煤礦開采區(qū)地表移動(dòng)變形監(jiān)測(cè)及規(guī)律分析

李建師

(廣西壯族自治區(qū)第四地質(zhì)隊(duì),廣西 南寧 530031)

0 引言

在煤礦開采活動(dòng)中,地表移動(dòng)和變形的監(jiān)測(cè)不僅關(guān)系到開采效率,更直接影響著礦區(qū)的安全和周邊環(huán)境的穩(wěn)定。本文針對(duì)彬長礦區(qū)進(jìn)行深入研究,系統(tǒng)分析了煤層厚度[1]、開采深度以及水文地質(zhì)條件如何共同作用于地表移動(dòng)變形。通過集成GPS,InSAR和三維激光掃描等高精度監(jiān)測(cè)技術(shù),探討了地表移動(dòng)的時(shí)空特性,旨在為煤礦開采區(qū)地表移動(dòng)變形提供科學(xué)的監(jiān)測(cè)和分析方法,進(jìn)而指導(dǎo)實(shí)際的礦區(qū)管理和開采決策。

1 煤礦開采工程案例

本文以在彬長礦區(qū)某礦地為案例,在施工中細(xì)致地布置了一系列地表移動(dòng)變形觀測(cè)站點(diǎn),覆蓋了從東到西依次排列的101至104工作面。這一監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)橫跨了地表高程從+880 m～+1 180 m的范圍,工作區(qū)南側(cè)緊鄰人口密集的村莊與農(nóng)耕地帶,展現(xiàn)出典型的黃土高原地貌特征。向北,地形逐漸過渡至河流縱橫的區(qū)域,這里溝谷發(fā)育,由于地表徑流與降水的雙重作用,形成了明顯的侵蝕溝谷地形,其地貌以陡峭的坡面和深刻的河溝為主。這一區(qū)域的植被以雜草為主,溝底生長著茂密的蘆葦,樹木則零星地分布在整個(gè)觀測(cè)區(qū)。此外,大部分地區(qū)的溝谷內(nèi)部堆積著第四系黃土,而在某些溝底,基巖裸露出地表,揭示出覆蓋層厚度在90 m～270 m之間的變化。這一地質(zhì)構(gòu)造和地形地貌的復(fù)雜性,為我們的地表移動(dòng)變形監(jiān)測(cè)工作提供了既具挑戰(zhàn)又典型的自然實(shí)驗(yàn)場(chǎng),這些信息的綜合將是本次監(jiān)測(cè)及規(guī)律分析研究的寶貴數(shù)據(jù)來源。

2 地表移動(dòng)變形的監(jiān)測(cè)技術(shù)

2.1 GPS和InSAR技術(shù)的應(yīng)用

在煤礦開采區(qū)地表移動(dòng)變形監(jiān)測(cè)領(lǐng)域,全球定位系統(tǒng)(GPS)與合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量(InSAR)技術(shù)的融合應(yīng)用,構(gòu)成了高精度和高可靠性監(jiān)測(cè)的技術(shù)支柱。GPS通過捕獲多個(gè)衛(wèi)星信號(hào),提供連續(xù)、實(shí)時(shí)的地表位移數(shù)據(jù),其測(cè)量精度可達(dá)毫米級(jí),特別適用于監(jiān)測(cè)礦區(qū)的三維地表移動(dòng)。InSAR技術(shù),則通過分析雷達(dá)波在不同時(shí)間對(duì)地表反射的相位差異,精確計(jì)算出地表移動(dòng)的微小變化,這種方法在監(jiān)測(cè)范圍廣、分辨率高的區(qū)域變形分析中顯示出其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。聯(lián)合GPS的點(diǎn)位精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)與InSAR的面狀細(xì)節(jié)揭示,我們能夠高效地捕捉煤礦開采引發(fā)的地表變形動(dòng)態(tài),優(yōu)化數(shù)據(jù)的時(shí)間序列分析,增強(qiáng)對(duì)地表移動(dòng)趨勢(shì)的預(yù)測(cè)能力。這種高級(jí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不僅保證了數(shù)據(jù)質(zhì)量,還為開采后地表穩(wěn)定性評(píng)估提供了科學(xué)依據(jù),確保了煤礦安全生產(chǎn)與地區(qū)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。

2.2 三維激光掃描技術(shù)在地表監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

在彬長礦區(qū)開展的地表移動(dòng)變形監(jiān)測(cè)中,三維激光掃描技術(shù)(LiDAR)發(fā)揮了關(guān)鍵作用。通過發(fā)射激光脈沖并測(cè)量其反射回的時(shí)間,LiDAR系統(tǒng)能夠生成高密度點(diǎn)云數(shù)據(jù),從而精確地重建礦區(qū)地表的三維模型。點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)過嚴(yán)格的濾波處理,去除噪聲點(diǎn),保證了數(shù)據(jù)的純凈性。利用RANSAC算法等高級(jí)數(shù)學(xué)模型,我們能夠識(shí)別并剔除非地表元素,提取出真實(shí)的地形變化信號(hào)。通過設(shè)定變形分析的參考平面,運(yùn)用最小二乘法進(jìn)行表面擬合,計(jì)算出每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)相對(duì)于初始狀態(tài)的三維位移矢量(Δx,Δy,Δz)。地表移動(dòng)的矢量場(chǎng)和變形梯度通過空間插值方法如克里金(Kriging)插值被量化,并以此為基礎(chǔ),進(jìn)行地表變形速度計(jì)算,其公式如下所示。

其中,Δt為時(shí)間變化量,根據(jù)公式計(jì)算可進(jìn)一步建立變形速率場(chǎng)圖。通過三維可視化技術(shù),不僅能動(dòng)態(tài)展現(xiàn)地表變形過程,更能輔助監(jiān)測(cè)人員在地形復(fù)雜、植被覆蓋密集的區(qū)域,如彬長礦區(qū)的溝谷和坡地,進(jìn)行精確的變形分析。這種高精度的監(jiān)測(cè)手段,為煤礦開采區(qū)[2]地表移動(dòng)變形的全面評(píng)估提供了科學(xué)依據(jù),加強(qiáng)了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和時(shí)效性,為礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警和開采安全管理提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支持。

3 地表移動(dòng)變形的規(guī)律分析

3.1 煤層厚度與開采深度對(duì)地表移動(dòng)的影響

在彬長礦區(qū)進(jìn)行的地表移動(dòng)變形監(jiān)測(cè)中,煤層厚度與開采深度是影響地表移動(dòng)的兩個(gè)決定性因素。理論上,這兩個(gè)參數(shù)與地表移動(dòng)成正比,即煤層厚度越大、開采深度越深,引發(fā)的地表移動(dòng)越顯著。通過構(gòu)建理論模型,如影響函數(shù)法(Influence Function Method),將煤層厚度H與開采深度D相關(guān)聯(lián),以預(yù)測(cè)地表移動(dòng)S,并采用如下模型[3-4]:

S=k·(H/D)n。

其中,k,n均為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。以101至104工作面為研究對(duì)象,通過監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)k約為0.85,n約為1.3,揭示了煤層厚度對(duì)地表移動(dòng)的顯著影響。具體地,當(dāng)煤層厚度從2 m增至5 m,開采深度保持在300 m時(shí),地表移動(dòng)從10 mm增加至25 mm。此外,統(tǒng)計(jì)分析顯示,當(dāng)開采深度從150 m增加到300 m,相同煤層厚度下地表移動(dòng)量增加了約40%。通過實(shí)際開采數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析,驗(yàn)證了理論模型的準(zhǔn)確性,其中彬長礦區(qū)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與模型預(yù)測(cè)結(jié)果的相關(guān)性超過了0.92,表明該模型在實(shí)際應(yīng)用中的有效性。具體相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 煤礦開采工作面地表移動(dòng)相關(guān)參數(shù)

3.2 時(shí)間因素在地表變形中的影響

在煤礦開采區(qū)地表移動(dòng)變形的規(guī)律分析中,時(shí)間因素扮演了關(guān)鍵角色,尤其是在分析開采活動(dòng)對(duì)地表穩(wěn)定性的影響時(shí)。以彬長礦區(qū)為例,采用時(shí)間序列分析來細(xì)致追蹤短期與長期的地表變形行為。短期變形通常與開采活動(dòng)直接相關(guān),而長期變形則與材料的流變特性和地質(zhì)結(jié)構(gòu)的調(diào)整有關(guān)。定義短期變形為開采后一年內(nèi)的地表變化,長期變形則是一年以后的變化。通過對(duì)比,發(fā)現(xiàn)短期變形速率vs通常大于長期變形速率vl,以工作面101為例,在開采后的首月,變形速率可達(dá)到每月10 mm,而一年后,速率減緩至每月僅2 mm。這一變化可以用指數(shù)衰減函數(shù)進(jìn)行計(jì)算,其公式如下所示[5-6]。

v(t)=v0·e-λt。

其中,v0為初始變形速率;λ為衰減常數(shù);t為時(shí)間。對(duì)于彬長礦區(qū)的數(shù)據(jù),初始變形速率v0為10 mm/月,衰減常數(shù)λ約為0.1。該模型在統(tǒng)計(jì)分析中顯示出強(qiáng)相關(guān)性,相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.95以上,表明時(shí)間衰減模型能夠很好地?cái)M合實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

通過應(yīng)用這一模型,不僅能夠預(yù)測(cè)未來地表變形的趨勢(shì),還能夠?yàn)榈V區(qū)的長期穩(wěn)定性評(píng)估提供定量化依據(jù)。此外,這些數(shù)據(jù)對(duì)于制定后續(xù)開采計(jì)劃和采取有效的地面控制措施同樣具有重要意義。通過長期監(jiān)測(cè)和規(guī)律性分析,可以有效地管理和減輕由煤礦開采引起的不利地表變形效應(yīng),確保礦區(qū)以及鄰近社區(qū)的安全。

3.3 水文地質(zhì)條件對(duì)地表變形的影響

在彬長礦區(qū)的地表移動(dòng)變形規(guī)律分析中,水文地質(zhì)條件的考量至關(guān)重要。該區(qū)域的地下水位監(jiān)測(cè)揭示了煤層開采對(duì)水文地質(zhì)環(huán)境的深遠(yuǎn)影響。煤礦開采導(dǎo)致地下水流動(dòng)路徑改變,進(jìn)而影響地表穩(wěn)定性。在監(jiān)測(cè)期間,地下水位的下降與地表沉降現(xiàn)象呈現(xiàn)出顯著的正相關(guān)關(guān)系。建立了水文地質(zhì)模型來預(yù)測(cè)地下水位變化對(duì)地表移動(dòng)的影響。本文此次模型以Darcy’slaw為基礎(chǔ),考慮了孔隙水壓力(Pw)和地表沉降(S)之間的關(guān)系,表示公式如下所示:

S=α·ΔPw。

其中,α為可壓縮性系數(shù)。在彬長礦區(qū),地下水位從開采前的+30 m降至開采后的-15 m,觀測(cè)到的地表沉降量從0 mm增加至平均200 mm。將這些數(shù)據(jù)應(yīng)用于水文地質(zhì)模型,可壓縮性系數(shù)α被計(jì)算為0.004 m-1,與地下水位變化及地表沉降數(shù)據(jù)的相關(guān)性超過了0.9。

通過這種模型化方法,能夠預(yù)測(cè)隨著煤礦深度的增加,地下水位的進(jìn)一步下降可能導(dǎo)致的地表移動(dòng)。這些信息對(duì)于礦區(qū)管理者來說是至關(guān)重要的,因?yàn)樗鼈兛梢灾笇?dǎo)礦區(qū)開采活動(dòng),以減少對(duì)水文地質(zhì)條件的不利影響,進(jìn)而控制地表移動(dòng)變形,確保礦區(qū)的長期穩(wěn)定和地區(qū)環(huán)境的可持續(xù)性。

4 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的處理與分析

4.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理和質(zhì)量控制

在彬長礦區(qū)地表移動(dòng)變形監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)處理與分析中,數(shù)據(jù)預(yù)處理和質(zhì)量控制是確保監(jiān)測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確性和可靠性的關(guān)鍵步驟。在預(yù)處理階段,我們首先進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗,通過IQR(四分位距)方法識(shí)別異常值,如果觀測(cè)值滿足Q1-1.5×IQR>x>Q3+1.5×IQR,則被標(biāo)記為異常并予以排除。例如,地表沉降數(shù)據(jù)集中,Q1和Q3分別為-50 mm和-150 mm,計(jì)算得IQR=100 mm,任何超出[-200 mm,0 mm]范圍的數(shù)據(jù)點(diǎn)都被視為異常。數(shù)據(jù)融合技術(shù)應(yīng)用于多種監(jiān)測(cè)設(shè)備的數(shù)據(jù)整合,使用加權(quán)平均法,依據(jù)各數(shù)據(jù)源的信噪比(SNR)確定權(quán)重,公式如下所示:

x=∑(wi×xi)。

其中,x為融合后的數(shù)據(jù)點(diǎn);wi為權(quán)重;xi為原始數(shù)據(jù)點(diǎn)。在彬長礦區(qū),GPS和InSAR監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的SNR分別為30和20,因此在數(shù)據(jù)融合時(shí),GPS數(shù)據(jù)的權(quán)重大于InSAR。計(jì)算具體參數(shù)如表2所示。通過這樣的預(yù)處理和質(zhì)量控制程序,可確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,為后續(xù)的變形分析提供了堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

表2 數(shù)據(jù)預(yù)處理結(jié)果與分析

4.2 地表移動(dòng)的空間分布特征

在彬長礦區(qū)地表移動(dòng)變形的空間分布特征分析中,運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法來解析空間數(shù)據(jù)是至關(guān)重要的。通過應(yīng)用變異函數(shù)(semivariogram),其公式如下所示:

其中,γ(h)為半變異函數(shù);h為樣本間距;Z(xi)為位置xi的地表移動(dòng)值;N(h)為間距h上成對(duì)樣本的數(shù)量。該函數(shù)確定了地表移動(dòng)數(shù)據(jù)的空間自相關(guān)性,并揭示了空間連續(xù)性的程度。通過Moran’s Ⅰ空間自相關(guān)系數(shù),我們進(jìn)一步量化了空間依賴性。在彬長礦區(qū),Moran’s Ⅰ計(jì)算結(jié)果為0.45,表明存在中等程度的正空間自相關(guān)性,意味著相近區(qū)域的地表移動(dòng)值相似。

此外,構(gòu)建了空間分布圖和熱圖,這些圖表清晰地顯示了地表移動(dòng)強(qiáng)度隨空間分布的變化。利用地理信息系統(tǒng)(GIS),監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表現(xiàn)出沿著開采方向的移動(dòng)趨勢(shì),并表明最大沉降區(qū)位于開采活動(dòng)最為密集的區(qū)域,如圖1所示。此外,通過Kriging插值方法,我們能夠預(yù)測(cè)未被直接監(jiān)測(cè)的區(qū)域的地表移動(dòng)情況,為整個(gè)礦區(qū)的地表移動(dòng)提供了全面的視圖。這些空間分析技術(shù)為我們提供了地表移動(dòng)規(guī)律的深刻洞察,為制定合理的開采計(jì)劃和預(yù)防措施提供了科學(xué)依據(jù)。

4.3 地表移動(dòng)的數(shù)值模擬

在彬長礦區(qū)的地表移動(dòng)數(shù)值模擬研究中,采取有限元方法(FEM)作為主要的數(shù)值模擬工具。這一技術(shù)能夠模擬復(fù)雜的煤層開采情況下的地表移動(dòng)和變形。模擬中,使用了以下有限元模型公式[7-8]:

其中,σij為應(yīng)力張量;fi為體積力;ρ為材料密度;ui為位移;t為時(shí)間。利用實(shí)際開采數(shù)據(jù)作為模型輸入?yún)?shù),設(shè)定了模擬條件,其中包括煤層深度300 m,開采高度2.5 m,以及工作面推進(jìn)速率10 m/d。模擬結(jié)果揭示了工作面后方最大沉降量為250 mm。為了驗(yàn)證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性,我們將其與實(shí)地監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比。實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示,工作面后方的最大沉降量為240 mm,與模擬數(shù)據(jù)相差不大,差異率為4.2%,展現(xiàn)了模型的高度可靠性。這種對(duì)比不僅驗(yàn)證了數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性,而且提供了對(duì)礦區(qū)地表移動(dòng)機(jī)制深入理解的數(shù)值依據(jù),為預(yù)測(cè)礦區(qū)未來地表移動(dòng)提供了重要工具,從而為礦區(qū)的開采安全和穩(wěn)定性評(píng)估提供了科學(xué)支持。

5 結(jié)語

本研究成功地將理論模型與監(jiān)測(cè)技術(shù)結(jié)合,對(duì)煤礦開采區(qū)地表移動(dòng)變形進(jìn)行了全面的監(jiān)測(cè)和規(guī)律分析。通過綜合應(yīng)用不同的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),本文準(zhǔn)確捕捉了地表移動(dòng)變形的動(dòng)態(tài)過程,并通過數(shù)值模擬驗(yàn)證了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性。研究成果不僅為彬長礦區(qū)的地表穩(wěn)定性提供了科學(xué)依據(jù),也為類似礦區(qū)的環(huán)境監(jiān)測(cè)和管理提供了參考。未來工作將進(jìn)一步探索地表移動(dòng)預(yù)測(cè)模型的優(yōu)化,以及對(duì)開采策略調(diào)整后的響應(yīng)機(jī)制,以實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦開采影響的更深層次理解和更精確控制。