小时间尺度下的山区开采地表变形实测研究

拓万兵，吴凤民，杨 刚

(1.中国矿业大学银川学院矿业工程系，宁夏 银川 750021；2.宁夏防沙治沙职业技术学院，宁夏 银川 750199)

小时间尺度下的山区开采地表变形实测研究

拓万兵1，吴凤民1，杨 刚2

(1.中国矿业大学银川学院矿业工程系，宁夏 银川 750021；2.宁夏防沙治沙职业技术学院，宁夏 银川 750199)

采用徕卡TCA2003测量机器人，实测了小时间尺度下西部山区某矿工作面开采过程中地表移动变形数据，对数据进行分析研究，得出如下结果：①小时间尺度下的山区开采沉陷区地表下沉呈现不规则的跳跃性变化，具有非线性的波动性，选取的时间尺度越小，这种非线性波动越剧烈;②小时间尺度下的瞬时下沉速度很大，可能在瞬间引起建筑物的破坏，开采中应注意防范;③地表点动态下沉速度曲线具有统计分形特征，符合“z”型的分形增长模式。

测量机器人；小时间尺度；山区；动态变形

我国西部煤炭资源丰富，但地形地貌复杂，人居生态环境脆弱，属于自然地质灾害易发区。加之有些矿井在山区下采煤时未能进行有效的地表移动变形监测，使得大规模的山体滑坡与崩塌在西部矿区时有发生，严重影响着矿区的安全生产，加剧了生态环境恶化[1-2]。为准确掌握山区开采岩层和地表的动态变形过程，需要有大量不同时间尺度下的沉陷监测资料[3-5]。但长期以来，西部许多矿区地表沉陷的监测方法仍采用常规的测量方法，观测时间尺度大，内外业工作繁琐，效率、精度较低，难以有效得到瞬时的山体动态变形特征，防止剧烈的动态移动变形导致山体瞬间崩塌。随着实时动态监测技术的发展，采用高精度、自动化的测量机器人在工作面开采过程中连续地采集地表点移动变形数据，分析研究小时间尺度下的山区开采沉陷区地表动态变形特征具有重要的理论及现实价值[6-8]。 为此，本文利用徕卡TCA2003测量机器人，在西北某矿区15412工作面推进过程中选取地表移动观测线上的监测点进行连续性监测，获得小时间尺度下的移动变形数据，分析得出该矿区地表复杂的动态变形特征，对保护脆弱山区生态环境及防治山体滑坡有着重要的经济和社会价值。

1 开采沉陷区小时间尺度下移动变形数据采集

西部某矿位于太行山西侧，属低山丘陵地貌，沟谷纵横，梁岭绵延，地形复杂。开采的15412工作面在矿井南部，平均采深约200m，15号煤层为近水平煤层，煤层平均厚度6.82m，设计面长150m、推进长度275m，采煤方法为长壁综合机械化放顶煤采煤法，全部垮落法管理顶板。在开采沉陷区利用TCA2003测量机器人布设实时动态监测系统，监测系统由TCA2003测量机器人、基点、参考点、监测点组成。根据矿区的实际情况，工作基点位置选择在沉陷变形区外，并使所有目标点与测量机器人通视，距离均在测程范围内，且避免同一方向上有2个或2个以上目标点；基准点布设为控制网，并覆盖整个受开采影响的区域；监测点在15412工作面走向观测线上每隔25～30m埋设，记为JCD1～JCDN，每个监测点上安置有反射单棱镜。监测网布置见图1。

图1 监测网布置示意图

由于山区开采的特殊情况，无法提供充足的电源，本次野外数据采集使用了TCA2003机载Monitoring监测程序。每天在测站点上设站完成后采用极坐标法先进行学习测量，然后进入机载Monitoring程序，对工作面推进方向上的JCD1、JCD2、JCD3三个监测点进行为期12天的连续性监测，每个周期各个点的测量方法均按1测回监测，时间间隔为10min，重复次数为1次。

2 不同时间尺度下沉陷变形动态特征分析

受工作面开采进度和地质采矿条件的影响，在监测的12d内采集到的各测点数据暂未达到该地质采矿条件下的最大下沉值，但可从监测获得的数据计算各点的下沉值、下沉速度，分析不同监测时间尺度下的动态变形特征。下面选取JCD1点的数据分析不同时间尺度下的下沉量及下沉速度曲线的变化特征。

2.1 不同时间尺度下的下沉量的比较研究

连续性监测12天JCD1点累计下沉量为493.9mm，与同期的GPS监测数据相吻合。图2～4分别为2014年1月12日一天内间隔10min、30min、60min时间尺度下JCD1点的下沉曲线。从图2～4中可以清晰地看出，在小时间尺度下，微小的沉降均能显现出，测点的下沉呈现不规则的跳跃性变化，具有非线性的波动性，选取的时间尺度越小，这种非线性波动越剧烈。反之，在时间尺度增大，测点下沉的波动性不明显，整体趋于平缓。

图2 JCD1点间隔10min下沉曲线

图3 JCD1点间隔30min下沉曲线

图4 JCD1点间隔60min下沉曲线

2.2 不同时间尺度下的下沉速度的比较研究

JCD1点在12d的监测时期处于活跃阶段，为此选择该点分别计算出在10min、30min、1h、2h、6h、1d、2d等不同时间尺度下的最大下沉速度，见表1。同时绘出该点在上述不同时间尺度下的下沉速度曲线，其中10min、1h、1d时间尺度下的下沉速度曲线，见图5～ 7。

从表1中可知10min、30min、1h、2h、6h时间尺度下最大下沉速度分别是1d时间尺度下最大下沉速度的35倍、13倍、6倍、1.5倍。因此可以看出小时间尺度下的瞬时下沉速度很大，可能在瞬间引起建筑物的破坏，应引起我们足够的关注。

表1 JCD1点不同时间尺度下的最大下沉速度

图5 JCD1点间隔10min下沉速度曲线

图6 JCD1点间隔1h下沉速度曲线

图7 JCD1点间隔1d下沉速度曲线

通过分析图5～7可以得出如下结论。随着工作面的推进，点的下沉速度并不是逐渐增大或缩小，而是呈现出多次“z”型跳跃变化来回震荡。取10min、30min、1h、2h的时间间隔下跳跃性更明显且下沉速度在某些时段出现负值。选取的时间尺度越小，点下沉过程跳跃性就越强，出现负值的比重就越大，这在10min时间尺度下表现得尤为明显，符合大“z”型逐级镶嵌小“z”型的分形增长模式。下沉速度变化的跳跃度将随着观测时间尺度的增大被逐渐减弱，而现在常规地表观测站间隔15d观测一次获取的观测数据得出的下沉速度特征极大地掩盖了下沉速度变化的跳跃性。

3 结论及建议

1)在小时间尺度下，山区开采的动态地表移动存在较强烈的非线性波动。时间尺度越小，这种非线性波动越剧烈。反之，在时间尺度增大，测点下沉的波动性不明显，整体趋于平缓。

2)在小时间尺度下，山区开采引起的地表点动态下沉速度曲线具有统计分形特征，符合 大“z”型逐级镶嵌小“z”型的分形增长模式。这一特征与山区的复杂地质采矿条件相关，特别是岩石结构的复杂性，使采动岩体破坏表现出强烈的非线性，表现在地表上则使地表点动态下沉曲线呈非光滑形状。小时间尺度下的瞬时下沉速度很大，可能在瞬间引起建筑物的破坏，应引起我们足够的关注。开采过程中应该加强防范其所造成的有害影响。

3) 常规地表观测站间隔 15 d观测一次获取的观测数据得出的下沉速度特征极大地掩盖了下沉速度变化的跳跃性。为了更好保护西部矿区脆弱的生态环境及地表建构筑物，各矿区应在现有的观测基础上，加强开采沉陷监测，减小观测时间间隔，为准确制定开采方案及采取保护措施提供有力的实测资料。

[1] 何国清，杨伦，等.矿山开采沉陷学[M].徐州：中国矿业大学出版社，1991.

[2] 何万龙.山区开采沉陷与采动损害[M].北京：中国科学技术出版社，2003.

[3] 国家煤炭局.建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程[M].北京：煤炭工业出版社，2000.

[4] 谭志祥，邓喀中.建筑物下采煤理论与实践[M].徐州：中国矿业大学出版社，2009.

[5] 邓喀中.开采沉陷中的岩体结构效应[M].徐州：中国矿业大学出版社，2003.

[6] 戴华阳，王金庄，蔡美峰.岩层与地表移动的矢量预计法[J].煤炭学报，2002，27(5)：473-478.

[7] 范百兴.高性能全站仪的研究及其在动态测量中的应用[D].郑州：解放军信息工程大学，2004.

[8] 刘春，倪涵．GeoMoS自动监测系统与观测数据精度分析[J]．水电自动化与大坝监测，2006，30(2)：41-44.

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

宁夏高等学校科学技术研究项目资助(编号：20130137)

拓万兵(1984-)，男，甘肃白银人，硕士，讲师，主要从事矿山测量与开采沉陷损害与防护方面的教学与研究工作。

TU475

A

1004-4051(2015)05-0104-03