参数因为高温逐渐降低；
11、a5、在重力和初始地应力的作用下岩层会引起地表和煤层上部顶板的沉降，即可将下降区域标定为塑性区域，即地下煤火的燃空区的不规则三维形态；
12、其中，对比验证方法包括：
13、b1、建立地下煤火燃空的区域未出现地下煤火燃烧的规则三维模型；
14、b2、在未出现地下煤火燃烧的规则三维模型中标注塑性区域信息，通过将塑性区域从出现地下煤火未燃烧前的三维规则模型移除，并对塑性区上方地层进行垮落模拟，并模拟出塑性区被移除后对应地表自然会产生形变，模拟煤层燃烧后地下煤火燃空区的形成；
15、将a5中记载的地下煤火燃空区的地表不规则三维模型与b2中记载的移除了塑性区域的地表三维模型进行对比验证，验证地下煤火燃空区三维形态反演结果的正确性；
16、进一步，采用ds-insar技术提取累计地表形变值，使用arcgis软件将矢量数据累计地表形变值转换成栅格数据，根据栅格数据提取累计地表形变等值线，步骤如下所示：
17、生成小基线干涉图集：从q幅sentinel-1a卫星影像数据中选择出超级主影像，将其余sentinel-1a卫星影像数据定义为辅影像，并将所有辅影像依据超级主影像配准并重新采样；在人工筛选保证时空基线网络中无孤立点的前提下，在相应软件中输入垂直基线和时间基线阈值，构建小基线干涉图集；
18、利用数字高程模型(digital elevation model，dem)模拟并去除地形贡献量；
19、shp识别：通过统计推断确定insar影像中相邻像元和中心像元之间的相似度，算法的识别精度直接影响后续参数估计的精度；
20、最优相位估计：ds的分辨率单元由多个独立的散射体组成，会导致时间失相干现象。因此，为提高干涉相位的信噪比和增加有效测量的密度，需在shp识别后，进行干涉相位优化处理；
21、ds点选取：根据原始干涉相与优化相之间的拟合优度作为优化相位质量的评价指标。将γtc值大于0.5的点选作为ds点，
22、拟合优度的计算公式为:
23、
24、其中，γtc表示拟合优度指数，亦称为时间相干性；是第m和n景sar影像构成的原始干涉相位，θm和θn是重构的优化相位；
25、地表形变速率反演：在stamps软件环境下，对提取的ds点进行3d相位解缠，并对轨道残余误差、大气延迟误差和dem误差进行估计与改正，最终利用最小二乘估计反演出ds点的地表形变速率信息；
26、提取累计地表形变等值线：提取每个ds点的累计地表形变值并将其导入arcgis软件，在arcgis中将将矢量数据累计地表形变值转换成栅格数据，通过arcgis软件中选择提取等值线命令从栅格数据中提取累计地表形变等值线。
27、进一步，地表不规则三维模型的构建：
28、使用rhino软件进行不规则建模：利用rhino软件的高级建模工具，根据提取的累计地表形变等值线和已知的地层信息构建地表不规则三维模型；
29、使用griddle将建立好的不规则模型导入flac3d软件：griddle是一个高效的网格生成和模型转换工具，用于将复杂的三维模型转换为适用于数值分析的网格形式；通过griddle软件，将在rhino中创建的不规则地表模型转换成flac3d软件能够处理的格式；
30、地表规则三维模型的构建：
31、基于地层分布、地层参数数据，将地表模型建立成规则三维模型，煤层为近水平煤层。
32、进一步，根据高温对岩石的动态物理和力学特性的变化选取合适的力学参数步骤如下：
33、当温度持续增加时，岩层的力学参数会弱化，且温度越高，弱化强度越大；岩石力学参数随温度的公式：
34、
35、式中，是不同的力学参数在相应岩层温度下的参数值；是初始力学参数；k是弱化系数，k值越小，弱化越明显；tc是不同岩层的平均温度值，tcoal为煤层的平均温度。
36、进一步，采用地下煤火燃空区三维形态反演方法反演获得地下煤火燃空区的三维形态，具体步骤如下：
37、在上述构建的地表不规则模型基础上在高温条件下依据公式逐步降低各个岩层力学材料参数，当岩层力学材料参数逐渐降低的情况下，在重力和初始地应力的作用下岩层会出现塑性区域；塑性区域为燃空区的直接映射，映射煤层燃烧会引起地表和煤层上部顶板的沉降，通过不断降低岩层力学材料参数，当模拟结果的煤层上部顶板展现出连续的塑性区域时，将这些连续的塑性区域判定为煤火的燃空区，并保存三维坐标。
38、进一步，采用对比验证方法验证地下煤火燃空区三维形态反演结果的正确性，具体步骤如下：
39、建立地下煤火未燃烧前的规则三维模型：建立煤火燃烧前的地表规则三维模型，该模型代表沉降前的初始三维模型；
40、提取燃空区位置：对上述地下煤火燃空区三维形态反演方法获得的燃空区位置进行提取；
41、开挖燃空区：在flac3d软件中导入初始三维模型和塑性区域坐标；在模型中移除塑性区域形成空腔，模拟空腔地表上方的自然下沉变化，从而模拟煤层燃烧后地下煤火燃空区的形成；
42、获得开挖后的三维模型：通过移除塑性区域后，获得了煤火燃烧之后的三维模型；该沉降模型与初始地表不规则模型进行对比，选取基于rhino软件建立的地表不规则三维模型和采用地下煤火燃空区三维形态正演方法获得的开挖后三维模型，在两个不规则模型在相同位置的剖面线对比分析，如果两个不规则模型的剖面线沉降曲线基本一致，认为该方法可以准确反演地下煤火燃空区三维形态。
43、有益效果：本发明提供一种地下煤火燃空区三维形态演化模拟方法，该方法实现方便，效果显著，主要体现在以下三点：
44、1)本方法首次采用数值模拟技术模拟地下煤火燃空区三维形态演化过程，具有首创性。
45、2)本方法仅利用地层参数、地表温度、三维温度场以及累计地表形变等数值数据，数据量较少，实施简便。
46、3)本方法通过正演和反演两种方法模拟地下煤火燃空区三维形态，描述了燃空区的空间分布、几何结构特征及其演化规律，揭示了燃空区三维形态演化及其与地表形变等要素的关系。
1.一种地下煤火燃空区三维形态演化模拟方法，其特征在于，步骤如下：
2.根据权利要求1所述的地下煤火燃空区三维形态演化模拟方法，其特征在于，采用ds-insar技术提取累计地表形变值，使用arcgis软件将矢量数据累计地表形变值转换成栅格数据，根据栅格数据提取累计地表形变等值线，步骤如下所示：
3.根据权利要求1所述的地下煤火燃空区三维形态演化模拟方法，其特征在于，地表不规则三维模型的构建：
4.根据权利要求1所述的地下煤火燃空区三维形态演化模拟方法，其特征在于，根据高温对岩石的动态物理和力学特性的变化选取合适的力学参数步骤如下：
5.根据权利要求4所述的地下煤火燃空区三维形态演化模拟方法，其特征在于，采用地下煤火燃空区三维形态反演方法反演获得地下煤火燃空区的三维形态，具体步骤如下：
6.根据权利要求5所述的地下煤火燃空区三维形态演化模拟方法，其特征在于，采用对比验证方法验证地下煤火燃空区三维形态反演结果的正确性，具体步骤如下：
