采空區(qū)地表沉降規(guī)律監(jiān)測分析研究與應(yīng)用

趙好楠 靳合波 袁興明

(1.山東正大地理信息科技集團(tuán)有限公司，山東 濰坊 261000; 2.青島理工大學(xué)，山東 臨沂 273400; 3.山東工業(yè)職業(yè)學(xué)院建筑與信息工程學(xué)院，山東 淄博 256414)

0 引言

自然界受各種力的影響，在一定時期、一定的位置處于平衡狀態(tài)。地下資源在未被開采之前，地表建筑物、巖石土壤、地下水以及礦山資源受各種預(yù)應(yīng)力的影響，基本處于平衡狀態(tài)。隨著我國改革開放之后，經(jīng)濟(jì)建設(shè)快速發(fā)展，各行各業(yè)出現(xiàn)了非常大的成就，為經(jīng)濟(jì)建設(shè)提供了能源支持的煤炭，開采力度比較大，導(dǎo)致地表以及建筑物出現(xiàn)裂縫甚至塌陷，在我國濟(jì)寧、棗莊地區(qū)出現(xiàn)了大量的地面塌陷，對周邊的建筑物和構(gòu)筑物造成了很大的威脅[1,2]。

隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，數(shù)據(jù)處理的精度越來越高，并且達(dá)到高度集成自動化。建筑沉降軟件ST，是基于建筑物沉降變化的理論與規(guī)律以及荷載增加的變化情況，借助計(jì)算機(jī)硬件所開發(fā)的致力于沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)處理的一種工具。能夠及時分析出建筑物地基的沉降量、不均勻沉降(沉降差)及沉降速度、期沉降量、期沉降速度、地基傾斜、局部傾斜、相對彎曲和構(gòu)件傾斜等[3-5]。

外業(yè)測量采用了徠卡數(shù)字水準(zhǔn)儀以及處理軟件，在內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理中采用沉降觀測分析軟件和SPSS數(shù)據(jù)分析軟件[6-9]，主要受甲方要求重點(diǎn)分析了傾向線A沉降規(guī)律，地理位置比較特殊，傾向線A布設(shè)在出入村莊的主要干道，并且北面是幾個養(yǎng)殖場和小學(xué)，南邊是一排帶院的沿街房屋。及時對開采的情況進(jìn)行分析，分析出變化的曲線，做到了理論與實(shí)際開采沉陷相結(jié)合。觀測獲得的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，精度高，研究成果可靠，變化規(guī)律清晰，完全可以應(yīng)用于煤礦地表的沉降分析，做到了理論與實(shí)際開采沉陷相結(jié)合。為采空區(qū)上方的建筑物、道路和農(nóng)用設(shè)施的安全提供了指導(dǎo)性建議，挽回了不必要的經(jīng)濟(jì)損失，為解決礦區(qū)與周邊居民的矛盾問題提供了實(shí)際數(shù)據(jù)支持。

1 監(jiān)測線設(shè)計(jì)

觀測線的長度應(yīng)保證兩端(半條觀測線時為一端)超出采動影響范圍，以便建立觀測線控制點(diǎn)和測定采動影響邊界。設(shè)站時移動盆地邊界是根據(jù)類比的沉陷參數(shù)或條件類似的其他礦區(qū)的參數(shù)確定的[3-5]。

為了充分反映地表移動與變形規(guī)律，分別沿礦體走向和傾向主斷面布設(shè)了兩條觀測線。為了保證其觀測質(zhì)量，觀測線應(yīng)有足夠的長度，兩端應(yīng)布設(shè)控制點(diǎn)，工作測點(diǎn)的外端至控制點(diǎn)的距離不應(yīng)少于50 m～100 m，并且應(yīng)保證控制點(diǎn)位于開采范圍之外[3-5]。具體布設(shè)觀測站平面圖如圖1所示。

2 外業(yè)數(shù)據(jù)獲取與數(shù)據(jù)處理

1)監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)獲取。

外業(yè)獲取監(jiān)測點(diǎn)的高程變化，主要包括基準(zhǔn)點(diǎn)、工作基點(diǎn)和監(jiān)測點(diǎn)，高程基準(zhǔn)點(diǎn)和工作基點(diǎn)沿路，按二等水準(zhǔn)要求聯(lián)測，中間若干監(jiān)測點(diǎn)，形成閉合環(huán)，采用Leica DNA03自動安平電子水準(zhǔn)儀和相應(yīng)銦瓦水準(zhǔn)尺。施測前，按規(guī)程要求進(jìn)行檢驗(yàn)。采用觀測程序和模式按DNA03內(nèi)置的線路測量程序和方法進(jìn)行。

2)數(shù)據(jù)處理。

外業(yè)觀測后，及時對野外觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，水平數(shù)據(jù)處理及水準(zhǔn)測量均采用導(dǎo)線平差軟件3.0。每完成一條水準(zhǔn)路線的測量，進(jìn)行測段往返測高差不符值Δi(mm)及每測站所測高差中數(shù)的中誤差mΔ(mm)計(jì)算。

(1)

其中，N為測段數(shù)；n為每個測段的平均測站數(shù)。

計(jì)算所得的mΔ值不超過方案中所要求的每測站高差中數(shù)中誤差。

3 數(shù)據(jù)分析

1)監(jiān)測點(diǎn)沉降變化。

利用ST軟件分析處理的各期的監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)，取傾向線A為研究分析對象，監(jiān)測點(diǎn)自西向東布設(shè)，由于受地形影響布設(shè)了半條監(jiān)測線，利用ST軟件計(jì)算出了最大沉降速率、最大沉降量和最大期沉降速率，經(jīng)過分析得出監(jiān)測點(diǎn)沉降量自西向東逐漸增大，A9出現(xiàn)最大下沉值，如表1所示。

表1 傾向線A沉降量統(tǒng)計(jì)表

2)SPSS軟件分析。

采用SPSS數(shù)據(jù)分析軟件，進(jìn)行曲線估計(jì)，根據(jù)模型包，完成模型的參數(shù)估計(jì)、F值、概率等統(tǒng)計(jì)量，選擇合適的模型進(jìn)行估計(jì)預(yù)測。常用的模型有線性、函數(shù)、生長、對數(shù)、多次方程、逆、冪等數(shù)學(xué)模型以及邏輯分析。在進(jìn)行分析時可以選擇幾種函數(shù)模型，分析出最佳估計(jì)[6-9]。本文研究分析的函數(shù)模型選取如下：

h=52.303+4.39×10-5t-7.21×10-7t2+7.20×10-10t3。

4 沉降規(guī)律研究

沉降觀測數(shù)據(jù)分析后，利用軟件繪制各類曲線，主要有傾向線A沉降過程組合線、傾向線A平均沉降過程線、沉降累計(jì)量柱形圖以及SPSS擬合等曲線，具體見圖2～圖5。

分析表1以及沉降曲線圖和平均沉降過程線可以得出，最大累計(jì)沉降：-309.0 mm，最小累計(jì)沉降-71.7 mm，最大累計(jì)沉降速度：-58.7 mm/100 d，最大期沉降速度：-158.6 mm/100 d。沉降量開始下沉比較小，10期之后下沉開始慢慢變大，14期之后逐漸趨向平穩(wěn)；通過沉降速度分析，第2期沉降速度變大，主要是由于埋樁后地面的土壤的沉降造成，一直到11期后開始加大下沉速度，主要是由于回采面結(jié)束后，引起了地表的形變，15期后下沉速度逐漸減慢，地表慢慢恢復(fù)達(dá)到新的平衡狀態(tài)。該工作面的變形情況基本符合該區(qū)域開采后造成的沉降問題。

分析圖4和圖5可以得出，A9出現(xiàn)最大下沉值，A1下沉至最小，由于傾向線A布設(shè)了一半，A9之后自西向東逐漸減小的趨勢沒有描述出，最大期沉降出現(xiàn)在11期，第15期之后沉降速度開始變小。利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析軟件SPSS以及曲線擬合，可以分析出實(shí)測區(qū)域的監(jiān)測點(diǎn)變化和擬合曲線分析預(yù)測的結(jié)果，通過結(jié)果對比分析，可以得出SPSS軟件對沉降數(shù)據(jù)擬合分析出相應(yīng)的曲線和擬合公式，可以用于后續(xù)的沉降預(yù)測分析。

5 結(jié)語

1)利用ST軟件能夠結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)，提高曲線擬合分析的精度和速度。用于工程中能夠分析出采空區(qū)上方特征點(diǎn)的變化和出現(xiàn)的時間，分析地表變化的規(guī)律。利用SPSS軟件選擇合適的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析，得到曲線和擬合的公式，用于后續(xù)的監(jiān)測點(diǎn)變化分析。2)本文利用地表監(jiān)測點(diǎn)的高程變化，分析預(yù)應(yīng)力的變化對地表的建筑物、道路和河流的變化，分析出變化的最大值以及相應(yīng)的趨勢，為地表人類活動和生產(chǎn)提供技術(shù)支持。為解決礦區(qū)和周圍村民的生產(chǎn)矛盾，提供了理論和實(shí)踐的支持，減少了大量不必要的損失，該方法可以用于其他地區(qū)的地表巖移規(guī)律研究分析。