小時(shí)間尺度下的山區(qū)開采地表變形實(shí)測(cè)研究

拓萬兵，吳鳳民，楊 剛

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)銀川學(xué)院礦業(yè)工程系，寧夏 銀川 750021；2.寧夏防沙治沙職業(yè)技術(shù)學(xué)院，寧夏 銀川 750199)

小時(shí)間尺度下的山區(qū)開采地表變形實(shí)測(cè)研究

拓萬兵1，吳鳳民1，楊 剛2

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)銀川學(xué)院礦業(yè)工程系，寧夏 銀川 750021；2.寧夏防沙治沙職業(yè)技術(shù)學(xué)院，寧夏 銀川 750199)

采用徠卡TCA2003測(cè)量機(jī)器人，實(shí)測(cè)了小時(shí)間尺度下西部山區(qū)某礦工作面開采過程中地表移動(dòng)變形數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究，得出如下結(jié)果：①小時(shí)間尺度下的山區(qū)開采沉陷區(qū)地表下沉呈現(xiàn)不規(guī)則的跳躍性變化，具有非線性的波動(dòng)性，選取的時(shí)間尺度越小，這種非線性波動(dòng)越劇烈;②小時(shí)間尺度下的瞬時(shí)下沉速度很大，可能在瞬間引起建筑物的破壞，開采中應(yīng)注意防范;③地表點(diǎn)動(dòng)態(tài)下沉速度曲線具有統(tǒng)計(jì)分形特征，符合“z”型的分形增長(zhǎng)模式。

測(cè)量機(jī)器人；小時(shí)間尺度；山區(qū)；動(dòng)態(tài)變形

我國(guó)西部煤炭資源豐富，但地形地貌復(fù)雜，人居生態(tài)環(huán)境脆弱，屬于自然地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)。加之有些礦井在山區(qū)下采煤時(shí)未能進(jìn)行有效的地表移動(dòng)變形監(jiān)測(cè)，使得大規(guī)模的山體滑坡與崩塌在西部礦區(qū)時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重影響著礦區(qū)的安全生產(chǎn)，加劇了生態(tài)環(huán)境惡化[1-2]。為準(zhǔn)確掌握山區(qū)開采巖層和地表的動(dòng)態(tài)變形過程，需要有大量不同時(shí)間尺度下的沉陷監(jiān)測(cè)資料[3-5]。但長(zhǎng)期以來，西部許多礦區(qū)地表沉陷的監(jiān)測(cè)方法仍采用常規(guī)的測(cè)量方法，觀測(cè)時(shí)間尺度大，內(nèi)外業(yè)工作繁瑣，效率、精度較低，難以有效得到瞬時(shí)的山體動(dòng)態(tài)變形特征，防止劇烈的動(dòng)態(tài)移動(dòng)變形導(dǎo)致山體瞬間崩塌。隨著實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展，采用高精度、自動(dòng)化的測(cè)量機(jī)器人在工作面開采過程中連續(xù)地采集地表點(diǎn)移動(dòng)變形數(shù)據(jù)，分析研究小時(shí)間尺度下的山區(qū)開采沉陷區(qū)地表動(dòng)態(tài)變形特征具有重要的理論及現(xiàn)實(shí)價(jià)值[6-8]。 為此，本文利用徠卡TCA2003測(cè)量機(jī)器人，在西北某礦區(qū)15412工作面推進(jìn)過程中選取地表移動(dòng)觀測(cè)線上的監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行連續(xù)性監(jiān)測(cè)，獲得小時(shí)間尺度下的移動(dòng)變形數(shù)據(jù)，分析得出該礦區(qū)地表復(fù)雜的動(dòng)態(tài)變形特征，對(duì)保護(hù)脆弱山區(qū)生態(tài)環(huán)境及防治山體滑坡有著重要的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)價(jià)值。

1 開采沉陷區(qū)小時(shí)間尺度下移動(dòng)變形數(shù)據(jù)采集

西部某礦位于太行山西側(cè)，屬低山丘陵地貌，溝谷縱橫，梁嶺綿延，地形復(fù)雜。開采的15412工作面在礦井南部，平均采深約200m，15號(hào)煤層為近水平煤層，煤層平均厚度6.82m，設(shè)計(jì)面長(zhǎng)150m、推進(jìn)長(zhǎng)度275m，采煤方法為長(zhǎng)壁綜合機(jī)械化放頂煤采煤法，全部垮落法管理頂板。在開采沉陷區(qū)利用TCA2003測(cè)量機(jī)器人布設(shè)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由TCA2003測(cè)量機(jī)器人、基點(diǎn)、參考點(diǎn)、監(jiān)測(cè)點(diǎn)組成。根據(jù)礦區(qū)的實(shí)際情況，工作基點(diǎn)位置選擇在沉陷變形區(qū)外，并使所有目標(biāo)點(diǎn)與測(cè)量機(jī)器人通視，距離均在測(cè)程范圍內(nèi)，且避免同一方向上有2個(gè)或2個(gè)以上目標(biāo)點(diǎn)；基準(zhǔn)點(diǎn)布設(shè)為控制網(wǎng)，并覆蓋整個(gè)受開采影響的區(qū)域；監(jiān)測(cè)點(diǎn)在15412工作面走向觀測(cè)線上每隔25～30m埋設(shè)，記為JCD1～JCDN，每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)上安置有反射單棱鏡。監(jiān)測(cè)網(wǎng)布置見圖1。

圖1 監(jiān)測(cè)網(wǎng)布置示意圖

由于山區(qū)開采的特殊情況，無法提供充足的電源，本次野外數(shù)據(jù)采集使用了TCA2003機(jī)載Monitoring監(jiān)測(cè)程序。每天在測(cè)站點(diǎn)上設(shè)站完成后采用極坐標(biāo)法先進(jìn)行學(xué)習(xí)測(cè)量，然后進(jìn)入機(jī)載Monitoring程序，對(duì)工作面推進(jìn)方向上的JCD1、JCD2、JCD3三個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行為期12天的連續(xù)性監(jiān)測(cè)，每個(gè)周期各個(gè)點(diǎn)的測(cè)量方法均按1測(cè)回監(jiān)測(cè)，時(shí)間間隔為10min，重復(fù)次數(shù)為1次。

2 不同時(shí)間尺度下沉陷變形動(dòng)態(tài)特征分析

受工作面開采進(jìn)度和地質(zhì)采礦條件的影響，在監(jiān)測(cè)的12d內(nèi)采集到的各測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)暫未達(dá)到該地質(zhì)采礦條件下的最大下沉值，但可從監(jiān)測(cè)獲得的數(shù)據(jù)計(jì)算各點(diǎn)的下沉值、下沉速度，分析不同監(jiān)測(cè)時(shí)間尺度下的動(dòng)態(tài)變形特征。下面選取JCD1點(diǎn)的數(shù)據(jù)分析不同時(shí)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(shí)間尺度下的下沉量的比較研究

連續(xù)性監(jiān)測(cè)12天JCD1點(diǎn)累計(jì)下沉量為493.9mm，與同期的GPS監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)相吻合。圖2～4分別為2014年1月12日一天內(nèi)間隔10min、30min、60min時(shí)間尺度下JCD1點(diǎn)的下沉曲線。從圖2～4中可以清晰地看出，在小時(shí)間尺度下，微小的沉降均能顯現(xiàn)出，測(cè)點(diǎn)的下沉呈現(xiàn)不規(guī)則的跳躍性變化，具有非線性的波動(dòng)性，選取的時(shí)間尺度越小，這種非線性波動(dòng)越劇烈。反之，在時(shí)間尺度增大，測(cè)點(diǎn)下沉的波動(dòng)性不明顯，整體趨于平緩。

圖2 JCD1點(diǎn)間隔10min下沉曲線

圖3 JCD1點(diǎn)間隔30min下沉曲線

圖4 JCD1點(diǎn)間隔60min下沉曲線

2.2 不同時(shí)間尺度下的下沉速度的比較研究

JCD1點(diǎn)在12d的監(jiān)測(cè)時(shí)期處于活躍階段，為此選擇該點(diǎn)分別計(jì)算出在10min、30min、1h、2h、6h、1d、2d等不同時(shí)間尺度下的最大下沉速度，見表1。同時(shí)繪出該點(diǎn)在上述不同時(shí)間尺度下的下沉速度曲線，其中10min、1h、1d時(shí)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(shí)間尺度下最大下沉速度分別是1d時(shí)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(shí)間尺度下的瞬時(shí)下沉速度很大，可能在瞬間引起建筑物的破壞，應(yīng)引起我們足夠的關(guān)注。

表1 JCD1點(diǎn)不同時(shí)間尺度下的最大下沉速度

圖5 JCD1點(diǎn)間隔10min下沉速度曲線

圖6 JCD1點(diǎn)間隔1h下沉速度曲線

圖7 JCD1點(diǎn)間隔1d下沉速度曲線

通過分析圖5～7可以得出如下結(jié)論。隨著工作面的推進(jìn)，點(diǎn)的下沉速度并不是逐漸增大或縮小，而是呈現(xiàn)出多次“z”型跳躍變化來回震蕩。取10min、30min、1h、2h的時(shí)間間隔下跳躍性更明顯且下沉速度在某些時(shí)段出現(xiàn)負(fù)值。選取的時(shí)間尺度越小，點(diǎn)下沉過程跳躍性就越強(qiáng)，出現(xiàn)負(fù)值的比重就越大，這在10min時(shí)間尺度下表現(xiàn)得尤為明顯，符合大“z”型逐級(jí)鑲嵌小“z”型的分形增長(zhǎng)模式。下沉速度變化的跳躍度將隨著觀測(cè)時(shí)間尺度的增大被逐漸減弱，而現(xiàn)在常規(guī)地表觀測(cè)站間隔15d觀測(cè)一次獲取的觀測(cè)數(shù)據(jù)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(jié)論及建議

1)在小時(shí)間尺度下，山區(qū)開采的動(dòng)態(tài)地表移動(dòng)存在較強(qiáng)烈的非線性波動(dòng)。時(shí)間尺度越小，這種非線性波動(dòng)越劇烈。反之，在時(shí)間尺度增大，測(cè)點(diǎn)下沉的波動(dòng)性不明顯，整體趨于平緩。

2)在小時(shí)間尺度下，山區(qū)開采引起的地表點(diǎn)動(dòng)態(tài)下沉速度曲線具有統(tǒng)計(jì)分形特征，符合 大“z”型逐級(jí)鑲嵌小“z”型的分形增長(zhǎng)模式。這一特征與山區(qū)的復(fù)雜地質(zhì)采礦條件相關(guān)，特別是巖石結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，使采動(dòng)巖體破壞表現(xiàn)出強(qiáng)烈的非線性，表現(xiàn)在地表上則使地表點(diǎn)動(dòng)態(tài)下沉曲線呈非光滑形狀。小時(shí)間尺度下的瞬時(shí)下沉速度很大，可能在瞬間引起建筑物的破壞，應(yīng)引起我們足夠的關(guān)注。開采過程中應(yīng)該加強(qiáng)防范其所造成的有害影響。

3) 常規(guī)地表觀測(cè)站間隔 15 d觀測(cè)一次獲取的觀測(cè)數(shù)據(jù)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(hù)西部礦區(qū)脆弱的生態(tài)環(huán)境及地表建構(gòu)筑物，各礦區(qū)應(yīng)在現(xiàn)有的觀測(cè)基礎(chǔ)上，加強(qiáng)開采沉陷監(jiān)測(cè)，減小觀測(cè)時(shí)間間隔，為準(zhǔn)確制定開采方案及采取保護(hù)措施提供有力的實(shí)測(cè)資料。

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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(xué)?？茖W(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目資助(編號(hào)：20130137)

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

TU475

A

1004-4051(2015)05-0104-03