寒區(qū)充填開采地表變形監(jiān)測數據穩(wěn)定性分析

郭慶彪 郭廣禮 王金濤

(1.中國礦業(yè)大學環(huán)境與測繪學院，江蘇 徐州 221116；2.國土環(huán)境與災害監(jiān)測國家測繪地理信息中心重點實驗室，江蘇 徐州 221116；3.資源環(huán)境信息工程江蘇省重點實驗室，江蘇 徐州 221116)

寒區(qū)充填開采地表變形監(jiān)測數據穩(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)大學環(huán)境與測繪學院，江蘇 徐州 221116；2.國土環(huán)境與災害監(jiān)測國家測繪地理信息中心重點實驗室，江蘇 徐州 221116；3.資源環(huán)境信息工程江蘇省重點實驗室，江蘇 徐州 221116)

為了準確獲取充填面地表移動變形數據，有必要對各期監(jiān)測數據的質量進行檢驗。利用F檢驗和t檢驗方法對寒區(qū)充填面觀測站中監(jiān)測點進行穩(wěn)定性分析，結果表明觀測期間控制點具有穩(wěn)定性，進一步分析發(fā)現目標點存在3種形式的豎向移動：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象，三是季節(jié)性凍土層的融沉現象。最后一種現象在我國高緯度地區(qū)較為普遍，該現象的產生將擴大地表移動盆地邊界，減小主要影響正切值，不利于該類地質采礦條件下地表移動變形預計參數的準確獲取。

充填開采 統(tǒng)計檢驗 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，已成功應用于我國10多個礦區(qū)[1]。結合現階段工程實踐經驗，固體充填開采充實率可達85%，有效地限制覆巖運動，大幅減小地表移動變形極值，很好地保護地面建(構)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規(guī)律的研究尚不充分，急需建立不同地質采礦條件下地表移動觀測站，獲取充填開采地表移動變形預計參數，完善固體充填開采巖層及地表控制體系。

觀測站中的監(jiān)測點分為控制點和目標點，控制點作為唯一起算數據決定著目標點的絕對位移，而目標點的絕對位移將直接反應充填開采的地表移動規(guī)律。因此，在實際觀測過程中，監(jiān)測點的穩(wěn)定性將間接地影響所獲取的充填開采地表移動規(guī)律可靠性。本研究以獲取內蒙古某礦充填開采地表移動規(guī)律為研究背景，建立了1801充填面地表移動變形觀測站，借助F檢驗和t檢驗對觀測站中監(jiān)測點進行穩(wěn)定性檢驗[3-5]。

1 穩(wěn)定性檢驗數學模型

觀測站初期觀測中，點位出現微弱沉降現象，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位變化，重復觀測仍無法剔除上述點位，因此，利用F檢驗和t檢驗對點位穩(wěn)定性進行檢驗。

1.1 F檢驗數學模型

(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；d=H2-H1(H為高程)；Pd、P為權重；h為間隙d協(xié)因數陣Q的秩。

(4)

如果上式成立，認為所有檢驗點位都是穩(wěn)定的，反之認為檢測點位存在動點。

1.2 t檢驗數學模型

當式(4)不成立時，檢測點位存在動點，但不代表全部點位都是不穩(wěn)定的，此時再利用t檢驗法進行單點位移的顯著性檢驗。假設2期觀測檢測點穩(wěn)定，構造統(tǒng)計量

(5)

若上式成立，則接受原假設，該檢驗點穩(wěn)定，反之該檢測點變化。

2 實例分析

2.1 地表移動觀測站布設

內蒙古某礦1801充填面設計面寬150 m,推進長度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，頂板為砂質泥巖，底板為砂泥巖，裂隙不發(fā)育，遇水不膨脹。地質構造屬于簡單型，直接、間接充水含水層的含水空間以裂隙為主，富水性中等。設計采用綜合機械化矸石充填采煤工藝，密實矸石充填法管理頂板。依據《煤礦測量規(guī)程》第259條的規(guī)定可取地表移動觀測點間距為25 m。布設控制點3個，走向觀測點26個。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，水準測量采用DS1級高精度水準儀，按三等水準測量精度要求進行所有高程測量工作，觀測站布設情況見圖1。并于2013年12月與2014年4月分別進行首次觀測與日常第一次觀測，利用上述統(tǒng)計檢驗方法分別對控制點和目標點的穩(wěn)定性進行檢驗。

圖1 觀測站布設示意

2.2 控制點穩(wěn)定性分析

地表移動觀測站的控制點不是嚴格意義的控制點，將控制點的高程作為待定點處理，利用秩虧自由網平差方法對控制點高程進行平差處理。取長度為1 m的水準測量路線觀測高差中誤差為單位權中誤差。首次觀測相關數據見表1，日常觀測第一次相關數據見表2。

表1 首次觀測相關數據

表2 日常第1次觀測相關數據

2.3 目標點穩(wěn)定性分析

經過上述分析，2期觀測期間控制點保持穩(wěn)定狀態(tài)，觀測站控制點高程可作為必要的起算數據，利用間接平差對目標點高程進行平差處理。定權方法與上相同。由于目標點較多，基于篇幅限制，2期原始高差觀測數據在此不再羅列。

得到首次觀測的參數改正數與單位權方差

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改正數與單位權方差

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

對平差后的目標點高程進行F檢驗，F0=1.095F(0.05/26，52)=1.819，拒絕原假設，目標點中存在動點。利用t檢驗法尋求動點。求得間隙

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

剔除上述所有動點后，再次進行F檢驗，第一步無顯著差異通過，取0.05顯著水平，F0=2.105

2.4 動點成因分析

結合2期目標點高程差曲線(如圖2)與目標點的穩(wěn)定性分析結果，可知觀測線存在2個下沉區(qū)間，分別為Z4～Z11段和Z19～Z27段。以下將對上述2區(qū)間下沉現象進行分析。

表3 基于t檢驗的觀測點穩(wěn)定情況

圖2 2期觀測點高程差值

Z4～Z11測點段位于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理論：地表移動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[6]。因此可判斷該區(qū)間目標點的下沉為地下煤層開采所致，屬采煤引起地表沉陷現象。

Z19～Z27測點段距離當前工作面推進距離較遠，由開采沉陷學相關理論可知，1801充填面的開采影響不會波及此處，同時該區(qū)附近無任何采掘活動，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，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觀測點點位示意圖，發(fā)現Z19～Z22區(qū)間段橫跨棋石一級公路，且Z20與Z21號監(jiān)測點布設在路面上，Z19與Z23號監(jiān)測點位于公路路基上，考慮到該公路車流量大，多為運煤車輛，載重量大，在長時間汽車荷載的影響下，公路路基發(fā)生沉降現象，最終導致公路及路基上所有測點下沉，并且下沉值基本相當。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)生融沉現象。已有研究表明，凍土層的含水率與地表融沉量呈正相關[7-9]，而本區(qū)Z23～Z27區(qū)間段含水率遞增，因此出現Z23～Z27區(qū)間段下沉值線性遞增，在Z27處達到最大的現象。

綜上所述，目標點在2期觀測期間存在3種形式的豎向移動，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象，三是季節(jié)性凍土層的融沉現象。其中融沉現象導致地表下沉約8 mm，接近盆地邊界10 mm，將擴大地表移動盆地邊界，使得盆地邊界收斂減慢，縮小移動盆地邊界角，減小主要影響角正切，不利于該類地質采礦條件下地表移動變形預計參數的準確獲取。

4 結論與展望

(1)利用秩虧自由網平差方法對控制點高程進行平差處理，再用F檢驗與t檢驗對控制點和觀測點進行穩(wěn)定性檢驗，驗證了控制點在觀測期間保持穩(wěn)定狀態(tài)，可作為監(jiān)測網的必要起算數據。

(2)利用間接平差方法對觀測點高程進行平差處理，并對點位穩(wěn)定性進行檢驗，結果顯示觀測點大多為不穩(wěn)定點，觀測點存在3種形式的豎向移動：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象；三是季節(jié)性凍土層的融沉現象。后一現象的產生將擴大地表移動盆地邊界，減小主要影響正切值tanβ，不利于該類地質采礦條件下地表移動變形預計參數的準確獲取。

(3)本研究僅闡述1801充填面存在季節(jié)性凍土層融沉現象，但并未提出基于融沉現象的寒區(qū)監(jiān)測數據修正模型。后續(xù)工作將結合該區(qū)凍土層融沉系數分布規(guī)律，建立修正模型，為準確獲取寒區(qū)充填采煤地表移動規(guī)律、地表移動動態(tài)參數及角值參數提供科學依據。

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(責任編輯 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”國家科技支撐計劃項目(編號：2012BAB13B03)，國家自然科學基金青年基金項目(編號：41104011)，江蘇省高校優(yōu)勢學科建設工程項目(編號：SA1102)，中央高校基本科研業(yè)務專項(編號：2012LWB32)。

郭慶彪(1990—)，男，博士研究生。

TD17

A

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