基于GIS矿山地表沉陷时空效应分析

马大喜 荣明明 卢志刚

(江西理工大学建筑与测绘学院)

基于GIS矿山地表沉陷时空效应分析

马大喜 荣明明 卢志刚

(江西理工大学建筑与测绘学院)

利用地表监测数据，结合MapInfo软件及扩展模块Vertical Mapper，基于克里格空间插值方法生成格网文件，建立数字沉陷模型，绘制沉陷等值线和沉陷剖面线。根据沉陷等值线图和剖面图进行空间效应分析，揭示地表沉陷的时空演化规律，对矿山地表的安全监测、预警有重要的指导意义。

GIS 空区 变形监测 时空演化 地表沉陷

在矿山地下开采过程中，采动区域由于原始应力状态受到破坏失去平衡，不同程度地产生各种地压现象，引起岩层及地表移动,如顶板下沉、开裂、冒落，矿柱垮落，采空区塌陷等。由此，准确研究和分析地下开采引起的地表开采沉陷，对空区地表变形监测数据进行时空效应分析，以判定地表变形是否超出允许范围，具有十分重要的指导意义[1-2]。目前时空效应分析方法主要有有限元法、拟合经验法、人工智能法等[3-4]，这些方法在时间效应的数据预测拟合上有很大的优势，但对监测数据变化的空间分布和可视化的展现上存在一定的不足，结合方面的研究更为薄弱。由此，地表变形数据空间分布直观展现，准确地反映地表沉陷的时空演化规律，是地表变形监测时空演化分析的关键问题。本文基于矿山地表变形监测资料，对数据拟合预测，进行时间效应分析，利用GIS软件建立了数字沉陷模型，基于GIS的空间分析方法，分析其时空演化效应，从而挖掘出监测数据变形的空间分布规律和空间演变规则，为矿山的安全生产提供科学依据[5]。

1 地表数字沉陷模型的构建

1.1 沉陷模型定义

由一组离散的沉降监测点经过空间内插后形成连续的沉陷分布曲面， 把沉降值高低作为沉陷信息的一种表面模型即为数字沉陷模型[6]。基于规则格网的数字沉陷模型是对地面沉降的一个较为精确的离散表示，并且由于其数据结构简单、直观，非常利于计算机操作和处理。因此，通常将其作为基础数据格式，运用GIS 软件强大的空间分析功能来进行沉降数据分析。

1.2 克里格空间插值

克里格法是将任一个点的估计值通过该点影响范围内的n个有效样本值Z(xi)的线性组合得到，即

(1)

1.3 数字沉陷模型的创建

地表沉降监测点Pi(xi,yi,△zi)是类似高程点的离散点，利用MapInfo软件和地表沉降监测数据对地表沉陷形态建模，常采用数字高程模型的方法建立。空间离散数据(x、y、△z)直接来源于地表沉降监测数据，经处理后数据格式为MapInfo软件可接受的格式(*.TAB)，数据格式表达的内容分别为地表监测点的X、Y坐标值和属性值(高程沉降值)。在获取数据之后将其进行格网化插值，选择克里格空间插值算法，生成MapInfo软件中的规则格网文件(*.grd)。采用MapInfo 扩展模块Vertical Mapper，结合空间上若干离散的地表沉陷点，生成一系列光滑曲线即等值线和沉陷剖面图。建模流程见图1。

图1 数字沉陷模型建模流程

2 应用实例

2.1 工程概况

龙桥铁矿属于构造应力型矿山，目前采空区主要分布在CZK01勘探孔、CZK02勘探孔和CZK03勘探孔周围地区，测区范围较大。矿区地质环境复杂，地势起伏大，植被分布以灌木为主，交通便利。基于以上考虑和监测的实际需要，现场监测过程中采用高精度全站仪和水准测量监测方法。

结合龙桥铁矿东部矿区的地下开采情况，地表监测点沿矿体走向布置了3条观测线，主要分布在CZK01和CZK03勘探孔区域，其中走向主断面观测线主要有JB11、JB29、JB05、JB06、JB25、JA12、JA00和JA02等地表移动站[7]。地表监测点沿矿体勘探线(6#、4#、2#、0#、1#、3#线)布置了6条观测线，间距100 m，总共布设了57个地表监测点。

2.2 地表沉陷等值线分析

将各地表监测点看作为离散空间数据点，其监测数据(x、y、z)直接来源于测量值(野外全站仪、水准测量)，经处理后形成*.TAB空间数据格式，属性内容分别表达为监测点的平面相对坐标值和沉陷值。在处理数据之后，采用克里格空间插值建立*.GRD格网文件，建立数字沉陷地面模型，生成沉陷等值线。为显示出地表监测点的数据变化情况，本文选择了2010年11月25日、2011年11月23日和2012年11月24日3个监测周期的所有地表监测点数据作为离散空间数据，以监测点的累积沉陷值建立了3个不同周期的等值线图，见图2。

图2 3个不同周期的累积沉降等值线图和剖面线分布

地表沉陷最大区域主要集中在4#线和1#线区域，向外围扩展沉陷落差逐渐拉大。2010年11月25日、2011年11月23日和2012年11月24日3个监测周期内沉陷变化值区域逐渐发生一些转移，等值线没发生突变现象，变化平缓稳定。地表4#线和1#线相对沉陷值较大，但随着地下开采过程的进行，地表在1#线下沉区域面有所扩大，由1#线区域向西发展扩大至0#线监测区域，向东发展扩大至1#～3#线监测区域，而4#线较大的下沉区域面有所缩小，由原先的以4#线为主、2#线为辅的覆盖区域格局转变为4#线较大下沉区域缩小，2#线较大下沉区域面逐步向0#线区域转移的局面。

2.3 地表沉陷时空演化分析

基于2010年11月25日、2011年11月23日和2012年11月24日等3个周期监测的地表累积沉陷等值线，分别沿矿体走向(Z0#、Z1#、Z3#和Z5#线)和倾向(4#、2#、0#、1#、1#～3#和3#线)选择10个断面，沿各个断面分别绘制10条剖面线，生成10个地表累积沉陷剖面图。基于剖面图研究采空区中心和四周上方地表的沉陷变化与时间周期的关系，揭示不同时间段地表沉陷变化的空间分布规律[8]。见图3。

图3 地表累积沉陷剖面线变化趋势

从图3中沿矿体走向和倾向剖面线反映的累积沉陷变化趋势图分析：

(1)倾向主断面线0#剖面线，地表累积沉陷在空间演化上存在2个沉陷漏斗，空间分布突变现象比较明显。在0#剖面线起点的40 m处，2012年11月24日累积沉陷达到-15 mm,相比2011年11月23日监测的值增加了5 mm,随着剖面线沿矿体倾向方向延伸，空间上变化趋势逐渐回升，但沉陷变形还起主导作用；在75 m处累积沉陷值为-7.5 mm，之后空间上变化趋势逐渐下降；在90 m处累积沉陷值达到-17 mm，随后空间上变化趋势转为回升，在2012年11月24日监测周期的220 m处上升到 -7 mm。

(2)走向主断面线Z0#剖面线，3个监测周期在空间演化上存在3次沉陷极大值，空间分布存在突变现象。在距Z0#剖面线起点的100 m处，2012年11月24日累积沉陷达到-7 mm；随着剖面线沿矿体走向延伸，空间上变化趋势逐渐下降；在360 m处累积沉陷值则为-20 mm，之后空间上变化趋势突然上升；在380 m处突变到-5 mm，随后空间上变化趋势图转为下降，在420 m处达到 -28 mm。

(3)从地表倾向和走向断面线沉陷剖面线图像可知,沉陷剖面线出现突变的地方集中在勘探线0#线和1#～3#线位置，地表1#～3#线位置沉陷变形大于其它位置。根据龙桥铁矿地质勘探资料显示，1#线以西岩石完整性较好，属稳固区，以东由于受断裂层和岩体影响，稳定性差，局部地段矿体及顶底板围岩受松软蚀变(强绿泥石化、水云母化、高岭土化)、中等富水断层及局部岩浆岩侵入等多种因素影响，属不稳固区；1#～3#线附近地表累积沉陷发育程度相对比较明显，属于重点监控区域。

3 结 语

(1)通过数字沉陷模型的应用，以地表沉降监测数据绘制了沉陷等值线和沉陷剖面图，研究了矿山空区地表沉陷变形的时空演变趋势。利用沉陷剖面线，综合分析沉陷分布及发展变化趋势,以利于地表安全预测、预警。

(2)采空区对应地表总体处于微小沉陷状态，其中在勘探线4#线和1#线附近存在累积沉陷中心，向四周扩展沉陷逐渐变小；矿体东区1#～3#线处沉陷最大，变化趋势存在突变现象，其它区域局部点累积沉降较大，但变形均在允许值范围内；地表沉陷有明显增长变化趋势，但累积沉降量总体较小。工程实例的监测数据结果与空间演化分析结果，较好的反映了地表变形的时空变化趋势，可提前预测预警，以判定是否超出允许范围，矿山地下开采是否安全可靠，是否需调整采矿工序和优化原设计方案等。为矿山地下开采过程中的动态监测，保证矿山生产安全及施工质量，提供了指导。

[1] 邓喀中.采沉陷中的岩体结构效应[M].徐州：中国矿业大学出版社,1998,11.

[2] 王桂平,刘国彬.考虑时空效应的软土深基坑变形有限元分析[J].土木工程学报，2009,42(4):114-118.

[3] Erfu Dai,Shaohong Wu.Modeling change-pattern-value dynamics on land-an integrated GIS and artificial neural networks[J].Environmental Management,2005,36(4):576-591.

[4] 王树良.空间数据挖掘视角[J].清华大学学报:自然科学版,2006,46(S1): 1058-1063

[5] 卢志刚.复杂高应力环境下矿体开采引起的地表沉陷规律研究[D]．长沙：中南大学,2013．

[6] 郑新奇，王家耀，阎弘文，等.数字地价模型在城市地价时空分析中的应用[J].资源科学，2004，26(1)：14-20.

[7] B．A．布克林斯基．矿山岩层与地表移动[M].北京:煤炭工业出版社,1989．

[8] 施成华,彭立敏,赵 丹.考虑时空效应的隧道开挖及降水引起的地层变形计算[J].土木工程学报,2008,41(12):91-96.

Spatial and Temporal Analysis of Mine Surface Subsidence Based on GIS

Ma Daxi Rong Mingming Lu Zhigang

(School of Architecture and Surveying, Jiangxi University of Science and Technology)

Based on the surface deformation monitoring data and combined with MapInfo software and its extended module Vertical Mapper, the grid file format is obtained based on spatial Kriging interpolation method to establish digital subsidence model, draw subsidence isoline and subsidence profile line.Based on analyzing the the subsidence isoline map and subsidence profile map, the spatial and temporal evolution law of surface subsidence is revealed. The research results in this paper has important guiding significance for safety monitoring and early warning of the mine surface.

GIS, Goaf, Deformation monitoring, Time and spatial evolution, Surface subsidence

2015-02-16)

马大喜(1957—)，男，教授，硕士生导师,341000 江西省赣州市客家大道156号。