基于GIS礦山地表沉陷時(shí)空效應(yīng)分析

馬大喜 榮明明 盧志剛

(江西理工大學(xué)建筑與測(cè)繪學(xué)院)

基于GIS礦山地表沉陷時(shí)空效應(yīng)分析

馬大喜 榮明明 盧志剛

(江西理工大學(xué)建筑與測(cè)繪學(xué)院)

利用地表監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合MapInfo軟件及擴(kuò)展模塊Vertical Mapper，基于克里格空間插值方法生成格網(wǎng)文件，建立數(shù)字沉陷模型，繪制沉陷等值線和沉陷剖面線。根據(jù)沉陷等值線圖和剖面圖進(jìn)行空間效應(yīng)分析，揭示地表沉陷的時(shí)空演化規(guī)律，對(duì)礦山地表的安全監(jiān)測(cè)、預(yù)警有重要的指導(dǎo)意義。

GIS 空區(qū) 變形監(jiān)測(cè) 時(shí)空演化 地表沉陷

在礦山地下開采過程中，采動(dòng)區(qū)域由于原始應(yīng)力狀態(tài)受到破壞失去平衡，不同程度地產(chǎn)生各種地壓現(xiàn)象，引起巖層及地表移動(dòng),如頂板下沉、開裂、冒落，礦柱垮落，采空區(qū)塌陷等。由此，準(zhǔn)確研究和分析地下開采引起的地表開采沉陷，對(duì)空區(qū)地表變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)空效應(yīng)分析，以判定地表變形是否超出允許范圍，具有十分重要的指導(dǎo)意義[1-2]。目前時(shí)空效應(yīng)分析方法主要有有限元法、擬合經(jīng)驗(yàn)法、人工智能法等[3-4]，這些方法在時(shí)間效應(yīng)的數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)擬合上有很大的優(yōu)勢(shì)，但對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化的空間分布和可視化的展現(xiàn)上存在一定的不足，結(jié)合方面的研究更為薄弱。由此，地表變形數(shù)據(jù)空間分布直觀展現(xiàn)，準(zhǔn)確地反映地表沉陷的時(shí)空演化規(guī)律，是地表變形監(jiān)測(cè)時(shí)空演化分析的關(guān)鍵問題。本文基于礦山地表變形監(jiān)測(cè)資料，對(duì)數(shù)據(jù)擬合預(yù)測(cè)，進(jìn)行時(shí)間效應(yīng)分析，利用GIS軟件建立了數(shù)字沉陷模型，基于GIS的空間分析方法，分析其時(shí)空演化效應(yīng)，從而挖掘出監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變形的空間分布規(guī)律和空間演變規(guī)則，為礦山的安全生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)[5]。

1 地表數(shù)字沉陷模型的構(gòu)建

1.1 沉陷模型定義

由一組離散的沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)經(jīng)過空間內(nèi)插后形成連續(xù)的沉陷分布曲面， 把沉降值高低作為沉陷信息的一種表面模型即為數(shù)字沉陷模型[6]?；谝?guī)則格網(wǎng)的數(shù)字沉陷模型是對(duì)地面沉降的一個(gè)較為精確的離散表示，并且由于其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、直觀，非常利于計(jì)算機(jī)操作和處理。因此，通常將其作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)格式，運(yùn)用GIS 軟件強(qiáng)大的空間分析功能來進(jìn)行沉降數(shù)據(jù)分析。

1.2 克里格空間插值

克里格法是將任一個(gè)點(diǎn)的估計(jì)值通過該點(diǎn)影響范圍內(nèi)的n個(gè)有效樣本值Z(xi)的線性組合得到，即

(1)

1.3 數(shù)字沉陷模型的創(chuàng)建

地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)Pi(xi,yi,△zi)是類似高程點(diǎn)的離散點(diǎn)，利用MapInfo軟件和地表沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)地表沉陷形態(tài)建模，常采用數(shù)字高程模型的方法建立。空間離散數(shù)據(jù)(x、y、△z)直接來源于地表沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，經(jīng)處理后數(shù)據(jù)格式為MapInfo軟件可接受的格式(*.TAB)，數(shù)據(jù)格式表達(dá)的內(nèi)容分別為地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)的X、Y坐標(biāo)值和屬性值(高程沉降值)。在獲取數(shù)據(jù)之后將其進(jìn)行格網(wǎng)化插值，選擇克里格空間插值算法，生成MapInfo軟件中的規(guī)則格網(wǎng)文件(*.grd)。采用MapInfo 擴(kuò)展模塊Vertical Mapper，結(jié)合空間上若干離散的地表沉陷點(diǎn)，生成一系列光滑曲線即等值線和沉陷剖面圖。建模流程見圖1。

圖1 數(shù)字沉陷模型建模流程

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 工程概況

龍橋鐵礦屬于構(gòu)造應(yīng)力型礦山，目前采空區(qū)主要分布在CZK01勘探孔、CZK02勘探孔和CZK03勘探孔周圍地區(qū)，測(cè)區(qū)范圍較大。礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，地勢(shì)起伏大，植被分布以灌木為主，交通便利。基于以上考慮和監(jiān)測(cè)的實(shí)際需要，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)過程中采用高精度全站儀和水準(zhǔn)測(cè)量監(jiān)測(cè)方法。

結(jié)合龍橋鐵礦東部礦區(qū)的地下開采情況，地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)沿礦體走向布置了3條觀測(cè)線，主要分布在CZK01和CZK03勘探孔區(qū)域，其中走向主斷面觀測(cè)線主要有JB11、JB29、JB05、JB06、JB25、JA12、JA00和JA02等地表移動(dòng)站[7]。地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)沿礦體勘探線(6#、4#、2#、0#、1#、3#線)布置了6條觀測(cè)線，間距100 m，總共布設(shè)了57個(gè)地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

2.2 地表沉陷等值線分析

將各地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)看作為離散空間數(shù)據(jù)點(diǎn)，其監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(x、y、z)直接來源于測(cè)量值(野外全站儀、水準(zhǔn)測(cè)量)，經(jīng)處理后形成*.TAB空間數(shù)據(jù)格式，屬性內(nèi)容分別表達(dá)為監(jiān)測(cè)點(diǎn)的平面相對(duì)坐標(biāo)值和沉陷值。在處理數(shù)據(jù)之后，采用克里格空間插值建立*.GRD格網(wǎng)文件，建立數(shù)字沉陷地面模型，生成沉陷等值線。為顯示出地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)變化情況，本文選擇了2010年11月25日、2011年11月23日和2012年11月24日3個(gè)監(jiān)測(cè)周期的所有地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)作為離散空間數(shù)據(jù)，以監(jiān)測(cè)點(diǎn)的累積沉陷值建立了3個(gè)不同周期的等值線圖，見圖2。

圖2 3個(gè)不同周期的累積沉降等值線圖和剖面線分布

地表沉陷最大區(qū)域主要集中在4#線和1#線區(qū)域，向外圍擴(kuò)展沉陷落差逐漸拉大。2010年11月25日、2011年11月23日和2012年11月24日3個(gè)監(jiān)測(cè)周期內(nèi)沉陷變化值區(qū)域逐漸發(fā)生一些轉(zhuǎn)移，等值線沒發(fā)生突變現(xiàn)象，變化平緩穩(wěn)定。地表4#線和1#線相對(duì)沉陷值較大，但隨著地下開采過程的進(jìn)行，地表在1#線下沉區(qū)域面有所擴(kuò)大，由1#線區(qū)域向西發(fā)展擴(kuò)大至0#線監(jiān)測(cè)區(qū)域，向東發(fā)展擴(kuò)大至1#～3#線監(jiān)測(cè)區(qū)域，而4#線較大的下沉區(qū)域面有所縮小，由原先的以4#線為主、2#線為輔的覆蓋區(qū)域格局轉(zhuǎn)變?yōu)?#線較大下沉區(qū)域縮小，2#線較大下沉區(qū)域面逐步向0#線區(qū)域轉(zhuǎn)移的局面。

2.3 地表沉陷時(shí)空演化分析

基于2010年11月25日、2011年11月23日和2012年11月24日等3個(gè)周期監(jiān)測(cè)的地表累積沉陷等值線，分別沿礦體走向(Z0#、Z1#、Z3#和Z5#線)和傾向(4#、2#、0#、1#、1#～3#和3#線)選擇10個(gè)斷面，沿各個(gè)斷面分別繪制10條剖面線，生成10個(gè)地表累積沉陷剖面圖?；谄拭鎴D研究采空區(qū)中心和四周上方地表的沉陷變化與時(shí)間周期的關(guān)系，揭示不同時(shí)間段地表沉陷變化的空間分布規(guī)律[8]。見圖3。

圖3 地表累積沉陷剖面線變化趨勢(shì)

從圖3中沿礦體走向和傾向剖面線反映的累積沉陷變化趨勢(shì)圖分析：

(1)傾向主斷面線0#剖面線，地表累積沉陷在空間演化上存在2個(gè)沉陷漏斗，空間分布突變現(xiàn)象比較明顯。在0#剖面線起點(diǎn)的40 m處，2012年11月24日累積沉陷達(dá)到-15 mm,相比2011年11月23日監(jiān)測(cè)的值增加了5 mm,隨著剖面線沿礦體傾向方向延伸，空間上變化趨勢(shì)逐漸回升，但沉陷變形還起主導(dǎo)作用；在75 m處累積沉陷值為-7.5 mm，之后空間上變化趨勢(shì)逐漸下降；在90 m處累積沉陷值達(dá)到-17 mm，隨后空間上變化趨勢(shì)轉(zhuǎn)為回升，在2012年11月24日監(jiān)測(cè)周期的220 m處上升到 -7 mm。

(2)走向主斷面線Z0#剖面線，3個(gè)監(jiān)測(cè)周期在空間演化上存在3次沉陷極大值，空間分布存在突變現(xiàn)象。在距Z0#剖面線起點(diǎn)的100 m處，2012年11月24日累積沉陷達(dá)到-7 mm；隨著剖面線沿礦體走向延伸，空間上變化趨勢(shì)逐漸下降；在360 m處累積沉陷值則為-20 mm，之后空間上變化趨勢(shì)突然上升；在380 m處突變到-5 mm，隨后空間上變化趨勢(shì)圖轉(zhuǎn)為下降，在420 m處達(dá)到 -28 mm。

(3)從地表傾向和走向斷面線沉陷剖面線圖像可知,沉陷剖面線出現(xiàn)突變的地方集中在勘探線0#線和1#～3#線位置，地表1#～3#線位置沉陷變形大于其它位置。根據(jù)龍橋鐵礦地質(zhì)勘探資料顯示，1#線以西巖石完整性較好，屬穩(wěn)固區(qū)，以東由于受斷裂層和巖體影響，穩(wěn)定性差，局部地段礦體及頂?shù)装鍑鷰r受松軟蝕變(強(qiáng)綠泥石化、水云母化、高嶺土化)、中等富水?dāng)鄬蛹熬植繋r漿巖侵入等多種因素影響，屬不穩(wěn)固區(qū)；1#～3#線附近地表累積沉陷發(fā)育程度相對(duì)比較明顯，屬于重點(diǎn)監(jiān)控區(qū)域。

3 結(jié) 語

(1)通過數(shù)字沉陷模型的應(yīng)用，以地表沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)繪制了沉陷等值線和沉陷剖面圖，研究了礦山空區(qū)地表沉陷變形的時(shí)空演變趨勢(shì)。利用沉陷剖面線，綜合分析沉陷分布及發(fā)展變化趨勢(shì),以利于地表安全預(yù)測(cè)、預(yù)警。

(2)采空區(qū)對(duì)應(yīng)地表總體處于微小沉陷狀態(tài)，其中在勘探線4#線和1#線附近存在累積沉陷中心，向四周擴(kuò)展沉陷逐漸變小；礦體東區(qū)1#～3#線處沉陷最大，變化趨勢(shì)存在突變現(xiàn)象，其它區(qū)域局部點(diǎn)累積沉降較大，但變形均在允許值范圍內(nèi)；地表沉陷有明顯增長(zhǎng)變化趨勢(shì)，但累積沉降量總體較小。工程實(shí)例的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果與空間演化分析結(jié)果，較好的反映了地表變形的時(shí)空變化趨勢(shì)，可提前預(yù)測(cè)預(yù)警，以判定是否超出允許范圍，礦山地下開采是否安全可靠，是否需調(diào)整采礦工序和優(yōu)化原設(shè)計(jì)方案等。為礦山地下開采過程中的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，保證礦山生產(chǎn)安全及施工質(zhì)量，提供了指導(dǎo)。

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Spatial and Temporal Analysis of Mine Surface Subsidence Based on GIS

Ma Daxi Rong Mingming Lu Zhigang

(School of Architecture and Surveying, Jiangxi University of Science and Technology)

Based on the surface deformation monitoring data and combined with MapInfo software and its extended module Vertical Mapper, the grid file format is obtained based on spatial Kriging interpolation method to establish digital subsidence model, draw subsidence isoline and subsidence profile line.Based on analyzing the the subsidence isoline map and subsidence profile map, the spatial and temporal evolution law of surface subsidence is revealed. The research results in this paper has important guiding significance for safety monitoring and early warning of the mine surface.

GIS, Goaf, Deformation monitoring, Time and spatial evolution, Surface subsidence

2015-02-16)

馬大喜(1957—)，男，教授，碩士生導(dǎo)師,341000 江西省贛州市客家大道156號(hào)。