唐洞煤礦沉陷災(zāi)害綜合預(yù)測(cè)方法研究*

龍四春 楊光銳 王先軍

1)湖南科技大學(xué)煤炭資源清潔利用與礦山環(huán)境保護(hù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湘潭 411201

2)湖南科技大學(xué)建筑與城鄉(xiāng)規(guī)劃學(xué)院，湘潭 411201

3)湖南華潤(rùn)煤業(yè)唐洞煤礦有限公司，資興 423400

唐洞煤礦沉陷災(zāi)害綜合預(yù)測(cè)方法研究*

龍四春1，2)楊光銳2)王先軍3)

1)湖南科技大學(xué)煤炭資源清潔利用與礦山環(huán)境保護(hù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湘潭 411201

2)湖南科技大學(xué)建筑與城鄉(xiāng)規(guī)劃學(xué)院，湘潭 411201

3)湖南華潤(rùn)煤業(yè)唐洞煤礦有限公司，資興 423400

結(jié)合唐洞煤礦21采區(qū)實(shí)際地質(zhì)、測(cè)量與開(kāi)采資料，采用概率積分法實(shí)現(xiàn)了采空區(qū)影響范圍的地表變形快速預(yù)測(cè)，并用ArcGIS將預(yù)計(jì)下沉等值線圖和礦區(qū)地形圖疊加，對(duì)比分析礦區(qū)實(shí)測(cè)形變數(shù)據(jù)，用概率積分法準(zhǔn)確預(yù)計(jì)礦山開(kāi)采地表沉陷量。

開(kāi)采沉陷;概率積分法;GIS;地表變形預(yù)測(cè);疊加分析

煤炭開(kāi)采破壞了巖體內(nèi)部原有的力學(xué)平衡狀態(tài)，使巖體發(fā)生位移與變形，形成地表大面積沉降［1－3］。目前，國(guó)內(nèi)外開(kāi)采沉陷預(yù)測(cè)方法很多，應(yīng)用廣泛且較為成熟的主要有概率積分法［4－5］。但常規(guī)的預(yù)測(cè)分析結(jié)果大多以報(bào)表、二維剖面線形式輸出，不能直觀地反映地表沉陷空間信息［6］。本文基于郴州市唐洞煤礦21采區(qū)的巖性參數(shù)與開(kāi)采資料，采用概率積分法對(duì)該工作面的地表變形進(jìn)行預(yù)測(cè)，利用ArcGIS將預(yù)測(cè)結(jié)果、實(shí)測(cè)結(jié)果、礦區(qū)地形圖進(jìn)行疊加分析，實(shí)現(xiàn)了對(duì)采礦沉陷災(zāi)害的快速預(yù)測(cè)與可視化表達(dá)。

1 礦區(qū)沉陷災(zāi)害綜合預(yù)測(cè)方法

1.1 概率積分法地表移動(dòng)預(yù)測(cè)

概率積分法是一種以隨機(jī)介質(zhì)理論為基礎(chǔ)的預(yù)測(cè)方法。把巖體看作一種隨機(jī)介質(zhì)，把巖層看作由大量松散的顆粒體介質(zhì)組成，通過(guò)隨機(jī)介質(zhì)理論，把巖層移動(dòng)看作一種服從統(tǒng)計(jì)規(guī)律的隨機(jī)過(guò)程，由此研究巖層與地表移動(dòng)［7－8］。從統(tǒng)計(jì)學(xué)觀點(diǎn)出發(fā)，可以把整個(gè)開(kāi)采區(qū)域分解為無(wú)限個(gè)微小單元，則整個(gè)開(kāi)采對(duì)巖層及地表的影響等于各單元開(kāi)采對(duì)巖層及地表影響之和。按隨機(jī)介質(zhì)理論，單元開(kāi)采引起的地表單元下沉盆地呈正態(tài)分布，且與概率密度的分布一致。因此，整個(gè)開(kāi)采引起的下沉剖面方程可以表示為概率密度函數(shù)的積分公式，用于地表移動(dòng)變形預(yù)測(cè)［9－11］。地表任意點(diǎn)移動(dòng)變形為:

式中，Wcm為地表充分采動(dòng)時(shí)的最大下沉值(mm)，D為開(kāi)采區(qū)域，r為主要影響半徑(m)，(x，y)為計(jì)算點(diǎn)的平面坐標(biāo)，η、ζ為采出后地表下沉礦體微元量。

進(jìn)行開(kāi)采沉陷預(yù)測(cè)所需參數(shù)主要有:下沉系數(shù)q，水平移動(dòng)系數(shù) b0，主要影響移動(dòng)角 θ0，主要影響角正切tanβ和拐點(diǎn)偏移距S。地表移動(dòng)預(yù)測(cè)參數(shù)與覆巖巖性、開(kāi)采技術(shù)條件有關(guān)［12］。目前，參數(shù)確定方法主要根據(jù)實(shí)測(cè)資料求算，或者根據(jù)開(kāi)采覆巖性質(zhì)以經(jīng)驗(yàn)值確定。實(shí)測(cè)資料是地表變形移動(dòng)長(zhǎng)期觀測(cè)的結(jié)果，觀測(cè)難度大且需長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)觀測(cè)，所以可采用覆巖綜合評(píng)價(jià)系數(shù)P來(lái)確定地表移動(dòng)預(yù)測(cè)參數(shù)。求得參數(shù)后，利用概率積分預(yù)測(cè)算法對(duì)采區(qū)進(jìn)行變形預(yù)測(cè)，分別計(jì)算下沉、傾斜、曲率、水平移動(dòng)和水平變形等5個(gè)地表變形指標(biāo)。

1.2 基于GIS的變形等值線繪制

根據(jù)概率積分法求得的開(kāi)采沉陷預(yù)測(cè)結(jié)果為規(guī)則格網(wǎng)數(shù)據(jù)。利用ArcMap創(chuàng)建數(shù)據(jù)集，然后通過(guò)克里格插值將離散的高程點(diǎn)數(shù)據(jù)生成連續(xù)表面，構(gòu)建DEM，轉(zhuǎn)化為變形等值線，將線圖層和礦區(qū)地形圖疊加后進(jìn)行預(yù)測(cè)結(jié)果分析(圖1)。

2 工程實(shí)例與分析

2.1 礦區(qū)概況

湖南唐洞煤礦八一井21采區(qū)走向長(zhǎng)860 m，傾斜寬810 m，煤層平均厚度2.3 m，平均開(kāi)采深度400 m，煤層走向 NE-SW，傾向 NW，平均傾角15°。礦區(qū)內(nèi)包含鐵路支線及公路，地面建筑物主要為居民區(qū)、辦公區(qū)及加油站等附屬設(shè)施。唐洞煤礦采區(qū)出露地層由老到新依次為石炭系、三疊系、侏羅系、第四系，地層呈不接合接觸。巖性主要以砂巖、砂礫巖及新生代松散土層為主，覆巖類型總體屬于中硬，水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單。

圖1 礦山開(kāi)采地表變形預(yù)測(cè)流程圖Fig.1 Flow chart predicting ground deformation

2.2 地表變形預(yù)測(cè)參數(shù)及結(jié)果

根據(jù)21采區(qū)內(nèi)鉆孔中上覆巖層巖性得到概率積分法計(jì)算所需的幾個(gè)重要參數(shù)(表1)。

表1 唐洞煤礦21采區(qū)概率積分法預(yù)測(cè)參數(shù)Tab.1 Parameters of probability integration method for 21 areas

根據(jù)表1中的參數(shù)，編程實(shí)現(xiàn)對(duì)地表移動(dòng)變形的快速計(jì)算。設(shè)定起算點(diǎn)X坐標(biāo)69 199.000，Y坐標(biāo)31 894.000，在X、Y方向各劃分50個(gè)網(wǎng)格，網(wǎng)格間距為50 m。對(duì)采區(qū)內(nèi)工作面分別從傾向和走向方向預(yù)測(cè)了地表下沉、水平移動(dòng)、水平變形、曲率、傾斜5個(gè)變形指標(biāo)，預(yù)測(cè)格網(wǎng)在傾向方向的預(yù)測(cè)變形值如表2所示。

由于該煤礦煤層平均傾角為15°，屬緩傾斜煤層或水平煤層，所以概率積分法是適用的［13］。系統(tǒng)將程序計(jì)算的地表移動(dòng)變形數(shù)據(jù)自動(dòng)保存在.txt文本文檔中，用EXCEL軟件對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)類型和格式進(jìn)行編輯，利用ArcGIS強(qiáng)大的空間分析功能［14］，對(duì)預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行等值線繪制及疊加。

2.3 地表變形預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)等值線的繪制

在ArcMap中加載已編輯指定格式的EXCEL預(yù)測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)文件，設(shè)置坐標(biāo)系統(tǒng)，創(chuàng)建數(shù)據(jù)集，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)集進(jìn)行克里格插值，從而將離散的高程點(diǎn)形成連續(xù)表面，得到沉降等值線。以下沉10 mm的點(diǎn)作為地表下沉盆地的邊界點(diǎn)，以100 mm為等高距繪制沉降等值線圖，在21采區(qū)形成3個(gè)沉降盆地。再將生成的沉降等值線和礦區(qū)平面圖進(jìn)行疊加，直觀地顯示礦山沉陷影響區(qū)域，如圖2。

表2 預(yù)測(cè)格網(wǎng)在傾向方向的預(yù)測(cè)變形值Tab.2 predicted values in predicting grid in tendency

圖2 21采區(qū)地表下沉預(yù)測(cè)等值線圖Fig.2 Counter of ground subsidence predicted in 21 mining areas

2.4 預(yù)測(cè)結(jié)果和實(shí)際情況對(duì)比分析

在八一井工業(yè)廣場(chǎng)、工人村、仙角下山村、公路、鐵路、列車(chē)煤槽(倉(cāng))、水庫(kù)、磚廠等區(qū)域布設(shè)水準(zhǔn)點(diǎn)及GPS點(diǎn)共計(jì)286個(gè)。選擇有代表性的監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)測(cè)值和概率積分法預(yù)測(cè)值的對(duì)比與分析，代表點(diǎn)位如圖2所示，D4點(diǎn)位于八一井調(diào)度大樓及主井附近，T10點(diǎn)位于廠區(qū)內(nèi)主要運(yùn)輸鐵路旁，這兩個(gè)點(diǎn)位于采區(qū)外圍;S2點(diǎn)和HH6點(diǎn)分別位于水庫(kù)的南北兩側(cè)，GP5點(diǎn)位于采區(qū)內(nèi)建筑物附近。由于D4點(diǎn)和T10點(diǎn)并不在采區(qū)邊界線范圍內(nèi)，只對(duì)采區(qū)范圍內(nèi)3個(gè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)值和預(yù)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)表3和圖3。根據(jù)對(duì)比可得，預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本吻合，預(yù)測(cè)結(jié)果較為準(zhǔn)確地反映了開(kāi)采沉陷的實(shí)際情況，真實(shí)反映了開(kāi)采沉陷在時(shí)間和空間上的動(dòng)態(tài)發(fā)展過(guò)程。

表3 實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值的對(duì)比Tab.3 Conparison of measured data andpredicted data

圖3 監(jiān)測(cè)區(qū)域代表點(diǎn)沉降量對(duì)比曲線圖Fig.3 Subsidence contrast curve of representative points in monitoring area

根據(jù)21采區(qū)地表變形預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合采區(qū)內(nèi)工作面的實(shí)際開(kāi)采情況，地下煤層開(kāi)采后會(huì)形成3個(gè)較大的下沉盆地。從圖2可見(jiàn)，1#、2#和3#盆地之間的緩傾斜連接地帶為主巷道，1#、2#盆地則呈現(xiàn)連續(xù)凹地。根據(jù)概率積分法得到的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)可知，地表最大下沉值為1 577.6 mm，最大傾斜值為12.921 mm/m，最大曲率值為 0.201 7(10－3/m)，最大水平變形值為6.624 mm/m。

根據(jù)疊加后的采區(qū)沉降等值線圖可得:1)充分采動(dòng)后，采空區(qū)上方會(huì)出現(xiàn)地表變形，最大下沉值出現(xiàn)在3#盆地的底部，最大傾斜及變形主要位于3#盆地已搬遷工人村的東北區(qū)和矸石山區(qū)域。2)唐煤工業(yè)廣場(chǎng)北部的小型水庫(kù)位于1#沉陷盆地的邊緣，水庫(kù)東側(cè)為山體，西側(cè)為住宅區(qū)和磚廠，這一區(qū)域的地表移動(dòng)變形易發(fā)生滑坡災(zāi)害，應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，預(yù)防潰壩災(zāi)害對(duì)建筑物造成損害。

3 結(jié)語(yǔ)

概率積分法是一種有效的礦區(qū)開(kāi)采沉陷預(yù)測(cè)方法，能在實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)缺失的情況下，利用礦區(qū)實(shí)際鉆孔地質(zhì)資料獲取開(kāi)采沉陷預(yù)測(cè)參數(shù)，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)開(kāi)采區(qū)地表形變量。將變形預(yù)測(cè)量利用ArcGIS生成等值線圖，和礦區(qū)地形圖進(jìn)行疊加，能得到直觀可視化的地表移動(dòng)變形等值線圖。可根據(jù)建筑物所在位置進(jìn)行地表移動(dòng)損壞程度分析與評(píng)價(jià)，為礦區(qū)科學(xué)管理與安全生產(chǎn)服務(wù)。

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A COMPREHENSIVE METHOD PREDICTING SUBSIDENCE DISASTER IN TANGDONG COAL MINE

Long Sichun1，2)，Yang Guangrui2)and Wang Xianjun3)
1)Hunan Provincial Key Laboratory of Coal Resources Clean-utilization and Mine Environment Protection，Hunan University of Science and Technology，Xiangtan 411201
2)Schools of Architecture and Urban Planning，Hunan University of Science and Technology，Xiangtan 411201
3)Hunan Huarun Coal Tangdong Coal Mine Co.Ltd，Zixing423400

Land surface subsidence caused by mining may damage buildings，and disaster loss can be reduced by accurate prediction of surface subsidence.The actual geological and surveying data of 21 mining area in Tangdong coal mine were calculated ground deformation of goaf areas with the probability integration method.Overlay analysis of subsidence contour map and topographic map by ArcGIS verifies that probability integration method can accurately forecast ground subsidence.caused bymining.

mining subsidence;probability integral method;GIS;surface transformation prediction;overlay analysis

P208;P258

A

1671-5942(2014)03-0104-04

2013-11-30

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41004002)。

龍四春，男，1975年生，副教授，博士，主要研究方向?yàn)榇蟮販y(cè)量與形變監(jiān)測(cè)。E－mail:sclong@hnust.edu.cn。