劉義新，張俊英

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 安全分院，北京 100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(煤炭科學(xué)研究總院)，北京 100013；3.北京市煤礦安全工程技術(shù)研究中心，北京 100013)

煤炭地下開采引起的地表沉陷是一個(gè)十分復(fù)雜的過程，其表現(xiàn)形式多樣[1-2]。其中，地表移動(dòng)盆地是煤礦開采導(dǎo)致地表顯現(xiàn)最常見的表現(xiàn)形式，通常采用“兩種移動(dòng)、三個(gè)變形”作為指標(biāo)進(jìn)行描述地表沉陷規(guī)律，即地表下沉、水平移動(dòng)、地表傾斜、曲率和地表水平變形合計(jì)5個(gè)指標(biāo)。目前，這些指標(biāo)在我國煤礦區(qū)地表沉陷規(guī)律分析、沉陷預(yù)測和“三下”壓煤開采等方面得到廣泛和成熟應(yīng)用[3-4]。近年來，隨著煤礦高效開采的發(fā)展，煤礦區(qū)工作面開采速度均比以前產(chǎn)生較大變化，由以前絕大部分工作面小于60m/月，發(fā)展到現(xiàn)在很少有工作面開采速度小于2m/d，多數(shù)開采速度5～8m/d，少數(shù)達(dá)16m/d。因此，在采深、地表下沉值等參數(shù)變化不大的情況下，工作面快速開采可導(dǎo)致地表沉陷的速度快，尤其在淺埋深條件下地表沉陷速度會(huì)更加明顯，從而給地表受護(hù)對象帶來嚴(yán)重?fù)p壞，給受護(hù)對象的維護(hù)帶來不確定性。目前，我國對地表沉陷速度相關(guān)方面的研究和地表沉陷速度計(jì)算軟件較缺乏[5]，因此，本文在對“地表沉陷速度”定義的基礎(chǔ)上，以“地表沉陷速度”計(jì)算公式為軟件數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行了煤礦區(qū)地表沉陷速度剖面線計(jì)算的軟件開發(fā)，以期方便對礦區(qū)地表移動(dòng)觀測站進(jìn)行地表沉陷速度方面的整理、分析及研究。

1 軟件數(shù)學(xué)計(jì)算模型

地表沉陷速度定義為相鄰兩次地表沉陷值與兩次觀測的間隔天數(shù)之比，包括地表下沉速度、地表傾斜速度、地表曲率速度、地表水平移動(dòng)速度和地表水平變形速度。主要利用地表沉陷速度來表征地表沉陷在不同時(shí)間的發(fā)展變化過程和地表沉陷的變化快慢與程度。地表沉陷速度各參數(shù)定義如下：

(1)地表下沉速度 是指地表各點(diǎn)相鄰兩次觀測的地表下沉差值除以兩次觀測的間隔天數(shù)。地表下沉速度VW(mm/d)計(jì)算公式為：

(1)

式中，Wnm-1，Wnm分別表示n號測點(diǎn)第m-1次和第m次觀測的地表下沉值，mm；t為兩次觀測的時(shí)間間隔天數(shù)，d。

(2)地表傾斜速度 是指相鄰兩次觀測的地表傾斜差值除以兩次觀測的間隔天數(shù)。地表傾斜速度Vi(mm/(m·a))計(jì)算公式為：

(2)

式中，inm-1，inm分別表示第m-1次和第m次觀測的地表傾斜值，mm/m。

(3)地表曲率速度 是指相鄰兩次觀測的地表曲率差值除以兩次觀測的間隔天數(shù)。地表曲率速度VK(10-3/(mm·d))計(jì)算公式為：

(3)

式中，Knm-1，Knm分別表示第m-1次和m次觀測的地表曲率值，10-3/m。

(4)地表水平移動(dòng)速度 指地表各測點(diǎn)相鄰兩次觀測的地表水平移動(dòng)差值除兩次觀測的間隔天數(shù)。地表水平移動(dòng)速度Vu(mm/d)計(jì)算公式為：

(4)

式中，Unm-1，Unm為分別表示第m-1次和第m次觀測的地表水平移動(dòng)值，mm。

(5)地表水平變形速度 地表水平變形速度是指相鄰兩次觀測的地表水平變形差值除以兩次觀測的間隔天數(shù)。地表水平變形速度Vε(mm/(m·d))計(jì)算公式為：

(5)

式中，εnm-1，εnm分別表示第m-1次觀測和第m次觀測的地表水平變形值，mm/m。

2 地表沉陷速度軟件開發(fā)

地表沉陷速度軟件可用于煤礦區(qū)地表移動(dòng)觀測站剖面線數(shù)據(jù)進(jìn)行地表沉陷速度計(jì)算與分析。根據(jù)用戶輸入的地表移動(dòng)觀測數(shù)據(jù)，可根據(jù)用戶選擇生成地表各測點(diǎn)和相鄰測點(diǎn)間的移動(dòng)變形值，地表下沉速度、傾斜速度、曲率速度、水平移動(dòng)速度和水平變形速度，測點(diǎn)下沉速度等曲線，并可以自動(dòng)生成地表沉陷與地表沉陷速度報(bào)告。

2.1 計(jì)算數(shù)據(jù)上傳窗口

選擇服務(wù)器上已有的地表移動(dòng)觀測數(shù)據(jù)文件，或者上傳新的數(shù)據(jù)文件。地表沉陷速度計(jì)算數(shù)據(jù)上傳窗口見圖1。

圖1 地表沉陷速度計(jì)算數(shù)據(jù)上傳窗口

2.2 繪制地表沉陷速度曲線

在地表沉陷速度標(biāo)簽頁中，選擇觀測日期以及相關(guān)的地表沉陷速度參數(shù)，點(diǎn)擊繪制地表沉陷速度曲線按鈕，即可生成相應(yīng)的曲線。繪制的地表下沉速度及地表沉陷速度等曲線圖顯示窗口分別見圖2～圖3。

圖2 地表下沉速度曲線圖顯示窗口

圖3 地表沉陷速度曲線圖顯示窗口

2.3 繪制測點(diǎn)下沉速度曲線

在測點(diǎn)下沉速度標(biāo)簽頁中，根據(jù)需要選擇地表測點(diǎn)名稱，點(diǎn)擊繪制測點(diǎn)下沉速度曲線按鈕，即可生成相應(yīng)的曲線。

繪制的地表某測點(diǎn)下沉速度曲線圖顯示窗口見圖4。

圖4 地表測點(diǎn)下沉速度曲線圖顯示窗口

2.4 生成數(shù)據(jù)報(bào)告

為了對計(jì)算所得數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的分析，可在地表沉陷標(biāo)簽頁和地表沉陷速度等標(biāo)簽頁，點(diǎn)擊“下載地表沉陷報(bào)告”或“下載地表沉陷速度報(bào)告”或“下載測點(diǎn)下沉速度報(bào)告”按鈕，下載相應(yīng)的數(shù)據(jù)表格。地表某測點(diǎn)下沉速度報(bào)告見圖5。

圖5 測點(diǎn)下沉速度計(jì)算結(jié)果報(bào)告顯示窗口

3 結(jié)束語

為表征地表沉陷的變化快慢及程度，引入了“地表沉陷速度”概念，并進(jìn)行了定義和開發(fā)了地表沉陷速度計(jì)算軟件。開發(fā)的地表沉陷速度計(jì)算軟件可根據(jù)地表移動(dòng)觀測數(shù)據(jù)，進(jìn)行地表沉陷速度計(jì)算和圖形顯示，具有界面友好、功能強(qiáng)大靈活、自動(dòng)化程度高、精度高、操作簡便等優(yōu)點(diǎn)。