煤矿区地表沉陷速度剖面线计算软件开发

刘义新，张俊英

(1.煤炭科学技术研究院有限公司 安全分院，北京 100013；2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室(煤炭科学研究总院)，北京 100013；3.北京市煤矿安全工程技术研究中心，北京 100013)

煤炭地下开采引起的地表沉陷是一个十分复杂的过程，其表现形式多样[1-2]。其中，地表移动盆地是煤矿开采导致地表显现最常见的表现形式，通常采用“两种移动、三个变形”作为指标进行描述地表沉陷规律，即地表下沉、水平移动、地表倾斜、曲率和地表水平变形合计5个指标。目前，这些指标在我国煤矿区地表沉陷规律分析、沉陷预测和“三下”压煤开采等方面得到广泛和成熟应用[3-4]。近年来，随着煤矿高效开采的发展，煤矿区工作面开采速度均比以前产生较大变化，由以前绝大部分工作面小于60m/月，发展到现在很少有工作面开采速度小于2m/d，多数开采速度5～8m/d，少数达16m/d。因此，在采深、地表下沉值等参数变化不大的情况下，工作面快速开采可导致地表沉陷的速度快，尤其在浅埋深条件下地表沉陷速度会更加明显，从而给地表受护对象带来严重损坏，给受护对象的维护带来不确定性。目前，我国对地表沉陷速度相关方面的研究和地表沉陷速度计算软件较缺乏[5]，因此，本文在对“地表沉陷速度”定义的基础上，以“地表沉陷速度”计算公式为软件数学模型，进行了煤矿区地表沉陷速度剖面线计算的软件开发，以期方便对矿区地表移动观测站进行地表沉陷速度方面的整理、分析及研究。

1 软件数学计算模型

地表沉陷速度定义为相邻两次地表沉陷值与两次观测的间隔天数之比，包括地表下沉速度、地表倾斜速度、地表曲率速度、地表水平移动速度和地表水平变形速度。主要利用地表沉陷速度来表征地表沉陷在不同时间的发展变化过程和地表沉陷的变化快慢与程度。地表沉陷速度各参数定义如下：

(1)地表下沉速度 是指地表各点相邻两次观测的地表下沉差值除以两次观测的间隔天数。地表下沉速度VW(mm/d)计算公式为：

(1)

式中，Wnm-1，Wnm分别表示n号测点第m-1次和第m次观测的地表下沉值，mm；t为两次观测的时间间隔天数，d。

(2)地表倾斜速度 是指相邻两次观测的地表倾斜差值除以两次观测的间隔天数。地表倾斜速度Vi(mm/(m·a))计算公式为：

(2)

式中，inm-1，inm分别表示第m-1次和第m次观测的地表倾斜值，mm/m。

(3)地表曲率速度 是指相邻两次观测的地表曲率差值除以两次观测的间隔天数。地表曲率速度VK(10-3/(mm·d))计算公式为：

(3)

式中，Knm-1，Knm分别表示第m-1次和m次观测的地表曲率值，10-3/m。

(4)地表水平移动速度 指地表各测点相邻两次观测的地表水平移动差值除两次观测的间隔天数。地表水平移动速度Vu(mm/d)计算公式为：

(4)

式中，Unm-1，Unm为分别表示第m-1次和第m次观测的地表水平移动值，mm。

(5)地表水平变形速度 地表水平变形速度是指相邻两次观测的地表水平变形差值除以两次观测的间隔天数。地表水平变形速度Vε(mm/(m·d))计算公式为：

(5)

式中，εnm-1，εnm分别表示第m-1次观测和第m次观测的地表水平变形值，mm/m。

2 地表沉陷速度软件开发

地表沉陷速度软件可用于煤矿区地表移动观测站剖面线数据进行地表沉陷速度计算与分析。根据用户输入的地表移动观测数据，可根据用户选择生成地表各测点和相邻测点间的移动变形值，地表下沉速度、倾斜速度、曲率速度、水平移动速度和水平变形速度，测点下沉速度等曲线，并可以自动生成地表沉陷与地表沉陷速度报告。

2.1 计算数据上传窗口

选择服务器上已有的地表移动观测数据文件，或者上传新的数据文件。地表沉陷速度计算数据上传窗口见图1。

图1 地表沉陷速度计算数据上传窗口

2.2 绘制地表沉陷速度曲线

在地表沉陷速度标签页中，选择观测日期以及相关的地表沉陷速度参数，点击绘制地表沉陷速度曲线按钮，即可生成相应的曲线。绘制的地表下沉速度及地表沉陷速度等曲线图显示窗口分别见图2～图3。

图2 地表下沉速度曲线图显示窗口

图3 地表沉陷速度曲线图显示窗口

2.3 绘制测点下沉速度曲线

在测点下沉速度标签页中，根据需要选择地表测点名称，点击绘制测点下沉速度曲线按钮，即可生成相应的曲线。

绘制的地表某测点下沉速度曲线图显示窗口见图4。

图4 地表测点下沉速度曲线图显示窗口

2.4 生成数据报告

为了对计算所得数据进行进一步的分析，可在地表沉陷标签页和地表沉陷速度等标签页，点击“下载地表沉陷报告”或“下载地表沉陷速度报告”或“下载测点下沉速度报告”按钮，下载相应的数据表格。地表某测点下沉速度报告见图5。

图5 测点下沉速度计算结果报告显示窗口

3 结束语

为表征地表沉陷的变化快慢及程度，引入了“地表沉陷速度”概念，并进行了定义和开发了地表沉陷速度计算软件。开发的地表沉陷速度计算软件可根据地表移动观测数据，进行地表沉陷速度计算和图形显示，具有界面友好、功能强大灵活、自动化程度高、精度高、操作简便等优点。