某采空區地表沉降規律三維可視化處理與分析

張耀平 楊雙有 盧志剛 蘇曉萍 夏弋江

(1.江西理工大學應用科學學院;2.江西理工大學資源與環境工程學院)

礦區地表沉陷對礦區生產安全有重大影響，并會破壞周邊自然環境，同時造成耕地無法耕種，房屋開裂毀壞等［1］。因此，對地表監測，并對其沉降規律進行分析研究將具有重要意義。目前，常規研究方法通常是通過地表監測，獲得相關數據，建立二維坐標曲線［2］。這種方法分析不夠直觀形象，可視化太低，分析片面，準確性不高，預測性能差，不利于地表沉降防治措施的制定和實施［3］。本研究利用SURFER軟件對地表監測點數據進行可視化處理，繪制出地表沉降三維表面圖，地表沉降三維切片圖，地表監測點張貼圖，大大提高了研究的直觀性，可靠性，準確性，預測性，為礦山地表沉陷防治措施的制定和實施，提供可靠準確依據［4-5］。

1 采空區地表沉降規律三維可視化研究

1.1 地表的移動破壞形式

在礦體的開挖過程中，逐漸形成空區。同時，由于采動的影響，地表緩慢下沉，從而在空區上方地表形成一個較大的下沉區域，即地表移動盆地。該移動趨勢蔓延到地表后，隨采空區再次開挖，暴露時間的增長，地表下沉范圍及最大沉降累積量也逐漸增大，逐漸形成“碗狀”，即非充分采動。隨開采工作向前進行，空區繼續下沉，直到最大沉降累積量不再隨采空區增大，但盆地形態仍呈“碗狀”，即充分采動。開采活動繼續進行，同時移動盆地的沉降累積量不變，但盆地呈平底的“盆狀”，此時，地表的采動影響稱超充分采動［6-9］。

此外，常見的地表的移動破壞形式還有塌陷坑裂縫及臺階。當礦層為急傾斜形態時，開采過程容易出現塌陷坑。當該礦層松散層較薄時，則容易引起裂縫或臺階。

1.2 地表變形監測

(1)地表水平位移監測。采用萊卡全站儀和GPS，監測空區地表水平位移。GPS針對工作基點實施監測，全站儀針對監測點實施測量。監測點的水平位移使用全站儀TC402觀測，主要測量監測點的點位相對水平位移變化情況。在有條件的情況下，布設3～5個GPS基準點，與礦山已有的GPS地面控制點進行聯測。水平位移觀測周期，對于地表比較穩固區域的觀測，亦可與沉降觀測協調考慮確定，或變形情況及工程進展情況而定。

(2)地表沉降位移監測。水準觀測由于地勢起伏大，導致精度降低，特別是對于坡度大的地區，受水準尺和三腳架高度影響，無法進行觀測。GPS由于垂直位移精度尚不理想，無法滿足要求，監測范圍比較小，因此考慮采用三角高程方法進行垂直位移監測，使用全站儀TC402觀測，測量變形監測點的點位垂直位移變化情況。沉降監測周期

式中，m為2沉降觀測點之間的高差誤差;v為沉降速度，一般取平均沉降量與間隔時間的比值;K為變形值與其誤差之比，在5～10之間選擇。

1.3 基于SURFER的地表沉降可視化處理與分析

SURFER軟件功能強大，可以輕松制作線框圖及三維表面圖等［10-12］。研究通過對空區地表進行水平位移和沉降位移監測，獲得地表移動數據，將該數據利用導入SURFER軟件中，對地表移動數據進行可視化處理，分析地表沉降規律。其操作過程見圖1。

2 工程實例

安徽某鐵礦+100 m以上水平分層已采空，形成多個空區。目前正進行+100 m以下水平分層的地下開采，井下施工中沿及西沿均掘進至0線與1線中間部位，2條巷道均為沿脈巷道，在礦層中掘進。礦層結構比較松軟，礦石較破碎，穩定性差，巷道掘進維護較困難。礦層產狀不明顯，但總體向西傾，厚度大，礦層傾角總體5°～15°。礦山的地質和地貌情況比較復雜:地勢高低不平，起伏大，測區范圍不大，礦區植被分布廣泛。為保證地表生產安全，礦山對空區地表進行定時監測。

圖1 地表下沉可視化處理分析過程

借助SURFER軟件對監測數據進行可視化處理，繪制出地表沉降三維表面圖見圖2，地表監測點張貼圖見圖3，地表沉降切片圖見圖4，自下向上為4—5月和7—9月，并利用Excel生成地表沉降量如圖5。最后，結合地表的移動破壞形式，從地表沉陷形狀，沉陷蔓延趨勢，最大沉降累積量等角度，分析了空區地表沉降規律，并基于礦山安全考慮給出合理建議。

由圖2～圖4可知:由于礦體開挖，空區的形成，地表部分地區逐漸下沉，在點X4，X5左側形成碗狀形態，X9，X3點附近向上凸起。隨著空區暴露時間的增長，地表沉降范圍進一步向X6，X7，X8點附近擴大，沉降累積量逐漸增加，碗狀形態逐漸趨于盆狀，即形成下沉盆地。但由于地表沉降范圍向X4，X5點擴大不明顯，則碗狀向沉陷盆地轉變時，無法形成規則的下沉盆地。XN附近點剛開始沉降非常明顯，后面基本沒有變化。

由圖3～圖5可知:第2次監測最大沉降累積量為－15 mm，位于XN點，其次為－8 mm，位于X4點，最近一次監測最大沉降累積量為－13 mm，位于X7點。說明沉降范圍從 X4，X5點左側向 X6，X7，X8點附近擴大的同時，最大沉降點也隨之轉移。XN附近點剛開始沉降非常明顯，為－15 mm，后面略有回升，基本上保持在－13 mm左右。隨開挖的持續進行，暴露面積進一步增大，地表變形經歷了碗狀形態和下沉盆地，并在繼續擴大，但最大沉降累積量趨于穩定。

圖2 地表沉降三維表面

圖3 地表監測點張貼示意

圖4 地表沉降切片示意

圖5 地表沉降量

綜上所述，該空區地表經歷了碗狀變形，并最終形成了不規則的地表移動盆地，同時，沉降范圍仍在繼續擴大。XN點沉降累積量幾乎保持不變，不再下沉，但該點附近下沉后的形態及范圍不明朗。出于礦山地表生產安全考慮，應在原有監測點的基礎上增設監測點定期監測，即應在XN附近增設監測點，以進一步確定其沉降規律，同時在 X4，X5，X6，X7，X8點左側增設至少1排監測點以確定沉降范圍、下沉值等。

3 結論

(1)利用SURFER軟件對地表監測點數據進行可視化處理，繪制出地表沉降三維表面圖、地表沉降三維切片圖、地表監測點張貼圖。大大提高了研究的直觀性、可靠性、準確性、預測性，為礦山地表沉陷防治措施的制定和實施提供了可靠依據。

(2)通過綜合分析，該空區地表沉降規律為空區地表經歷了碗狀變形，并最終形成了不規則的地表移動盆地，同時，沉降范圍仍在繼續擴大。XN點沉降累積量幾乎保持不變，不再下沉，但該點附近下沉后的形態及范圍不明朗。

(3)基于分析結果，本研究認為應在XN附近增設監測點，以進一步確定其沉降規律，同時在X4，X5，X6，X7，X8左側增設至少1排監測點以確定沉降范圍、下沉值等。

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