地表移動(dòng)變形規(guī)律研究的軟件應(yīng)用研究
——以淮南某煤礦首采面地表移動(dòng)觀測(cè)站數(shù)據(jù)為例

趙 麗

(淮南職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 淮南 232001)

煤炭資源被采出后，當(dāng)彎曲下沉帶擴(kuò)展至地表時(shí)，將會(huì)引起地表沉陷。地表沉陷過程中有時(shí)伴隨地下水位下降和水資源流失等水文地質(zhì)破壞，不可避免對(duì)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境造成影響，這與推進(jìn)煤礦綠色高效安全生產(chǎn)，樹立創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享發(fā)展理念，堅(jiān)持節(jié)約、清潔、綠色、安全的發(fā)展方針相違背[1]。在煤炭開采之前根據(jù)采區(qū)地質(zhì)采礦條件和地表移動(dòng)理論預(yù)計(jì)出地下開采后地表可能產(chǎn)生的移動(dòng)變形及損害，由此推測(cè)地表、建(構(gòu))筑物、生產(chǎn)生活設(shè)施和裝備的破壞狀態(tài)和等級(jí)，從而制定相應(yīng)的防護(hù)措施。因此，開采沉陷的預(yù)測(cè)和研究是開采沉陷控制和保護(hù)人類的生存環(huán)境、生產(chǎn)、生活設(shè)施、及時(shí)安排群眾轉(zhuǎn)移、避免人員傷亡及其他不必要的損失的關(guān)鍵問題。以淮南某煤礦首采面的地表移動(dòng)觀測(cè)站的數(shù)據(jù)為例，介紹地表移動(dòng)變形規(guī)律研究的軟件實(shí)現(xiàn)情況，該首采面是近水平煤層，平均傾角約2.5°，煤層埋深平均約913.6 m，設(shè)計(jì)走向長(zhǎng)約1 781 m，采長(zhǎng)約1 610 m，工作面傾向?qū)?30 m。

一、移動(dòng)變形預(yù)計(jì)模型的建立

目前，國(guó)內(nèi)外研究提取變形信息的手段涉及D-InSAR結(jié)合GPS技術(shù)[2]、多軌D-InSAR結(jié)合多孔徑合成雷達(dá)(Multiple Aperture Interferometry，MAI)技術(shù)，用來獲取三維地表信息[3]。D-InSAR會(huì)因?yàn)樽陨砭窒扌允艿揭恍?yīng)用限制，如大面積水域會(huì)造成D-InSAR圖像干涉的低相干、對(duì)南北方向的形變具有不敏感性。由于礦區(qū)地表移動(dòng)變形監(jiān)測(cè)的精度較高，關(guān)系到安全生產(chǎn)，故結(jié)合礦區(qū)的實(shí)際情況，以地表移動(dòng)觀測(cè)站對(duì)概率積分法進(jìn)行研究。對(duì)于預(yù)計(jì)參數(shù)的選取，根據(jù)工作面的參數(shù)和已有參數(shù)初值，采用模矢法獲得。常用的概率積分法[4]基于隨機(jī)介質(zhì)理論，一般適用于較薄松散層下的沉陷預(yù)計(jì)，而對(duì)于淮南礦區(qū)巨厚松散層[5]下開采具有與一般地質(zhì)采礦條件下，下沉系數(shù)偏大、地表移動(dòng)盆地范圍擴(kuò)展等不同的沉陷特性，用該方法進(jìn)行地表移動(dòng)預(yù)計(jì)存在不合理性和不準(zhǔn)確性?？紤]到基巖和厚松散層不同的沉陷特性，把上覆巖層分成基巖與松散層，根據(jù)疊加原理，對(duì)模型進(jìn)行修正。概率積分法對(duì)基巖部分進(jìn)行預(yù)計(jì)，由煤層的開采導(dǎo)致的基巖上地表的下沉可表示為:

(1)

采用概率積分函數(shù)erf，把(1)式轉(zhuǎn)化為

(2)

式中：W0為煤層的有效開采厚度、qj為基巖上的下沉系數(shù)。進(jìn)行地表下沉預(yù)計(jì)時(shí)，地表的下沉可被看成是變采厚煤層的開采引起的，采厚為Wj(s)。根據(jù)疊加原理，地表的下沉為:

(3)

式中：q為地表下沉系數(shù)、Wj(s)為采厚。把上式整理過后最終得:

(4)

式中：θ為松散層邊界角、δ為基巖邊界角、tanβ為主要影響角正切。對(duì)于有限開采的情況，水平移動(dòng)、水平變形可用疊加原理進(jìn)行計(jì)算。

二、修正模型的驗(yàn)證

隨著工作面的開采，針對(duì)地表移動(dòng)變形具有動(dòng)態(tài)性的特點(diǎn)，所以對(duì)模型的驗(yàn)證，在地表移動(dòng)盆地穩(wěn)定后進(jìn)行。以該首采面走向方向線的移動(dòng)變形預(yù)計(jì)情況為例，采用事前計(jì)算出的(表1)中的地表移動(dòng)參數(shù)，根據(jù)模型建立的方法及過程，驗(yàn)證修正模型。概率積分法普通預(yù)計(jì)曲線和概率積分法修正模型預(yù)計(jì)曲線與實(shí)際觀測(cè)曲線的對(duì)比圖如圖1所示，圖中的曲線為經(jīng)過平滑后的。由圖1可知：從對(duì)比來看，通過將實(shí)測(cè)水平移動(dòng)、下沉曲線與對(duì)應(yīng)的預(yù)計(jì)曲線進(jìn)行對(duì)比可知，采用修正后的概率積分法得到的預(yù)計(jì)曲線整體變化趨勢(shì)基本一致，最大下沉值、最大水平移動(dòng)值在地表上出現(xiàn)的位置大體上是相當(dāng)?shù)模朔艘苿?dòng)變形預(yù)計(jì)結(jié)果，采用傳統(tǒng)概率積分法計(jì)算時(shí)在移動(dòng)盆地的邊緣處收斂過快的缺點(diǎn)，預(yù)計(jì)效果較好。說明經(jīng)過修正的概率積分模型的預(yù)計(jì)結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果更為接近，具有準(zhǔn)確性。

圖1 實(shí)測(cè)與預(yù)計(jì)曲線對(duì)比

表1地表移動(dòng)參數(shù)表

三、軟件實(shí)現(xiàn)

(一) 軟件運(yùn)行的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在對(duì)地表進(jìn)行移動(dòng)變形預(yù)計(jì)除了主斷面的預(yù)計(jì)還需要進(jìn)行全采取范圍的預(yù)計(jì)，為地表沉陷提供精確數(shù)據(jù)、分析沉陷趨勢(shì)、保證安全生產(chǎn)。根據(jù)地表移動(dòng)變形規(guī)律研究?jī)?nèi)容，采用上面的修正模型，以VB.NET為開發(fā)平臺(tái)，結(jié)合AutoCAD以工作面主斷面、任意點(diǎn)和全采區(qū)范圍三個(gè)維度的地表移動(dòng)變形預(yù)計(jì)以及所需要的預(yù)計(jì)成果為構(gòu)建思路進(jìn)行程序的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)變形數(shù)值預(yù)計(jì)和圖形預(yù)計(jì)兩大功能。軟件中工作面參數(shù)可以手動(dòng)輸入，也可以把工作參數(shù)、地質(zhì)采礦條件以及預(yù)計(jì)參數(shù)的初值以.txt文本文檔的形式進(jìn)行存儲(chǔ)，便于程序?qū)胱x取，節(jié)省時(shí)間，然后輸入下沉、傾斜、曲率、水平移動(dòng)、水平變形圖形的比例尺，點(diǎn)擊任意點(diǎn)或全采區(qū)預(yù)計(jì)的按鈕即可進(jìn)行自動(dòng)計(jì)算、繪制圖形。

圖2 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

(二) 軟件的移動(dòng)變形預(yù)計(jì)

采用該首采面的地質(zhì)采礦條件、工作面參數(shù)和地表移動(dòng)參數(shù)為基礎(chǔ)已知數(shù)據(jù)，輸入后直接進(jìn)行預(yù)計(jì)計(jì)算。預(yù)計(jì)成果以文檔形式保存。對(duì)于下沉、傾斜、水平移動(dòng)等變形量，軟件計(jì)算之后以.txt文本文檔的形式保存。預(yù)計(jì)成果以圖形形式保存。全過程預(yù)計(jì)是工作面開采的整個(gè)過程，按照一定的時(shí)間間隔(如30天)進(jìn)行預(yù)計(jì)，預(yù)計(jì)時(shí)回采速度需要準(zhǔn)確輸入，軟件實(shí)現(xiàn)了將不同時(shí)間點(diǎn)的預(yù)計(jì)成果，保存在不同的圖層中，并以日期為圖層名加以區(qū)分。從圖4可了解該工作面在回采過程中，走向主斷面上特定時(shí)間的地表動(dòng)態(tài)移動(dòng)變形情況，便于了解地表的沉陷變形情況，掌握動(dòng)態(tài)變化規(guī)律[6,7]。

圖3 走向主斷面預(yù)計(jì)數(shù)據(jù)

圖4 動(dòng)態(tài)移動(dòng)變形曲線

四、結(jié)論

以淮南某煤礦首采面為研究實(shí)例，結(jié)合巨厚松散層下煤礦開采后，地表沉陷的特殊性，運(yùn)用的概率積分法的修正模型對(duì)地表移動(dòng)變形進(jìn)行預(yù)計(jì)，并編寫相應(yīng)軟件，得出以下結(jié)論：第一，概率積分法的修正模型，對(duì)于巨厚松散層下開采，地表移動(dòng)變形規(guī)律的研究具有準(zhǔn)確性。第二，編程實(shí)現(xiàn)了地表移動(dòng)變形成果的文檔保存，便于分析數(shù)據(jù)。第三，軟件實(shí)現(xiàn)了圖形輸出功能，解決了移動(dòng)變形預(yù)計(jì)過程中的變量邏輯順序性強(qiáng)、計(jì)算復(fù)雜的問題，節(jié)省了數(shù)據(jù)處理時(shí)間，提高了工作效率，對(duì)地表的移動(dòng)與變形情況的進(jìn)一步研究和分析有一定的參考和應(yīng)用價(jià)值。