地表移动变形规律研究的软件应用研究——以淮南某煤矿首采面地表移动观测站数据为例

赵 丽

(淮南职业技术学院，安徽 淮南 232001)

煤炭资源被采出后，当弯曲下沉带扩展至地表时，将会引起地表沉陷。地表沉陷过程中有时伴随地下水位下降和水资源流失等水文地质破坏，不可避免对矿区生态环境造成影响，这与推进煤矿绿色高效安全生产，树立创新、协调、绿色、开放、共享发展理念，坚持节约、清洁、绿色、安全的发展方针相违背[1]。在煤炭开采之前根据采区地质采矿条件和地表移动理论预计出地下开采后地表可能产生的移动变形及损害，由此推测地表、建(构)筑物、生产生活设施和装备的破坏状态和等级，从而制定相应的防护措施。因此，开采沉陷的预测和研究是开采沉陷控制和保护人类的生存环境、生产、生活设施、及时安排群众转移、避免人员伤亡及其他不必要的损失的关键问题。以淮南某煤矿首采面的地表移动观测站的数据为例，介绍地表移动变形规律研究的软件实现情况，该首采面是近水平煤层，平均倾角约2.5°，煤层埋深平均约913.6 m，设计走向长约1 781 m，采长约1 610 m，工作面倾向宽230 m。

一、移动变形预计模型的建立

目前，国内外研究提取变形信息的手段涉及D-InSAR结合GPS技术[2]、多轨D-InSAR结合多孔径合成雷达(Multiple Aperture Interferometry，MAI)技术，用来获取三维地表信息[3]。D-InSAR会因为自身局限性受到一些应用限制，如大面积水域会造成D-InSAR图像干涉的低相干、对南北方向的形变具有不敏感性。由于矿区地表移动变形监测的精度较高，关系到安全生产，故结合矿区的实际情况，以地表移动观测站对概率积分法进行研究。对于预计参数的选取，根据工作面的参数和已有参数初值，采用模矢法获得。常用的概率积分法[4]基于随机介质理论，一般适用于较薄松散层下的沉陷预计，而对于淮南矿区巨厚松散层[5]下开采具有与一般地质采矿条件下，下沉系数偏大、地表移动盆地范围扩展等不同的沉陷特性，用该方法进行地表移动预计存在不合理性和不准确性。考虑到基岩和厚松散层不同的沉陷特性，把上覆岩层分成基岩与松散层，根据叠加原理，对模型进行修正。概率积分法对基岩部分进行预计，由煤层的开采导致的基岩上地表的下沉可表示为:

(1)

采用概率积分函数erf，把(1)式转化为

(2)

式中：W0为煤层的有效开采厚度、qj为基岩上的下沉系数。进行地表下沉预计时，地表的下沉可被看成是变采厚煤层的开采引起的，采厚为Wj(s)。根据叠加原理，地表的下沉为:

(3)

式中：q为地表下沉系数、Wj(s)为采厚。把上式整理过后最终得:

(4)

式中：θ为松散层边界角、δ为基岩边界角、tanβ为主要影响角正切。对于有限开采的情况，水平移动、水平变形可用叠加原理进行计算。

二、修正模型的验证

随着工作面的开采，针对地表移动变形具有动态性的特点，所以对模型的验证，在地表移动盆地稳定后进行。以该首采面走向方向线的移动变形预计情况为例，采用事前计算出的(表1)中的地表移动参数，根据模型建立的方法及过程，验证修正模型。概率积分法普通预计曲线和概率积分法修正模型预计曲线与实际观测曲线的对比图如图1所示，图中的曲线为经过平滑后的。由图1可知：从对比来看，通过将实测水平移动、下沉曲线与对应的预计曲线进行对比可知，采用修正后的概率积分法得到的预计曲线整体变化趋势基本一致，最大下沉值、最大水平移动值在地表上出现的位置大体上是相当的，克服了移动变形预计结果，采用传统概率积分法计算时在移动盆地的边缘处收敛过快的缺点，预计效果较好。说明经过修正的概率积分模型的预计结果与实测结果更为接近，具有准确性。

图1 实测与预计曲线对比

表1地表移动参数表

三、软件实现

(一) 软件运行的结构设计

在对地表进行移动变形预计除了主断面的预计还需要进行全采取范围的预计，为地表沉陷提供精确数据、分析沉陷趋势、保证安全生产。根据地表移动变形规律研究内容，采用上面的修正模型，以VB.NET为开发平台，结合AutoCAD以工作面主断面、任意点和全采区范围三个维度的地表移动变形预计以及所需要的预计成果为构建思路进行程序的结构设计，实现移动变形数值预计和图形预计两大功能。软件中工作面参数可以手动输入，也可以把工作参数、地质采矿条件以及预计参数的初值以.txt文本文档的形式进行存储，便于程序导入读取，节省时间，然后输入下沉、倾斜、曲率、水平移动、水平变形图形的比例尺，点击任意点或全采区预计的按钮即可进行自动计算、绘制图形。

图2 软件结构设计

(二) 软件的移动变形预计

采用该首采面的地质采矿条件、工作面参数和地表移动参数为基础已知数据，输入后直接进行预计计算。预计成果以文档形式保存。对于下沉、倾斜、水平移动等变形量，软件计算之后以.txt文本文档的形式保存。预计成果以图形形式保存。全过程预计是工作面开采的整个过程，按照一定的时间间隔(如30天)进行预计，预计时回采速度需要准确输入，软件实现了将不同时间点的预计成果，保存在不同的图层中，并以日期为图层名加以区分。从图4可了解该工作面在回采过程中，走向主断面上特定时间的地表动态移动变形情况，便于了解地表的沉陷变形情况，掌握动态变化规律[6,7]。

图3 走向主断面预计数据

图4 动态移动变形曲线

四、结论

以淮南某煤矿首采面为研究实例，结合巨厚松散层下煤矿开采后，地表沉陷的特殊性，运用的概率积分法的修正模型对地表移动变形进行预计，并编写相应软件，得出以下结论：第一，概率积分法的修正模型，对于巨厚松散层下开采，地表移动变形规律的研究具有准确性。第二，编程实现了地表移动变形成果的文档保存，便于分析数据。第三，软件实现了图形输出功能，解决了移动变形预计过程中的变量逻辑顺序性强、计算复杂的问题，节省了数据处理时间，提高了工作效率，对地表的移动与变形情况的进一步研究和分析有一定的参考和应用价值。