趙好楠 靳合波 袁興明

(1.山東正大地理信息科技集團(tuán)有限公司，山東 濰坊 261000; 2.青島理工大學(xué)，山東 臨沂 273400; 3.山東工業(yè)職業(yè)學(xué)院建筑與信息工程學(xué)院，山東 淄博 256414)

0 引言

自然界受各種力的影響，在一定時(shí)期、一定的位置處于平衡狀態(tài)。地下資源在未被開(kāi)采之前，地表建筑物、巖石土壤、地下水以及礦山資源受各種預(yù)應(yīng)力的影響，基本處于平衡狀態(tài)。隨著我國(guó)改革開(kāi)放之后，經(jīng)濟(jì)建設(shè)快速發(fā)展，各行各業(yè)出現(xiàn)了非常大的成就，為經(jīng)濟(jì)建設(shè)提供了能源支持的煤炭，開(kāi)采力度比較大，導(dǎo)致地表以及建筑物出現(xiàn)裂縫甚至塌陷，在我國(guó)濟(jì)寧、棗莊地區(qū)出現(xiàn)了大量的地面塌陷，對(duì)周邊的建筑物和構(gòu)筑物造成了很大的威脅[1,2]。

隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，數(shù)據(jù)處理的精度越來(lái)越高，并且達(dá)到高度集成自動(dòng)化。建筑沉降軟件ST，是基于建筑物沉降變化的理論與規(guī)律以及荷載增加的變化情況，借助計(jì)算機(jī)硬件所開(kāi)發(fā)的致力于沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理的一種工具。能夠及時(shí)分析出建筑物地基的沉降量、不均勻沉降(沉降差)及沉降速度、期沉降量、期沉降速度、地基傾斜、局部?jī)A斜、相對(duì)彎曲和構(gòu)件傾斜等[3-5]。

外業(yè)測(cè)量采用了徠卡數(shù)字水準(zhǔn)儀以及處理軟件，在內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理中采用沉降觀(guān)測(cè)分析軟件和SPSS數(shù)據(jù)分析軟件[6-9]，主要受甲方要求重點(diǎn)分析了傾向線(xiàn)A沉降規(guī)律，地理位置比較特殊，傾向線(xiàn)A布設(shè)在出入村莊的主要干道，并且北面是幾個(gè)養(yǎng)殖場(chǎng)和小學(xué)，南邊是一排帶院的沿街房屋。及時(shí)對(duì)開(kāi)采的情況進(jìn)行分析，分析出變化的曲線(xiàn)，做到了理論與實(shí)際開(kāi)采沉陷相結(jié)合。觀(guān)測(cè)獲得的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，精度高，研究成果可靠，變化規(guī)律清晰，完全可以應(yīng)用于煤礦地表的沉降分析，做到了理論與實(shí)際開(kāi)采沉陷相結(jié)合。為采空區(qū)上方的建筑物、道路和農(nóng)用設(shè)施的安全提供了指導(dǎo)性建議，挽回了不必要的經(jīng)濟(jì)損失，為解決礦區(qū)與周邊居民的矛盾問(wèn)題提供了實(shí)際數(shù)據(jù)支持。

1 監(jiān)測(cè)線(xiàn)設(shè)計(jì)

觀(guān)測(cè)線(xiàn)的長(zhǎng)度應(yīng)保證兩端(半條觀(guān)測(cè)線(xiàn)時(shí)為一端)超出采動(dòng)影響范圍，以便建立觀(guān)測(cè)線(xiàn)控制點(diǎn)和測(cè)定采動(dòng)影響邊界。設(shè)站時(shí)移動(dòng)盆地邊界是根據(jù)類(lèi)比的沉陷參數(shù)或條件類(lèi)似的其他礦區(qū)的參數(shù)確定的[3-5]。

為了充分反映地表移動(dòng)與變形規(guī)律，分別沿礦體走向和傾向主斷面布設(shè)了兩條觀(guān)測(cè)線(xiàn)。為了保證其觀(guān)測(cè)質(zhì)量，觀(guān)測(cè)線(xiàn)應(yīng)有足夠的長(zhǎng)度，兩端應(yīng)布設(shè)控制點(diǎn)，工作測(cè)點(diǎn)的外端至控制點(diǎn)的距離不應(yīng)少于50 m～100 m，并且應(yīng)保證控制點(diǎn)位于開(kāi)采范圍之外[3-5]。具體布設(shè)觀(guān)測(cè)站平面圖如圖1所示。

2 外業(yè)數(shù)據(jù)獲取與數(shù)據(jù)處理

1)監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)獲取。

外業(yè)獲取監(jiān)測(cè)點(diǎn)的高程變化，主要包括基準(zhǔn)點(diǎn)、工作基點(diǎn)和監(jiān)測(cè)點(diǎn)，高程基準(zhǔn)點(diǎn)和工作基點(diǎn)沿路，按二等水準(zhǔn)要求聯(lián)測(cè)，中間若干監(jiān)測(cè)點(diǎn)，形成閉合環(huán)，采用Leica DNA03自動(dòng)安平電子水準(zhǔn)儀和相應(yīng)銦瓦水準(zhǔn)尺。施測(cè)前，按規(guī)程要求進(jìn)行檢驗(yàn)。采用觀(guān)測(cè)程序和模式按DNA03內(nèi)置的線(xiàn)路測(cè)量程序和方法進(jìn)行。

2)數(shù)據(jù)處理。

外業(yè)觀(guān)測(cè)后，及時(shí)對(duì)野外觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，水平數(shù)據(jù)處理及水準(zhǔn)測(cè)量均采用導(dǎo)線(xiàn)平差軟件3.0。每完成一條水準(zhǔn)路線(xiàn)的測(cè)量，進(jìn)行測(cè)段往返測(cè)高差不符值Δi(mm)及每測(cè)站所測(cè)高差中數(shù)的中誤差mΔ(mm)計(jì)算。

(1)

其中，N為測(cè)段數(shù)；n為每個(gè)測(cè)段的平均測(cè)站數(shù)。

計(jì)算所得的mΔ值不超過(guò)方案中所要求的每測(cè)站高差中數(shù)中誤差。

3 數(shù)據(jù)分析

1)監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降變化。

利用ST軟件分析處理的各期的監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，取傾向線(xiàn)A為研究分析對(duì)象，監(jiān)測(cè)點(diǎn)自西向東布設(shè)，由于受地形影響布設(shè)了半條監(jiān)測(cè)線(xiàn)，利用ST軟件計(jì)算出了最大沉降速率、最大沉降量和最大期沉降速率，經(jīng)過(guò)分析得出監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降量自西向東逐漸增大，A9出現(xiàn)最大下沉值，如表1所示。

表1 傾向線(xiàn)A沉降量統(tǒng)計(jì)表

2)SPSS軟件分析。

采用SPSS數(shù)據(jù)分析軟件，進(jìn)行曲線(xiàn)估計(jì)，根據(jù)模型包，完成模型的參數(shù)估計(jì)、F值、概率等統(tǒng)計(jì)量，選擇合適的模型進(jìn)行估計(jì)預(yù)測(cè)。常用的模型有線(xiàn)性、函數(shù)、生長(zhǎng)、對(duì)數(shù)、多次方程、逆、冪等數(shù)學(xué)模型以及邏輯分析。在進(jìn)行分析時(shí)可以選擇幾種函數(shù)模型，分析出最佳估計(jì)[6-9]。本文研究分析的函數(shù)模型選取如下：

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

4 沉降規(guī)律研究

沉降觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)分析后，利用軟件繪制各類(lèi)曲線(xiàn)，主要有傾向線(xiàn)A沉降過(guò)程組合線(xiàn)、傾向線(xiàn)A平均沉降過(guò)程線(xiàn)、沉降累計(jì)量柱形圖以及SPSS擬合等曲線(xiàn)，具體見(jiàn)圖2～圖5。

分析表1以及沉降曲線(xiàn)圖和平均沉降過(guò)程線(xiàn)可以得出，最大累計(jì)沉降：-309.0 mm，最小累計(jì)沉降-71.7 mm，最大累計(jì)沉降速度：-58.7 mm/100 d，最大期沉降速度：-158.6 mm/100 d。沉降量開(kāi)始下沉比較小，10期之后下沉開(kāi)始慢慢變大，14期之后逐漸趨向平穩(wěn)；通過(guò)沉降速度分析，第2期沉降速度變大，主要是由于埋樁后地面的土壤的沉降造成，一直到11期后開(kāi)始加大下沉速度，主要是由于回采面結(jié)束后，引起了地表的形變，15期后下沉速度逐漸減慢，地表慢慢恢復(fù)達(dá)到新的平衡狀態(tài)。該工作面的變形情況基本符合該區(qū)域開(kāi)采后造成的沉降問(wèn)題。

分析圖4和圖5可以得出，A9出現(xiàn)最大下沉值，A1下沉至最小，由于傾向線(xiàn)A布設(shè)了一半，A9之后自西向東逐漸減小的趨勢(shì)沒(méi)有描述出，最大期沉降出現(xiàn)在11期，第15期之后沉降速度開(kāi)始變小。利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析軟件SPSS以及曲線(xiàn)擬合，可以分析出實(shí)測(cè)區(qū)域的監(jiān)測(cè)點(diǎn)變化和擬合曲線(xiàn)分析預(yù)測(cè)的結(jié)果，通過(guò)結(jié)果對(duì)比分析，可以得出SPSS軟件對(duì)沉降數(shù)據(jù)擬合分析出相應(yīng)的曲線(xiàn)和擬合公式，可以用于后續(xù)的沉降預(yù)測(cè)分析。

5 結(jié)語(yǔ)

1)利用ST軟件能夠結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)，提高曲線(xiàn)擬合分析的精度和速度。用于工程中能夠分析出采空區(qū)上方特征點(diǎn)的變化和出現(xiàn)的時(shí)間，分析地表變化的規(guī)律。利用SPSS軟件選擇合適的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析，得到曲線(xiàn)和擬合的公式，用于后續(xù)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)變化分析。2)本文利用地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)的高程變化，分析預(yù)應(yīng)力的變化對(duì)地表的建筑物、道路和河流的變化，分析出變化的最大值以及相應(yīng)的趨勢(shì)，為地表人類(lèi)活動(dòng)和生產(chǎn)提供技術(shù)支持。為解決礦區(qū)和周?chē)迕竦纳a(chǎn)矛盾，提供了理論和實(shí)踐的支持，減少了大量不必要的損失，該方法可以用于其他地區(qū)的地表巖移規(guī)律研究分析。