淺談復(fù)雜地形條件下地表移動(dòng)規(guī)律

李雁鵬

（山西高平科興南陽(yáng)煤業(yè)有限公司，晉城 高平 048400）

淺談復(fù)雜地形條件下地表移動(dòng)規(guī)律

李雁鵬

（山西高平科興南陽(yáng)煤業(yè)有限公司，晉城 高平 048400）

我國(guó)是煤炭大國(guó)，長(zhǎng)期開(kāi)采引起的地質(zhì)災(zāi)害，復(fù)雜地形條件下地表移動(dòng)規(guī)律的資料相對(duì)較少，并且地表移動(dòng)和變形規(guī)律直接應(yīng)用于復(fù)雜地形條件下，有一定的困難，這都迫切的需要加強(qiáng)對(duì)復(fù)雜地形下地表移動(dòng)規(guī)律進(jìn)行研究。本文主要針對(duì)復(fù)雜地形條件下，綜述總結(jié)不同條件下的地表移動(dòng)規(guī)律，以便對(duì)今后的研究有一定的參考價(jià)值。

復(fù)雜地形；地表移動(dòng)；變形

1 引言

礦產(chǎn)資源被開(kāi)采以后，主要的影響是帶來(lái)地表和環(huán)境等方面的變化，而就地表的變化包括地表的移動(dòng)，變形和非連續(xù)破壞，這些破壞嚴(yán)重的影響了地面建筑物的安全，給礦區(qū)生活和安全方面帶來(lái)了不利的影響。為此，必須加大地表移動(dòng)規(guī)律等方面的研究，將開(kāi)采帶來(lái)的不利影響減少到最小。

由于地表移動(dòng)的特殊性，開(kāi)采引起的地面沉陷、裂縫、滑移等地質(zhì)災(zāi)害，特別是山坡滑移導(dǎo)致建筑物的破壞，常造成重大的經(jīng)濟(jì)損失，目前，對(duì)復(fù)雜地形條件下的地表移動(dòng)規(guī)律的研究相對(duì)較少，地表移動(dòng)和變形規(guī)律直接應(yīng)用有一定困難，這都需要加強(qiáng)對(duì)復(fù)雜地形條件下地表移動(dòng)和變形規(guī)律進(jìn)行研究，以減少不必要的損失。

2 國(guó)內(nèi)外研究的現(xiàn)狀

地表下沉帶來(lái)的危害，很早以前就已經(jīng)為人們所認(rèn)識(shí)，而國(guó)外的起步相對(duì)較早，從1838年比利時(shí)的工程師格諾特提出“垂線(xiàn)理論”始，到后來(lái)比利時(shí)人Gonot提出“法線(xiàn)理論”，同時(shí)也提出了地表下沉公式。裴約爾的“拱形理論”，到凱因霍爾斯特的連續(xù)影響分布的影響函數(shù)，再到前蘇聯(lián)的阿維兒申建立地表下沉盆地指數(shù)函數(shù)形式的剖面方程，直到1954年波蘭的李特維爾尼申引入介質(zhì)理論，證明了開(kāi)采下服從柯?tīng)柲曷宸蚍匠?，才有了質(zhì)的提高。20世紀(jì)60年代后，計(jì)算機(jī)的引入、有限元、邊界元等數(shù)值分析等方法的廣泛應(yīng)用，使得開(kāi)采沉陷地表移動(dòng)規(guī)律的研究有了快速發(fā)展。

而我國(guó)對(duì)地表移動(dòng)規(guī)律的研究起步相對(duì)較晚，主要從解放后才開(kāi)始對(duì)地表沉陷進(jìn)行了一些實(shí)測(cè)，而理論的研究是從20世紀(jì)60年代才逐步開(kāi)始的。1963年唐山礦山測(cè)量研究所對(duì)實(shí)測(cè)資料的分析研究，提出了負(fù)指數(shù)法。1965年劉寶琛、廖國(guó)華[1]將介質(zhì)理論的引入得到廣泛的應(yīng)用，后來(lái)發(fā)展為地表變形預(yù)計(jì)方法之一，并且隨著后來(lái)的研究而提出了下沉速度的概念。耿德庸、仲惟林[2]提出巖性的綜合評(píng)價(jià)系數(shù)P確定地表移動(dòng)參數(shù)等等。直到現(xiàn)在廣泛采用的數(shù)字模擬和相似材料模擬的研究，使得地表移動(dòng)規(guī)律的研究取得了豐碩的成果。

3 地表移動(dòng)和破壞的形式及移動(dòng)盆地的形成

因采礦引起的巖層移動(dòng)波及地表，使地表產(chǎn)生移動(dòng)、變形和破壞的現(xiàn)象及過(guò)程稱(chēng)為地表移動(dòng)。開(kāi)采引起的地表移動(dòng)過(guò)程受很多因素的影響，隨著采深、采厚、采煤方法及煤層產(chǎn)狀等因素的不同，地表移動(dòng)和破壞的形式不盡相同。主要的破壞形式包括，地表移動(dòng)盆地、裂縫和塌陷坑，甚至有的會(huì)出現(xiàn)地表的臺(tái)階狀裂縫。這些破壞形式對(duì)其上的建筑物等影響較大，應(yīng)加強(qiáng)研究采取相應(yīng)的保護(hù)性措施。

隨著開(kāi)采的進(jìn)行，地表的影響范圍不斷增加，形成一個(gè)比采空范圍大的下沉盆地，工作面推進(jìn)過(guò)程形成的地表移動(dòng)盆地稱(chēng)為動(dòng)態(tài)盆地。當(dāng)工作面推到邊界后，雖然采煤工作停止了，但地表移動(dòng)并不能立刻停止，而要延續(xù)一段時(shí)間，最后趨于穩(wěn)定，形成一個(gè)最終的地表移動(dòng)盆地，稱(chēng)為靜態(tài)盆地。一般情況，靜態(tài)盆地的影響范圍和最大下沉值都大于動(dòng)態(tài)盆地[3]。

地下的煤層被采出后，地表下層至達(dá)到該地質(zhì)條件下的應(yīng)有的最大下沉值，開(kāi)采范圍再繼續(xù)擴(kuò)大時(shí)，地表影響的范圍相應(yīng)的擴(kuò)大，但地表下沉值不會(huì)繼續(xù)增加，一般把地表的最大下沉值達(dá)到該地質(zhì)條件下最大下沉值時(shí)的采動(dòng)稱(chēng)為充分采動(dòng)[4]，相反，沒(méi)有達(dá)到該地質(zhì)條件下最大下沉值的采動(dòng)稱(chēng)為非充分采動(dòng)。

一般情況下，描述地表移動(dòng)盆地內(nèi)移動(dòng)和變形的主要指標(biāo)包括：下沉、傾斜、曲率、水平移動(dòng)、水平變形、扭曲和剪切變形，而目前對(duì)前五種指標(biāo)的變化規(guī)律研究的較為充分。一般情況下，平原地帶，下沉曲線(xiàn)和水平移動(dòng)曲線(xiàn)是對(duì)稱(chēng)的，而對(duì)于一些復(fù)雜地形條件下，如復(fù)雜的山區(qū)地帶，會(huì)出現(xiàn)下沉曲線(xiàn)和水平移動(dòng)曲線(xiàn)是非對(duì)稱(chēng)的情況，且山區(qū)地表的移動(dòng)向量是指向采空區(qū)的移動(dòng)量和沿坡面指向下坡方向移動(dòng)矢量的合成[5]。

4 地表移動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)

由于復(fù)雜地形的特殊性，采用以往傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法有一定的困難，傳統(tǒng)的地表監(jiān)測(cè)方法存在著勞動(dòng)強(qiáng)度大、不能實(shí)時(shí)觀測(cè)、不能獲得瞬時(shí)的三維移動(dòng)變形方面的信息等缺點(diǎn)，同時(shí)，對(duì)于采動(dòng)影響而出現(xiàn)的一些變形區(qū)域，如滑坡，塌陷區(qū)等，采用傳統(tǒng)的地表測(cè)量更無(wú)濟(jì)于事，所以，研究新型的復(fù)雜地形的地表移動(dòng)監(jiān)測(cè)方法迫在眉睫。

對(duì)于復(fù)雜的地形條件，采用非接觸式的測(cè)量方法能起到很好的作用，同時(shí)省去了不必要的麻煩、減少了勞動(dòng)強(qiáng)度，能夠?qū)σ恍┎蝗菀诇y(cè)量地區(qū)的地表監(jiān)測(cè)研究起到很好的作用。數(shù)字化近景攝影測(cè)量是一種非接觸式的測(cè)量方法，不但能夠集獲取地表信息，以數(shù)字方式存儲(chǔ)和實(shí)時(shí)觀測(cè)等優(yōu)點(diǎn)于一體，而且，能夠構(gòu)建數(shù)字高程模型，尤其在變形滑坡和機(jī)構(gòu)變形領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

數(shù)字化近景攝影測(cè)量，能夠利用立體像對(duì)中攝像時(shí)存在的同名光線(xiàn)對(duì)的相交幾何關(guān)系自動(dòng)提取足夠分布合理的同名點(diǎn)，并計(jì)算該立體像對(duì)的相對(duì)方位元素，可以進(jìn)行影像匹配和物點(diǎn)坐標(biāo)的計(jì)算。與專(zhuān)業(yè)的光學(xué)量測(cè)相機(jī)相比，雖沒(méi)有專(zhuān)業(yè)光學(xué)量測(cè)相機(jī)湖區(qū)的影像質(zhì)量好，但其測(cè)定精度能夠滿(mǎn)足一般下沉測(cè)量監(jiān)測(cè)精度的要求，為山區(qū)復(fù)雜地形的地表監(jiān)測(cè)提供了一種可行的方法[6]。

除數(shù)字化近景測(cè)量技術(shù)外，普遍使用的測(cè)量方法還包括全站儀測(cè)量、GPS測(cè)量、雷達(dá)干涉測(cè)量及三維激光掃描等方法。

5 總結(jié)

本文在分析地表移動(dòng)規(guī)律的一般特征基礎(chǔ)之上，對(duì)地表移動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了探索研究，特別是一些復(fù)雜的地形條件下，做出了一些適當(dāng)?shù)奶接懞头治?。?fù)雜地形條件下由于其本身的特殊性，采取以往的研究方法往往有一定的困難，這都需要加強(qiáng)對(duì)復(fù)雜地形條件下移動(dòng)變形進(jìn)行研究。

對(duì)于復(fù)雜地形條件下地表移動(dòng)進(jìn)行研究，可以參照一般條件下的研究，在其基礎(chǔ)之上加以變換，找出適應(yīng)于該復(fù)雜地行條件下的地表移動(dòng)規(guī)律，然后對(duì)其進(jìn)行研究，往往能取得很好的效果。同時(shí)，對(duì)復(fù)雜地形條件下進(jìn)行研究，對(duì)其地質(zhì)條件的掌握不容忽視，應(yīng)該盡其所能搜集相關(guān)的地質(zhì)資料，這對(duì)于研究的順利進(jìn)行有很大的幫助作用。再者，科技的作用是不可忽視的，采用新型的地表移動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)，能省去很大不必要的麻煩，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，取得事半功倍的效果。

[1] 劉寶琛、廖國(guó)華.煤礦地表移動(dòng)基本規(guī)律[M].北京：中國(guó)工業(yè)出版社，1965

[2] 耿德庸,仲惟林.用巖性綜合評(píng)價(jià)系數(shù)P確定地表移動(dòng)參數(shù)[J].煤炭學(xué)報(bào),1980,4：15-24.

[3] 杜計(jì)平,汪理全.煤礦特殊開(kāi)采方法[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2011

[4] 郭文兵.煤礦開(kāi)采損害與保護(hù)[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2013

[5] 胡友健,吳北平,戴華陽(yáng),鄒友峰.山區(qū)地下開(kāi)采影響下的地表移動(dòng)規(guī)律[J].焦作工學(xué)院學(xué)報(bào)，1997,18(4),242-247

[6] 楊化超，鄧喀中，張書(shū)畢，劉超，于瑞鵬.數(shù)字近景攝影測(cè)量技術(shù)在礦山地表沉陷監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究[J].中國(guó)圖像圖像學(xué)報(bào),2008,13(3),519-524

李雁鵬，地測(cè)科科長(zhǎng)，從事井下測(cè)量、繪圖、地質(zhì)、防治水等工作。

Introduction to surface m ovem ent law of com p lex terrain conditions

LI Yan-peng (Gaop ing Kexing Nanyang M ining Ltd.O f Shanxi p rovince,Jincheng Gaop ing,048400)

Our country is a coal power，geological disasters caused by mining for a long time，mountain surface movement law of complex terrain data is relatively small，and the surface movement and deformation law directly applied in the mountainous area under the condition of complex terrain，has the certain diff culty，it is an urgent need to strengthen the mountainous area to study the surface movement rule under complicated terrain.Were reviewed in this paper，in view of the mountainous area under the condition of complex topography，summed up in the mountains of surface movement law，for the future research has certain reference value.

∶Complex terrain；Surface movement；surface deformation