采空區地表沉降規律監測分析研究與應用

趙好楠 靳合波 袁興明

(1.山東正大地理信息科技集團有限公司，山東 濰坊 261000; 2.青島理工大學，山東 臨沂 273400; 3.山東工業職業學院建筑與信息工程學院，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。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應力的影響，基本處于平衡狀態。隨著我國改革開放之后，經濟建設快速發展，各行各業出現了非常大的成就，為經濟建設提供了能源支持的煤炭，開采力度比較大，導致地表以及建筑物出現裂縫甚至塌陷，在我國濟寧、棗莊地區出現了大量的地面塌陷，對周邊的建筑物和構筑物造成了很大的威脅[1,2]。

隨著計算機科學技術的發展以及物聯網技術的應用，數據處理的精度越來越高，并且達到高度集成自動化。建筑沉降軟件ST，是基于建筑物沉降變化的理論與規律以及荷載增加的變化情況，借助計算機硬件所開發的致力于沉降監測數據處理的一種工具。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、相對彎曲和構件傾斜等[3-5]。

外業測量采用了徠卡數字水準儀以及處理軟件，在內業數據處理中采用沉降觀測分析軟件和SPSS數據分析軟件[6-9]，主要受甲方要求重點分析了傾向線A沉降規律，地理位置比較特殊，傾向線A布設在出入村莊的主要干道，并且北面是幾個養殖場和小學，南邊是一排帶院的沿街房屋。及時對開采的情況進行分析，分析出變化的曲線，做到了理論與實際開采沉陷相結合。觀測獲得的數據準確，精度高，研究成果可靠，變化規律清晰，完全可以應用于煤礦地表的沉降分析，做到了理論與實際開采沉陷相結合。為采空區上方的建筑物、道路和農用設施的安全提供了指導性建議，挽回了不必要的經濟損失，為解決礦區與周邊居民的矛盾問題提供了實際數據支持。

1 監測線設計

觀測線的長度應保證兩端(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和測定采動影響邊界。設站時移動盆地邊界是根據類比的沉陷參數或條件類似的其他礦區的參數確定的[3-5]。

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

2 外業數據獲取與數據處理

1)監測點數據獲取。

外業獲取監測點的高程變化，主要包括基準點、工作基點和監測點，高程基準點和工作基點沿路，按二等水準要求聯測，中間若干監測點，形成閉合環，采用Leica DNA03自動安平電子水準儀和相應銦瓦水準尺。施測前，按規程要求進行檢驗。采用觀測程序和模式按DNA03內置的線路測量程序和方法進行。

2)數據處理。

外業觀測后，及時對野外觀測數據進行分析，水平數據處理及水準測量均采用導線平差軟件3.0。每完成一條水準路線的測量，進行測段往返測高差不符值Δi(mm)及每測站所測高差中數的中誤差mΔ(mm)計算。

(1)

其中，N為測段數；n為每個測段的平均測站數。

計算所得的mΔ值不超過方案中所要求的每測站高差中數中誤差。

3 數據分析

1)監測點沉降變化。

利用ST軟件分析處理的各期的監測點數據，取傾向線A為研究分析對象，監測點自西向東布設，由于受地形影響布設了半條監測線，利用ST軟件計算出了最大沉降速率、最大沉降量和最大期沉降速率，經過分析得出監測點沉降量自西向東逐漸增大，A9出現最大下沉值，如表1所示。

表1 傾向線A沉降量統計表

2)SPSS軟件分析。

采用SPSS數據分析軟件，進行曲線估計，根據模型包，完成模型的參數估計、F值、概率等統計量，選擇合適的模型進行估計預測。常用的模型有線性、函數、生長、對數、多次方程、逆、冪等數學模型以及邏輯分析。在進行分析時可以選擇幾種函數模型，分析出最佳估計[6-9]。本文研究分析的函數模型選取如下：

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

4 沉降規律研究

沉降觀測數據分析后，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，最大累計沉降：-309.0 mm，最小累計沉降-71.7 mm，最大累計沉降速度：-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；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，地表慢慢恢復達到新的平衡狀態。該工作面的變形情況基本符合該區域開采后造成的沉降問題。

分析圖4和圖5可以得出，A9出現最大下沉值，A1下沉至最小，由于傾向線A布設了一半，A9之后自西向東逐漸減小的趨勢沒有描述出，最大期沉降出現在11期，第15期之后沉降速度開始變小。利用數理統計分析軟件SPSS以及曲線擬合，可以分析出實測區域的監測點變化和擬合曲線分析預測的結果，通過結果對比分析，可以得出SPSS軟件對沉降數據擬合分析出相應的曲線和擬合公式，可以用于后續的沉降預測分析。

5 結語

1)利用ST軟件能夠結合計算機技術，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上方特征點的變化和出現的時間，分析地表變化的規律。利用SPSS軟件選擇合適的數學模型進行分析，得到曲線和擬合的公式，用于后續的監測點變化分析。2)本文利用地表監測點的高程變化，分析預應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的趨勢，為地表人類活動和生產提供技術支持。為解決礦區和周圍村民的生產矛盾，提供了理論和實踐的支持，減少了大量不必要的損失，該方法可以用于其他地區的地表巖移規律研究分析。