寒區(qū)充填開采地表變形監(jiān)測數(shù)據(jù)穩(wěn)定性分析

郭慶彪 郭廣禮 王金濤

(1.中國礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測繪學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.國土環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測國家測繪地理信息中心重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116；3.資源環(huán)境信息工程江蘇省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116)

寒區(qū)充填開采地表變形監(jiān)測數(shù)據(jù)穩(wěn)定性分析

郭慶彪1,2,3郭廣禮1,2,3王金濤1,2,3

(1.中國礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測繪學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.國土環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測國家測繪地理信息中心重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116；3.資源環(huán)境信息工程江蘇省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116)

為了準(zhǔn)確獲取充填面地表移動(dòng)變形數(shù)據(jù)，有必要對各期監(jiān)測數(shù)據(jù)的質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn)。利用F檢驗(yàn)和t檢驗(yàn)方法對寒區(qū)充填面觀測站中監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行穩(wěn)定性分析，結(jié)果表明觀測期間控制點(diǎn)具有穩(wěn)定性，進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)目標(biāo)點(diǎn)存在3種形式的豎向移動(dòng)：一是采煤引起的地表沉降，二是長期的汽車荷載作用下路基沉降現(xiàn)象，三是季節(jié)性凍土層的融沉現(xiàn)象。最后一種現(xiàn)象在我國高緯度地區(qū)較為普遍，該現(xiàn)象的產(chǎn)生將擴(kuò)大地表移動(dòng)盆地邊界，減小主要影響正切值，不利于該類地質(zhì)采礦條件下地表移動(dòng)變形預(yù)計(jì)參數(shù)的準(zhǔn)確獲取。

充填開采 統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn) 穩(wěn)定性分析 季節(jié)性凍土層

固體充填開采作為綠色開采理念的重要組成部分，已成功應(yīng)用于我國10多個(gè)礦區(qū)[1]。結(jié)合現(xiàn)階段工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，固體充填開采充實(shí)率可達(dá)85%，有效地限制覆巖運(yùn)動(dòng)，大幅減小地表移動(dòng)變形極值，很好地保護(hù)地面建(構(gòu))筑物[2]。但相比于傳統(tǒng)垮落法開采，固體充填開采覆巖及地表移動(dòng)規(guī)律的研究尚不充分，急需建立不同地質(zhì)采礦條件下地表移動(dòng)觀測站，獲取充填開采地表移動(dòng)變形預(yù)計(jì)參數(shù)，完善固體充填開采巖層及地表控制體系。

觀測站中的監(jiān)測點(diǎn)分為控制點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)，控制點(diǎn)作為唯一起算數(shù)據(jù)決定著目標(biāo)點(diǎn)的絕對位移，而目標(biāo)點(diǎn)的絕對位移將直接反應(yīng)充填開采的地表移動(dòng)規(guī)律。因此，在實(shí)際觀測過程中，監(jiān)測點(diǎn)的穩(wěn)定性將間接地影響所獲取的充填開采地表移動(dòng)規(guī)律可靠性。本研究以獲取內(nèi)蒙古某礦充填開采地表移動(dòng)規(guī)律為研究背景，建立了1801充填面地表移動(dòng)變形觀測站，借助F檢驗(yàn)和t檢驗(yàn)對觀測站中監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行穩(wěn)定性檢驗(yàn)[3-5]。

1 穩(wěn)定性檢驗(yàn)數(shù)學(xué)模型

觀測站初期觀測中，點(diǎn)位出現(xiàn)微弱沉降現(xiàn)象，接近于測量誤差，無法判斷該變形是誤差所致還是真正的點(diǎn)位變化，重復(fù)觀測仍無法剔除上述點(diǎn)位，因此，利用F檢驗(yàn)和t檢驗(yàn)對點(diǎn)位穩(wěn)定性進(jìn)行檢驗(yàn)。

1.1 F檢驗(yàn)數(shù)學(xué)模型

(1)

式中，α為顯著水平(一般取0.05)，f為自由度。

(2)

(3)

式中，V為方差改正數(shù)；d=H2-H1(H為高程)；Pd、P為權(quán)重；h為間隙d協(xié)因數(shù)陣Q的秩。

(4)

如果上式成立，認(rèn)為所有檢驗(yàn)點(diǎn)位都是穩(wěn)定的，反之認(rèn)為檢測點(diǎn)位存在動(dòng)點(diǎn)。

1.2 t檢驗(yàn)數(shù)學(xué)模型

當(dāng)式(4)不成立時(shí)，檢測點(diǎn)位存在動(dòng)點(diǎn)，但不代表全部點(diǎn)位都是不穩(wěn)定的，此時(shí)再利用t檢驗(yàn)法進(jìn)行單點(diǎn)位移的顯著性檢驗(yàn)。假設(shè)2期觀測檢測點(diǎn)穩(wěn)定，構(gòu)造統(tǒng)計(jì)量

(5)

若上式成立，則接受原假設(shè)，該檢驗(yàn)點(diǎn)穩(wěn)定，反之該檢測點(diǎn)變化。

2 實(shí)例分析

2.1 地表移動(dòng)觀測站布設(shè)

內(nèi)蒙古某礦1801充填面設(shè)計(jì)面寬150 m,推進(jìn)長度1 116 m，煤層傾角3°～ 12°，采高2 m，平均開采深度為450 m，有夾矸。8煤層位于二迭系山西組下部的第一巖段的中部，頂板為砂質(zhì)泥巖，底板為砂泥巖，裂隙不發(fā)育，遇水不膨脹。地質(zhì)構(gòu)造屬于簡單型，直接、間接充水含水層的含水空間以裂隙為主，富水性中等。設(shè)計(jì)采用綜合機(jī)械化矸石充填采煤工藝，密實(shí)矸石充填法管理頂板。依據(jù)《煤礦測量規(guī)程》第259條的規(guī)定可取地表移動(dòng)觀測點(diǎn)間距為25 m。布設(shè)控制點(diǎn)3個(gè)，走向觀測點(diǎn)26個(gè)。平面測量儀器可選用測角精度為2″、測距精度為2+2×10-6D(D為觀測距離， km)的全站儀，水準(zhǔn)測量采用DS1級高精度水準(zhǔn)儀，按三等水準(zhǔn)測量精度要求進(jìn)行所有高程測量工作，觀測站布設(shè)情況見圖1。并于2013年12月與2014年4月分別進(jìn)行首次觀測與日常第一次觀測，利用上述統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法分別對控制點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)的穩(wěn)定性進(jìn)行檢驗(yàn)。

圖1 觀測站布設(shè)示意

2.2 控制點(diǎn)穩(wěn)定性分析

地表移動(dòng)觀測站的控制點(diǎn)不是嚴(yán)格意義的控制點(diǎn)，將控制點(diǎn)的高程作為待定點(diǎn)處理，利用秩虧自由網(wǎng)平差方法對控制點(diǎn)高程進(jìn)行平差處理。取長度為1 m的水準(zhǔn)測量路線觀測高差中誤差為單位權(quán)中誤差。首次觀測相關(guān)數(shù)據(jù)見表1，日常觀測第一次相關(guān)數(shù)據(jù)見表2。

表1 首次觀測相關(guān)數(shù)據(jù)

表2 日常第1次觀測相關(guān)數(shù)據(jù)

2.3 目標(biāo)點(diǎn)穩(wěn)定性分析

經(jīng)過上述分析，2期觀測期間控制點(diǎn)保持穩(wěn)定狀態(tài)，觀測站控制點(diǎn)高程可作為必要的起算數(shù)據(jù)，利用間接平差對目標(biāo)點(diǎn)高程進(jìn)行平差處理。定權(quán)方法與上相同。由于目標(biāo)點(diǎn)較多，基于篇幅限制，2期原始高差觀測數(shù)據(jù)在此不再羅列。

得到首次觀測的參數(shù)改正數(shù)與單位權(quán)方差

0.0,0.5,1,1,0.5,1,1.5,1.5,2,2.5,2.0,2.0,

得到日常觀測第一次的各參數(shù)改正數(shù)與單位權(quán)方差

5.0,2.0,1.5,2.0,0.5,0.0,0.5,0.5,1.5,5.0,4.0,

對平差后的目標(biāo)點(diǎn)高程進(jìn)行F檢驗(yàn)，F(xiàn)0=1.095F(0.05/26，52)=1.819，拒絕原假設(shè)，目標(biāo)點(diǎn)中存在動(dòng)點(diǎn)。利用t檢驗(yàn)法尋求動(dòng)點(diǎn)。求得間隙

取0.05的顯著水平，t(0.05/2,52)=2.007，得到各點(diǎn)的穩(wěn)定情況見表3。

剔除上述所有動(dòng)點(diǎn)后，再次進(jìn)行F檢驗(yàn)，第一步無顯著差異通過，取0.05顯著水平，F(xiàn)0=2.105

2.4 動(dòng)點(diǎn)成因分析

結(jié)合2期目標(biāo)點(diǎn)高程差曲線(如圖2)與目標(biāo)點(diǎn)的穩(wěn)定性分析結(jié)果，可知觀測線存在2個(gè)下沉區(qū)間，分別為Z4～Z11段和Z19～Z27段。以下將對上述2區(qū)間下沉現(xiàn)象進(jìn)行分析。

表3 基于t檢驗(yàn)的觀測點(diǎn)穩(wěn)定情況

圖2 2期觀測點(diǎn)高程差值

Z4～Z11測點(diǎn)段位于1801充填面采空區(qū)上方，地表無水系相連，最大下沉點(diǎn)Z8位于采空區(qū)中央(見圖1)，下沉量為5 mm，以Z8為中心對稱，該區(qū)間的下沉值向兩側(cè)逐漸減小，在一定距離后收斂為零(Z2和Z12的2次高程相同)，與采煤引起的地表下沉曲線分布形態(tài)相似。符合開采沉陷中相關(guān)理論：地表移動(dòng)變形初期變形值很小，且僅發(fā)生在采空區(qū)中心小范圍內(nèi)[6]。因此可判斷該區(qū)間目標(biāo)點(diǎn)的下沉為地下煤層開采所致，屬采煤引起地表沉陷現(xiàn)象。

Z19～Z27測點(diǎn)段距離當(dāng)前工作面推進(jìn)距離較遠(yuǎn)，由開采沉陷學(xué)相關(guān)理論可知，1801充填面的開采影響不會(huì)波及此處，同時(shí)該區(qū)附近無任何采掘活動(dòng)，可排除采煤因素。由圖2所示，可將該區(qū)間下沉曲線分為2部分：Z19～Z22和Z23～Z27子區(qū)間段，其中Z19～Z22下沉值基本相當(dāng)，而Z23～Z27區(qū)間段下沉值基本符合線性遞增規(guī)律。分析圖1觀測點(diǎn)點(diǎn)位示意圖，發(fā)現(xiàn)Z19～Z22區(qū)間段橫跨棋石一級公路，且Z20與Z21號監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)在路面上，Z19與Z23號監(jiān)測點(diǎn)位于公路路基上，考慮到該公路車流量大，多為運(yùn)煤車輛，載重量大，在長時(shí)間汽車荷載的影響下，公路路基發(fā)生沉降現(xiàn)象，最終導(dǎo)致公路及路基上所有測點(diǎn)下沉，并且下沉值基本相當(dāng)。而Z23～Z27區(qū)間段緊鄰河流，地層含水率較高，考慮到該礦區(qū)位于我國寒區(qū)，寒區(qū)地層中季節(jié)性凍土層具有凍脹與融沉特性，觀測站2期觀測分別為2013年12月和2014年4月，12月為該地區(qū)室外平均溫度為-25 ℃左右，低于水的凝固溫度，而4月該區(qū)室外平均溫度為18 ℃左右，高于水的凝固溫度，氣候的變暖引起凍土層發(fā)生融沉現(xiàn)象。已有研究表明，凍土層的含水率與地表融沉量呈正相關(guān)[7-9]，而本區(qū)Z23～Z27區(qū)間段含水率遞增，因此出現(xiàn)Z23～Z27區(qū)間段下沉值線性遞增，在Z27處達(dá)到最大的現(xiàn)象。

綜上所述，目標(biāo)點(diǎn)在2期觀測期間存在3種形式的豎向移動(dòng)，一是采煤引起的地表沉降，二是長期的汽車荷載作用下路基沉降現(xiàn)象，三是季節(jié)性凍土層的融沉現(xiàn)象。其中融沉現(xiàn)象導(dǎo)致地表下沉約8 mm，接近盆地邊界10 mm，將擴(kuò)大地表移動(dòng)盆地邊界，使得盆地邊界收斂減慢，縮小移動(dòng)盆地邊界角，減小主要影響角正切，不利于該類地質(zhì)采礦條件下地表移動(dòng)變形預(yù)計(jì)參數(shù)的準(zhǔn)確獲取。

4 結(jié)論與展望

(1)利用秩虧自由網(wǎng)平差方法對控制點(diǎn)高程進(jìn)行平差處理，再用F檢驗(yàn)與t檢驗(yàn)對控制點(diǎn)和觀測點(diǎn)進(jìn)行穩(wěn)定性檢驗(yàn)，驗(yàn)證了控制點(diǎn)在觀測期間保持穩(wěn)定狀態(tài)，可作為監(jiān)測網(wǎng)的必要起算數(shù)據(jù)。

(2)利用間接平差方法對觀測點(diǎn)高程進(jìn)行平差處理，并對點(diǎn)位穩(wěn)定性進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果顯示觀測點(diǎn)大多為不穩(wěn)定點(diǎn)，觀測點(diǎn)存在3種形式的豎向移動(dòng)：一種是采煤引起的地表沉降；二是長期的汽車荷載作用下路基沉降現(xiàn)象；三是季節(jié)性凍土層的融沉現(xiàn)象。后一現(xiàn)象的產(chǎn)生將擴(kuò)大地表移動(dòng)盆地邊界，減小主要影響正切值tanβ，不利于該類地質(zhì)采礦條件下地表移動(dòng)變形預(yù)計(jì)參數(shù)的準(zhǔn)確獲取。

(3)本研究僅闡述1801充填面存在季節(jié)性凍土層融沉現(xiàn)象，但并未提出基于融沉現(xiàn)象的寒區(qū)監(jiān)測數(shù)據(jù)修正模型。后續(xù)工作將結(jié)合該區(qū)凍土層融沉系數(shù)分布規(guī)律，建立修正模型，為準(zhǔn)確獲取寒區(qū)充填采煤地表移動(dòng)規(guī)律、地表移動(dòng)動(dòng)態(tài)參數(shù)及角值參數(shù)提供科學(xué)依據(jù)。

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(責(zé)任編輯 徐志宏)

Stability Analysis of Surface Deformation Monitoring Data of Backfill Mining in Cold Region

Guo Qingbiao1,2,3Guo Guangli1,2,3Wang Jintao1,2,3

(1.SchoolofEnvironmentScienceandSpatialInformatics，ChinaUniversityofMiningandTechnology，Xuzhou221116;2.NASGKeyLaboratoryofLandEnvironmentandDisasterMonitoring，Xuzhou221116，China;3.JiangsuKeyLaboratoryofResourcesandEnvironmentInformationEngineering，Xuzhou221116，China)

In order to accurately obtain filling mining surface deformation data，it is necessary to test the quality of monitoring data at each period.The results show that control points are stable during monitoring through F-test and t-test for the stability analysis of surface deformation monitoring data of filling in cold region.Then，further analysis indicates that there are three kinds of vertical movements：the first is the surface subsidence caused by mining；the second is roadbed subsidence under long-term car loads；the last one is thaw collapse of seasonal frozen soil.The last is more general in the high latitude regions of China，and this phenomenon will have some influence on the surface deformation monitoring data，which enlarges the surface movement boundary and reduces the main affecting tangent angle.It is not conducive for getting estimated parameter accurately for this kind of geological and mining conditions.

Backfill mining，Statistical tests，Stability analysis，Seasonal frozen soil

2015-02-02

“十二五”國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(編號：2012BAB13B03)，國家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目(編號：41104011)，江蘇省高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程項(xiàng)目(編號：SA1102)，中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)專項(xiàng)(編號：2012LWB32)。

郭慶彪(1990—)，男，博士研究生。

TD17

A

1001-1250(2015)-04-220-04