小時間尺度下的山區開采地表變形實測研究

拓萬兵，吳鳳民，楊 剛

(1.中國礦業大學銀川學院礦業工程系，寧夏 銀川 750021；2.寧夏防沙治沙職業技術學院，寧夏 銀川 750199)

小時間尺度下的山區開采地表變形實測研究

拓萬兵1，吳鳳民1，楊 剛2

(1.中國礦業大學銀川學院礦業工程系，寧夏 銀川 750021；2.寧夏防沙治沙職業技術學院，寧夏 銀川 750199)

采用徠卡TCA2003測量機器人，實測了小時間尺度下西部山區某礦工作面開采過程中地表移動變形數據，對數據進行分析研究，得出如下結果：①小時間尺度下的山區開采沉陷區地表下沉呈現不規則的跳躍性變化，具有非線性的波動性，選取的時間尺度越小，這種非線性波動越劇烈;②小時間尺度下的瞬時下沉速度很大，可能在瞬間引起建筑物的破壞，開采中應注意防范;③地表點動態下沉速度曲線具有統計分形特征，符合“z”型的分形增長模式。

測量機器人；小時間尺度；山區；動態變形

我國西部煤炭資源豐富，但地形地貌復雜，人居生態環境脆弱，屬于自然地質災害易發區。加之有些礦井在山區下采煤時未能進行有效的地表移動變形監測，使得大規模的山體滑坡與崩塌在西部礦區時有發生，嚴重影響著礦區的安全生產，加劇了生態環境惡化[1-2]。為準確掌握山區開采巖層和地表的動態變形過程，需要有大量不同時間尺度下的沉陷監測資料[3-5]。但長期以來，西部許多礦區地表沉陷的監測方法仍采用常規的測量方法，觀測時間尺度大，內外業工作繁瑣，效率、精度較低，難以有效得到瞬時的山體動態變形特征，防止劇烈的動態移動變形導致山體瞬間崩塌。隨著實時動態監測技術的發展，采用高精度、自動化的測量機器人在工作面開采過程中連續地采集地表點移動變形數據，分析研究小時間尺度下的山區開采沉陷區地表動態變形特征具有重要的理論及現實價值[6-8]。 為此，本文利用徠卡TCA2003測量機器人，在西北某礦區15412工作面推進過程中選取地表移動觀測線上的監測點進行連續性監測，獲得小時間尺度下的移動變形數據，分析得出該礦區地表復雜的動態變形特征，對保護脆弱山區生態環境及防治山體滑坡有著重要的經濟和社會價值。

1 開采沉陷區小時間尺度下移動變形數據采集

西部某礦位于太行山西側，屬低山丘陵地貌，溝谷縱橫，梁嶺綿延，地形復雜。開采的15412工作面在礦井南部，平均采深約200m，15號煤層為近水平煤層，煤層平均厚度6.82m，設計面長150m、推進長度275m，采煤方法為長壁綜合機械化放頂煤采煤法，全部垮落法管理頂板。在開采沉陷區利用TCA2003測量機器人布設實時動態監測系統，監測系統由TCA2003測量機器人、基點、參考點、監測點組成。根據礦區的實際情況，工作基點位置選擇在沉陷變形區外，并使所有目標點與測量機器人通視，距離均在測程范圍內，且避免同一方向上有2個或2個以上目標點；基準點布設為控制網，并覆蓋整個受開采影響的區域；監測點在15412工作面走向觀測線上每隔25～30m埋設，記為JCD1～JCDN，每個監測點上安置有反射單棱鏡。監測網布置見圖1。

圖1 監測網布置示意圖

由于山區開采的特殊情況，無法提供充足的電源，本次野外數據采集使用了TCA2003機載Monitoring監測程序。每天在測站點上設站完成后采用極坐標法先進行學習測量，然后進入機載Monitoring程序，對工作面推進方向上的JCD1、JCD2、JCD3三個監測點進行為期12天的連續性監測，每個周期各個點的測量方法均按1測回監測，時間間隔為10min，重復次數為1次。

2 不同時間尺度下沉陷變形動態特征分析

受工作面開采進度和地質采礦條件的影響，在監測的12d內采集到的各測點數據暫未達到該地質采礦條件下的最大下沉值，但可從監測獲得的數據計算各點的下沉值、下沉速度，分析不同監測時間尺度下的動態變形特征。下面選取JCD1點的數據分析不同時間尺度下的下沉量及下沉速度曲線的變化特征。

2.1 不同時間尺度下的下沉量的比較研究

連續性監測12天JCD1點累計下沉量為493.9mm，與同期的GPS監測數據相吻合。圖2～4分別為2014年1月12日一天內間隔10min、30min、60min時間尺度下JCD1點的下沉曲線。從圖2～4中可以清晰地看出，在小時間尺度下，微小的沉降均能顯現出，測點的下沉呈現不規則的跳躍性變化，具有非線性的波動性，選取的時間尺度越小，這種非線性波動越劇烈。反之，在時間尺度增大，測點下沉的波動性不明顯，整體趨于平緩。

圖2 JCD1點間隔10min下沉曲線

圖3 JCD1點間隔30min下沉曲線

圖4 JCD1點間隔60min下沉曲線

2.2 不同時間尺度下的下沉速度的比較研究

JCD1點在12d的監測時期處于活躍階段，為此選擇該點分別計算出在10min、30min、1h、2h、6h、1d、2d等不同時間尺度下的最大下沉速度，見表1。同時繪出該點在上述不同時間尺度下的下沉速度曲線，其中10min、1h、1d時間尺度下的下沉速度曲線，見圖5～ 7。

從表1中可知10min、30min、1h、2h、6h時間尺度下最大下沉速度分別是1d時間尺度下最大下沉速度的35倍、13倍、6倍、1.5倍。因此可以看出小時間尺度下的瞬時下沉速度很大，可能在瞬間引起建筑物的破壞，應引起我們足夠的關注。

表1 JCD1點不同時間尺度下的最大下沉速度

圖5 JCD1點間隔10min下沉速度曲線

圖6 JCD1點間隔1h下沉速度曲線

圖7 JCD1點間隔1d下沉速度曲線

通過分析圖5～7可以得出如下結論。隨著工作面的推進，點的下沉速度并不是逐漸增大或縮小，而是呈現出多次“z”型跳躍變化來回震蕩。取10min、30min、1h、2h的時間間隔下跳躍性更明顯且下沉速度在某些時段出現負值。選取的時間尺度越小，點下沉過程跳躍性就越強，出現負值的比重就越大，這在10min時間尺度下表現得尤為明顯，符合大“z”型逐級鑲嵌小“z”型的分形增長模式。下沉速度變化的跳躍度將隨著觀測時間尺度的增大被逐漸減弱，而現在常規地表觀測站間隔15d觀測一次獲取的觀測數據得出的下沉速度特征極大地掩蓋了下沉速度變化的跳躍性。

3 結論及建議

1)在小時間尺度下，山區開采的動態地表移動存在較強烈的非線性波動。時間尺度越小，這種非線性波動越劇烈。反之，在時間尺度增大，測點下沉的波動性不明顯，整體趨于平緩。

2)在小時間尺度下，山區開采引起的地表點動態下沉速度曲線具有統計分形特征，符合 大“z”型逐級鑲嵌小“z”型的分形增長模式。這一特征與山區的復雜地質采礦條件相關，特別是巖石結構的復雜性，使采動巖體破壞表現出強烈的非線性，表現在地表上則使地表點動態下沉曲線呈非光滑形狀。小時間尺度下的瞬時下沉速度很大，可能在瞬間引起建筑物的破壞，應引起我們足夠的關注。開采過程中應該加強防范其所造成的有害影響。

3) 常規地表觀測站間隔 15 d觀測一次獲取的觀測數據得出的下沉速度特征極大地掩蓋了下沉速度變化的跳躍性。為了更好保護西部礦區脆弱的生態環境及地表建構筑物，各礦區應在現有的觀測基礎上，加強開采沉陷監測，減小觀測時間間隔，為準確制定開采方案及采取保護措施提供有力的實測資料。

[1] 何國清，楊倫，等.礦山開采沉陷學[M].徐州：中國礦業大學出版社，1991.

[2] 何萬龍.山區開采沉陷與采動損害[M].北京：中國科學技術出版社，2003.

[3] 國家煤炭局.建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程[M].北京：煤炭工業出版社，2000.

[4] 譚志祥，鄧喀中.建筑物下采煤理論與實踐[M].徐州：中國礦業大學出版社，2009.

[5] 鄧喀中.開采沉陷中的巖體結構效應[M].徐州：中國礦業大學出版社，2003.

[6] 戴華陽，王金莊，蔡美峰.巖層與地表移動的矢量預計法[J].煤炭學報，2002，27(5)：473-478.

[7] 范百興.高性能全站儀的研究及其在動態測量中的應用[D].鄭州：解放軍信息工程大學，2004.

[8] 劉春，倪涵．GeoMoS自動監測系統與觀測數據精度分析[J]．水電自動化與大壩監測，2006，30(2)：41-44.

Practical measure research of ground surface deformation in mountain mining under the small time scale

TUO Wan-bing1，WU Feng-min1，YANG Gang2

(1.School of Mines and Engineering，China University of Mining and Technology Yinchuan College，Yinchuan 750021，China；2.Ningxia Institute Prevention and Control of Desertification，Yinchuan 750199，China)

Using the TCA2003 surveying robot of leica，collected the surface movement deformation data of a mine working face which is in the process of mining in the west mountain district under the small time scale，researched and analysed the measured data，we get a conclusion that under the small time scale the ground surface sinking of subsidence area in mountain region is an irregular rapid changes.It is changed with nonlinear volatility，which is more intense when the selecting time scale is smaller.The instantaneous velocity is huge.It may leads to the destruction of buildings instantly.Precautions should be paid attention to in mining process.The dynamic subsidence velocity curve of surface points have a statistical fractal characteristics with the model of “z” type.

surveying robot；small time scales；mountain area；the dynamic deformation

2015-01-20

寧夏高等學?？茖W技術研究項目資助(編號：20130137)

拓萬兵(1984-)，男，甘肅白銀人，碩士，講師，主要從事礦山測量與開采沉陷損害與防護方面的教學與研究工作。

TU475

A

1004-4051(2015)05-0104-03