采空區(qū)上方建筑物變形規(guī)律分析研究

姜 洲 袁興明 靳合波

(1.濟(jì)南市勘察測(cè)繪研究院，山東 濟(jì)南 250101; 2.山東工業(yè)職業(yè)學(xué)院，山東 淄博 256414;3.青島理工大學(xué)，山東 臨沂 273400)

0 引言

受地下開采影響，建筑物的變形與破壞是由于上方及其周圍地表產(chǎn)生的移動(dòng)與變形作用于建筑物的基礎(chǔ)，導(dǎo)致建筑物受到附加應(yīng)力的作用而產(chǎn)生[1-3]。在不同的地表變形作用下，對(duì)建筑物將產(chǎn)生不同的影響。通過查閱相關(guān)資料發(fā)現(xiàn)采空區(qū)上方引起變形主要原因有資源開采造成的地下水位的變化、地表傾斜的變化、曲率的影響等[4-6]。

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)采空區(qū)建筑物變形規(guī)律進(jìn)行了大量的理論研究和實(shí)踐分析，監(jiān)測(cè)方法和理論可以用于常規(guī)的變形監(jiān)測(cè)情況[5-8]。本文主要基于常規(guī)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)、數(shù)據(jù)采集，通過變形規(guī)律分析，推算出建筑物變形情況，結(jié)果顯示0.5″的全站儀監(jiān)測(cè)的結(jié)果和推算出的變形量相差很小。

1 地表變形分析公式

根據(jù)建筑物沉降規(guī)律資料分析，需要計(jì)算相應(yīng)的各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降數(shù)據(jù)、水平移動(dòng)量、水平變形、曲率等，具體的計(jì)算方法和算法如下[1,6-8]：

1)某點(diǎn)的下沉數(shù)值W，mm:

W=Hm-H0

(1)

其中，Hm和H0分別為該點(diǎn)在第m次和第1次觀測(cè)時(shí)的高程。

2)某點(diǎn)的水平移動(dòng)量U，mm：

U=Lm-L0

(2)

其中，Lm和L0分別為該點(diǎn)在第m次和第1次觀測(cè)時(shí)距觀測(cè)線控制點(diǎn)的水平距離，用點(diǎn)間距離累加求得。

3)某點(diǎn)水平變形ε，mm/m：

ε=(Ub-Ua)/Δx=ΔU/Δx

(3)

其中，Δx為a，b兩點(diǎn)間的水平距離。

4)某點(diǎn)傾斜i，mm/m：

i=(Wb-Wa)/Δx=ΔW/Δx

(4)

其中，Δx為a，b兩點(diǎn)間的水平距離。

5)某點(diǎn)附近的曲率K,mm/m/m：

K=(i2-i1)/Δx=ΔI/Δx

(5)

其中，Δx為a，b兩點(diǎn)間的水平距離。

6)某點(diǎn)的下沉速度V,mm/d:

V=(Wm-Wn)/t

(6)

2 煤礦集團(tuán)門樓數(shù)據(jù)分析

根據(jù)地表巖移觀測(cè)方案，在煤礦集團(tuán)門樓布設(shè)四個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，分別為DNJ1,DNJ2,DNJ3,DNJ4。觀測(cè)時(shí)間自2016年2月14日截止到2017年1月12日，總共觀測(cè)了12期，取第3期～第9期數(shù)據(jù)分析，具體計(jì)算見表1。

2.1 沉降分析

表1 門樓第3期和第9期各點(diǎn)沉降量分析

利用前面的計(jì)算公式可以得出，沉降點(diǎn)的變化量數(shù)值等于首尾兩期的高程差值。通過分析表1第3期和第9期各點(diǎn)的沉降變化量，四個(gè)門樓墩柱沉降量分別為：36 mm,36 mm,35 mm,34 mm，平均27 mm，最大沉降量和最小沉降量相差2 mm，通過查閱資料以及分析地下煤層的開采情況，四個(gè)點(diǎn)均屬于均勻沉降，各點(diǎn)沉降分析柱形圖見圖1。

2.2 水平變形

通過查閱工程測(cè)量以及周邊地區(qū)煤礦的巖移觀測(cè)報(bào)告，以及分析得出巖移觀測(cè)水平移動(dòng)系數(shù)介于0.1～0.2之間，結(jié)合5采區(qū)的實(shí)際開采情況選擇水平移動(dòng)系數(shù)為0.15。

通過沉降分析結(jié)果得出平均沉降量為27 mm，得到各點(diǎn)的水平移動(dòng)變化量與水平變形如下：

U=b×Wmax=0.15×27=4.05 mm,ε=U/Δx=0.23 mm/m。

四個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)最大距離為17 m，其他的水平變形都小于0.23 mm/m，所以要觀測(cè)如此小的變形需要提前對(duì)門墩進(jìn)行精密變形測(cè)量[1,6,8]。

2.3 傾斜變形最大沉降量

通過監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降分析得出，最大沉降量和最小沉降量相差2 mm，i=(Wb-Wa)/Δx=ΔW/Δx=0.12 mm/m。

2.4 實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)成果

1)觀測(cè)周期從1期到12期各點(diǎn)沉降量分析圖見圖2。

2)0.5″全站儀觀測(cè)水平變形分析圖見圖3。

通過對(duì)實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及推算數(shù)據(jù)分析可以得出，利用電子水準(zhǔn)儀和0.5″全站儀對(duì)采空區(qū)上方建筑物布設(shè)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)分析，監(jiān)測(cè)沉降和變形速度比較大的出現(xiàn)在第9期之前，之后的3期沉降量和水平變形變化較小，可以得出采空區(qū)上方建筑物趨于穩(wěn)定。

通過對(duì)比分析圖2與圖3可以得出監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平方向變形特點(diǎn)，x方向出現(xiàn)往北方向偏移的現(xiàn)象，y方向出現(xiàn)向西偏移的現(xiàn)象，這與監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降量有一定的關(guān)系，通過查閱資料以及對(duì)采煤掘進(jìn)的巷道分析，沉降位移的變化與走向線、傾向線方向一致，偏向西北方向。

3 結(jié)語

1)通過利用電子水準(zhǔn)儀和0.5″全站儀對(duì)采空區(qū)上方建筑物布設(shè)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)分析，監(jiān)測(cè)沉降和變形速度比較大的出現(xiàn)在第9期之前，之后的3期沉降量和水平變形變化較小，可以得出采空區(qū)上方建筑物趨于穩(wěn)定。

2)監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平方向變形特點(diǎn)，x方向出現(xiàn)往北方向偏移的現(xiàn)象，y方向出現(xiàn)向西偏移的現(xiàn)象，這與監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降量有一定的關(guān)系，通過查閱資料以及對(duì)采煤掘進(jìn)的巷道分析，沉降位移的變化與走向線、傾向線方向一致，偏向西北方向。

3)通過分析第3期和第9期的數(shù)據(jù)可以得出，建筑物位移變化與后來幾期數(shù)據(jù)相差很小，可以用于后面其他建筑物的沉降規(guī)律分析，可以減少相應(yīng)工作量，提高工作效率，為類似建筑物沉降變形分析提供實(shí)踐依據(jù)。

[1] 吳子安.工程建筑物變形觀測(cè)數(shù)據(jù)處理[M].北京:測(cè)繪出版社,1999.

[2] 劉振宇,高雪峰,袁欣華,等.GPS技術(shù)在變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用和發(fā)展趨勢(shì)[J].測(cè)繪與空間地理信息,2015(6)：140-143.

[3] 王志偉,曲國慶,齊仰旭.GPS和全站儀在井筒十字線恢復(fù)中的應(yīng)用[J].測(cè)繪與空間地理信息,2014,37(8):41-43.

[4] 孫玉強(qiáng),馬鑫程,袁興明.基于SPSS曲線擬合在礦山巖移監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)分析中應(yīng)用[J].礦山測(cè)量,2017,45(3):53-56.

[5] 張安兵,高井祥,張兆江.基于多尺度的老采空區(qū)上方建筑物變形分析及預(yù)報(bào)[J].巖土力學(xué),2011(8):423-426.

[6] 馬鑫程,孫玉強(qiáng),袁興明.小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)變形監(jiān)測(cè)分析中的應(yīng)用[J].礦山測(cè)量,2016,44(6):44-47.

[7] 于廣明，孫洪泉，趙建鋒.采礦引起地表點(diǎn)動(dòng)態(tài)下沉的分形增長規(guī)律研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2001,20(1):34-37.

[8] 袁興明,曲國慶,任 婷.基于AR模型的礦山GPS監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析預(yù)報(bào)[J].山東理工大學(xué)學(xué)報(bào),2011,25(4):79-81.