采空区地表沉降规律监测分析研究与应用

赵好楠 靳合波 袁兴明

(1.山东正大地理信息科技集团有限公司，山东 潍坊 261000; 2.青岛理工大学，山东 临沂 273400; 3.山东工业职业学院建筑与信息工程学院，山东 淄博 256414)

0 引言

自然界受各种力的影响，在一定时期、一定的位置处于平衡状态。地下资源在未被开采之前，地表建筑物、岩石土壤、地下水以及矿山资源受各种预应力的影响，基本处于平衡状态。随着我国改革开放之后，经济建设快速发展，各行各业出现了非常大的成就，为经济建设提供了能源支持的煤炭，开采力度比较大，导致地表以及建筑物出现裂缝甚至塌陷，在我国济宁、枣庄地区出现了大量的地面塌陷，对周边的建筑物和构筑物造成了很大的威胁[1,2]。

随着计算机科学技术的发展以及物联网技术的应用，数据处理的精度越来越高，并且达到高度集成自动化。建筑沉降软件ST，是基于建筑物沉降变化的理论与规律以及荷载增加的变化情况，借助计算机硬件所开发的致力于沉降监测数据处理的一种工具。能够及时分析出建筑物地基的沉降量、不均匀沉降(沉降差)及沉降速度、期沉降量、期沉降速度、地基倾斜、局部倾斜、相对弯曲和构件倾斜等[3-5]。

外业测量采用了徕卡数字水准仪以及处理软件，在内业数据处理中采用沉降观测分析软件和SPSS数据分析软件[6-9]，主要受甲方要求重点分析了倾向线A沉降规律，地理位置比较特殊，倾向线A布设在出入村庄的主要干道，并且北面是几个养殖场和小学，南边是一排带院的沿街房屋。及时对开采的情况进行分析，分析出变化的曲线，做到了理论与实际开采沉陷相结合。观测获得的数据准确，精度高，研究成果可靠，变化规律清晰，完全可以应用于煤矿地表的沉降分析，做到了理论与实际开采沉陷相结合。为采空区上方的建筑物、道路和农用设施的安全提供了指导性建议，挽回了不必要的经济损失，为解决矿区与周边居民的矛盾问题提供了实际数据支持。

1 监测线设计

观测线的长度应保证两端(半条观测线时为一端)超出采动影响范围，以便建立观测线控制点和测定采动影响边界。设站时移动盆地边界是根据类比的沉陷参数或条件类似的其他矿区的参数确定的[3-5]。

为了充分反映地表移动与变形规律，分别沿矿体走向和倾向主断面布设了两条观测线。为了保证其观测质量，观测线应有足够的长度，两端应布设控制点，工作测点的外端至控制点的距离不应少于50 m～100 m，并且应保证控制点位于开采范围之外[3-5]。具体布设观测站平面图如图1所示。

2 外业数据获取与数据处理

1)监测点数据获取。

外业获取监测点的高程变化，主要包括基准点、工作基点和监测点，高程基准点和工作基点沿路，按二等水准要求联测，中间若干监测点，形成闭合环，采用Leica DNA03自动安平电子水准仪和相应铟瓦水准尺。施测前，按规程要求进行检验。采用观测程序和模式按DNA03内置的线路测量程序和方法进行。

2)数据处理。

外业观测后，及时对野外观测数据进行分析，水平数据处理及水准测量均采用导线平差软件3.0。每完成一条水准路线的测量，进行测段往返测高差不符值Δi(mm)及每测站所测高差中数的中误差mΔ(mm)计算。

(1)

其中，N为测段数；n为每个测段的平均测站数。

计算所得的mΔ值不超过方案中所要求的每测站高差中数中误差。

3 数据分析

1)监测点沉降变化。

利用ST软件分析处理的各期的监测点数据，取倾向线A为研究分析对象，监测点自西向东布设，由于受地形影响布设了半条监测线，利用ST软件计算出了最大沉降速率、最大沉降量和最大期沉降速率，经过分析得出监测点沉降量自西向东逐渐增大，A9出现最大下沉值，如表1所示。

表1 倾向线A沉降量统计表

2)SPSS软件分析。

采用SPSS数据分析软件，进行曲线估计，根据模型包，完成模型的参数估计、F值、概率等统计量，选择合适的模型进行估计预测。常用的模型有线性、函数、生长、对数、多次方程、逆、幂等数学模型以及逻辑分析。在进行分析时可以选择几种函数模型，分析出最佳估计[6-9]。本文研究分析的函数模型选取如下：

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

4 沉降规律研究

沉降观测数据分析后，利用软件绘制各类曲线，主要有倾向线A沉降过程组合线、倾向线A平均沉降过程线、沉降累计量柱形图以及SPSS拟合等曲线，具体见图2～图5。

分析表1以及沉降曲线图和平均沉降过程线可以得出，最大累计沉降：-309.0 mm，最小累计沉降-71.7 mm，最大累计沉降速度：-58.7 mm/100 d，最大期沉降速度：-158.6 mm/100 d。沉降量开始下沉比较小，10期之后下沉开始慢慢变大，14期之后逐渐趋向平稳；通过沉降速度分析，第2期沉降速度变大，主要是由于埋桩后地面的土壤的沉降造成，一直到11期后开始加大下沉速度，主要是由于回采面结束后，引起了地表的形变，15期后下沉速度逐渐减慢，地表慢慢恢复达到新的平衡状态。该工作面的变形情况基本符合该区域开采后造成的沉降问题。

分析图4和图5可以得出，A9出现最大下沉值，A1下沉至最小，由于倾向线A布设了一半，A9之后自西向东逐渐减小的趋势没有描述出，最大期沉降出现在11期，第15期之后沉降速度开始变小。利用数理统计分析软件SPSS以及曲线拟合，可以分析出实测区域的监测点变化和拟合曲线分析预测的结果，通过结果对比分析，可以得出SPSS软件对沉降数据拟合分析出相应的曲线和拟合公式，可以用于后续的沉降预测分析。

5 结语

1)利用ST软件能够结合计算机技术，提高曲线拟合分析的精度和速度。用于工程中能够分析出采空区上方特征点的变化和出现的时间，分析地表变化的规律。利用SPSS软件选择合适的数学模型进行分析，得到曲线和拟合的公式，用于后续的监测点变化分析。2)本文利用地表监测点的高程变化，分析预应力的变化对地表的建筑物、道路和河流的变化，分析出变化的最大值以及相应的趋势，为地表人类活动和生产提供技术支持。为解决矿区和周围村民的生产矛盾，提供了理论和实践的支持，减少了大量不必要的损失，该方法可以用于其他地区的地表岩移规律研究分析。