【正文】 動和變形的分布特征及其發(fā)展過程，以便對開采損害做出評價。 地下煤層被開采出來以后，巖體內(nèi)部形成一個采空區(qū)，導(dǎo)致周圍巖體的原有應(yīng)力平衡狀態(tài)受到破壞，引起應(yīng)力的重新分布，使巖體產(chǎn)生移動和破壞，直到達到新的平衡。此過程中，上覆巖層將產(chǎn)生移動、變形與破壞，當(dāng)開采面積達到一定范圍時，移動變形將波及地表，形成地表移動盆地 [1]。造成地表建筑物損害和塌陷區(qū)生態(tài)環(huán)境破壞，給周邊人民的生產(chǎn)、生活帶來了不同程度的影響。為了有效預(yù)防和治理這類沉陷災(zāi)害，需要獲取地表移動規(guī)律。 建立地表移動觀測站是研究開采沉陷和建筑物破壞規(guī)律的最可靠手段 。鑒于煤礦從未有過地表移動觀測資料，使得礦井在合理留設(shè)保護煤柱和開展“三下”采煤設(shè)計方面缺乏科學(xué)依據(jù)。為此，根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》和《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》中的有關(guān)規(guī)定，在煤礦工作面上方建立地表移動觀測站，開展地表移動規(guī)律研究，以期獲得本區(qū)的地表移動盆地角值參數(shù)、動態(tài)變形參數(shù)和概率積分法預(yù)計參數(shù)，為煤礦各類保護煤柱留設(shè)和開采沉陷預(yù)測研究提供科學(xué)依據(jù)。 在礦區(qū)，為保護地面建筑物、水體及鐵路，免受地下開采 活動的影響，減少地下資源損失，就必須研究地下開采所引起的巖層與地表移動規(guī)律。目前是最直接有效的方法安徽理工大學(xué)畢業(yè)論文 2 是建立地表移動觀測站，定期對觀測站上的監(jiān)測點及控制點進行觀測。在確保野外觀測數(shù)據(jù)的正確性后，計算出各觀測點的移動變形信息，最終將計算結(jié)果繪制成曲線圖，以描述沿觀測線的地表移動和變形的分布特征及其發(fā)展過程，以便對開采損害做出評價。 采用 AutoCAD VBA 二次開發(fā)技術(shù)，實現(xiàn)了地表移動觀測數(shù)據(jù) 處理、成圖自動一體化 ?？朔藗鹘y(tǒng)方法成圖只能 查 看、不易定量分析的缺點。在輸出下沉、傾斜、曲率、水平移動、水平變形計算結(jié)果的 同時，將其各曲線以一定比例在 CAD 中成圖，可從曲線上量取任意點的對應(yīng)值。且圖中按原比例繪出對應(yīng)地下煤層開采情況，可很方便地從圖中直接量取各角量參數(shù)，距離參數(shù)。 生成的曲線圖更 有利于直觀現(xiàn)時地分析開采對地表的影響。 文中 AutoCAD 進行二次開發(fā)，應(yīng)用 VBA 計算出各觀測點的各期移動變形值，各種變形曲線依不同比例在 CAD 中成圖，且對應(yīng)繪出地下煤層采動情況。需要求取的地表移動參數(shù)，可在圖中直接精確量取和標(biāo)注。 研究現(xiàn)狀 國外研究現(xiàn)狀 國外早開始了開采沉陷方面的研究工作，特別是比利時、前蘇聯(lián)、波蘭、 德國、澳大利亞、加拿大、美國等采礦業(yè)比較發(fā)達的國家對開采沉陷理論和實踐都進行了較深入研究。 據(jù)參考文獻，早在 1825 年，比利時的工程師們在調(diào)查 Liege 市地表裂縫的原因時，證實了礦山巷道和地表之間 300 英尺的距離足以阻止地表沉陷，開始了最早的開采沉陷工作的研究 [2]。在 1838 年 ,多里斯提出了開采沉陷的第一個理論 “ 垂線理論 ” 。 1885年法國礦長 總結(jié)了開采沉陷時間的矛盾意見 [3]。 1903 年 , Halbaum 將采空區(qū)上方巖層作為懸臂梁 ,提出了地表應(yīng)變與曲率半徑成反比的理論。 1900 年 Wachsmann首次提出了開采沉陷的現(xiàn)代觀點，即煤層開采時底部煤層最先崩塌，中部煤層下沉且破裂，上部煤層下沉但不破裂。 1907 年 , Korten 發(fā)表了他自己的觀測成果 ,提出了水平移動和水平變形的分布規(guī)律 [4]。本世紀 20 至 30年代 ,斯奇米茨、凱因斯特和巴斯研究了開采影響的作用面積及分帶 ,可作為影響函數(shù)法的初級階段 。凱因斯特又提出了水平移動的算式 ,即 U =Wtg (地表點到開采中心連線與鉛垂線的夾角 )。 1931 年德國高等學(xué)校的礦業(yè)學(xué)院開始講授 “ 開采沉陷學(xué) ” 這門課程。英國自 1930 年開始了移動變形的觀測并于 1950 年發(fā)現(xiàn)了觀 測和地表變形之間關(guān)系的重要性，建立了不同采動程度下的下沉系數(shù)修正體系。學(xué)者 改進了沉陷觀測的方法，并對開采沉陷的的理論方法也做出了巨大貢獻 [5]。 另外 , 60 年代初 ,英國學(xué)者 Berry 和 Sales 將巖體視為均質(zhì)彈性體 ,分為平面各向同性、橫觀各向同性與空間問題 3 類進行分析 ,提出了計算巖體下沉的方法 [6]。南非的 Salamon應(yīng)用彈性理論提出了面元原理 ,將連續(xù)介質(zhì)力學(xué)與影響函數(shù)法相結(jié)合 ,為現(xiàn)在安徽理工大學(xué)畢業(yè)論文 3 的邊界單元法奠定了基礎(chǔ)。 90 年代至今，隨著科學(xué)的發(fā)展和研究手段的進步 ,又掀起了礦山開采沉陷的再一次研究 熱潮。在西方發(fā)達國家 ,利用信息技術(shù)開發(fā)出了一批適用于礦山的應(yīng)用軟件如加拿大的 LYNX 系統(tǒng) ,用于地質(zhì)學(xué)研究從勘探資料分析地質(zhì)特征 。英國的 Datamine 用于礦山開采設(shè)計及數(shù)據(jù)處理 。澳大利亞的 Mine TER 以及 Mine Map,用于礦山設(shè)計和繪制工程圖 ,三維開采模擬。國外很多國家用基于概率基本法 [7]預(yù)計計算來指導(dǎo)建筑物下、水體下和鐵路下采煤。 隨著計算機和 3S 技術(shù)的廣泛應(yīng)用，將新技術(shù)應(yīng)用于開采沉陷觀測和數(shù)據(jù)處理也成為國際上普遍研究的的一個重要方面。 、 和 等采用計算程序計算了長壁式工作面采煤沉陷的地表應(yīng)力模式 [8]。德國將數(shù)字攝影測量技術(shù)和遙感技術(shù)手段應(yīng)用到魯爾礦區(qū)的開采沉陷數(shù)據(jù)采集和處理 [9]。如國際著名的有限元分析軟件 ADINA、 ANSYS 以及專門用于巖土工程問題數(shù)值分析的 FLAC、 UDEC 等 [10]。 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 我國是以煤炭為能源的國家，自新中國成立以來就開始開采沉陷方面的研究， 80、90年代至今，我國開采沉陷理論和實踐研究出現(xiàn)了日新月異的發(fā)展。何國淸、馬偉民、王金莊建立了碎塊體理論 — 地表沉陷的威布爾分布。周國銓、虞 萬波、崔繼憲等提出了負指數(shù)函數(shù)法計算地表移動。鄒友峰對地表下沉預(yù)計方法進行研究。王金莊等建立了用于預(yù)計主斷面地表下沉的典型曲線法。謝和平應(yīng)用有限元分析巖層移動規(guī)律。劉天泉提出和發(fā)展了礦山巖體采動影響與控制工程學(xué)。楊倫提出了巖層二次壓縮理論 ,將地表下沉直接與巖體的物理力學(xué)性質(zhì)聯(lián)系起來。李增琪建立了巖層移動的三維層狀模型。張玉卓提出了巖層移動的位錯理論。楊碩建立采動損害空間的力學(xué)模式。鄧喀中提出了巖體開采沉陷的結(jié)構(gòu)效應(yīng)。吳立新、王金莊提出了條帶開采覆巖破壞的托板理論。于廣明從非線性科學(xué)角度認識開采沉陷的復(fù)雜性。 徐乃忠、郭惟菇研究了采動覆巖離層形成的基本規(guī)律和離層注漿控制地表下沉的理論與實踐 [11]。 隨著計算機技術(shù)的發(fā)展和生活的需要許多和能源相關(guān)的高校和研究機構(gòu)都開始對開采沉陷監(jiān)測數(shù)據(jù)的計算機處理方面做過很多的研究，特別是中國礦業(yè)大學(xué)、山東科技大學(xué)、安徽理工大學(xué)等工礦類院校的研究已經(jīng)取得一些重要理論和實際效果。 陳宜金，黃紹東對開采沉陷信息處理軟件系統(tǒng)各模塊間關(guān)系和設(shè)計原則進行了探討 [12]。王卷樂，吳侃把空間數(shù)據(jù)可視化思想引入開采沉陷的防治中，對數(shù)據(jù)的可視化的視覺表達和分析進行了分析 [13]。 曹化平等研究者采用基于概率積分法開采沉陷預(yù)計結(jié)果 , 利用 ArcGIS的 ArcScene模塊實現(xiàn)地表變形預(yù)計數(shù)據(jù)的三維可視化表達 , 并以預(yù)計的下沉量為例進行可視化結(jié)果的等值線繪制、任意剖面圖制作、任意點位形變信息提取應(yīng)用分析 [14]。鄭艷等人提出智能信息處理系統(tǒng)在開采沉陷預(yù)測中的應(yīng)用，通過建立基于遺傳算法的改進 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)開采沉陷預(yù)測模型，利安徽理工大學(xué)畢業(yè)論文 4 用礦區(qū)大量的地表沉陷實際觀測數(shù)據(jù)樣本對該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行訓(xùn)練和學(xué)習(xí)，并用該網(wǎng)絡(luò)對幾組數(shù)據(jù)進行采動地表沉陷預(yù)測，改進的 BP 神經(jīng)網(wǎng)路具有收斂速度快、預(yù)測參數(shù)精度高的優(yōu)點等 [15]。 郝長勝等研究 者利用 VB 作為系統(tǒng)開發(fā)前臺，基于 GIS 桌面軟件 MapInfo及 MapX 組件來進行系統(tǒng)二次開發(fā)設(shè)計：根據(jù)模塊各功能應(yīng)盡量共享、數(shù)據(jù)相互調(diào)用、減少資源內(nèi)存儲量等原則，該系統(tǒng)煤礦開采沉陷預(yù)計分析整體流程分為數(shù)據(jù)管理、變形預(yù)計參數(shù)計算、圖形輸出、三維顯示及預(yù)計結(jié)果分析五大模塊。馬天勤利用 Surfer 軟件來實現(xiàn)開采沉陷可視化的效果，在 Surfer 軟件平臺基礎(chǔ)上，實現(xiàn)地表沉陷觀測和預(yù)計數(shù)據(jù)的可視化管理，實現(xiàn)等值線圖繪制、立體圖繪制和簡單空間分析（圖解分析、量算分析、數(shù)理統(tǒng)計分析等），提高了用戶對信息的管理效率，可更直觀 、有效地對沉陷數(shù)據(jù)進行分析應(yīng)用 [16]。王兆亮等人利用 GIS 技術(shù)設(shè)計和開發(fā)了土地管理信息系統(tǒng)，系統(tǒng)利用 Visual ArcGIS Server為開發(fā)平臺，綜合運用 Web GIS技術(shù)、 Inter技 術(shù) 和 數(shù) 據(jù) 庫 技 術(shù) （ ArcSDE+SQLServer ） , 并 利 用 和ArcgisserverADFfor .NET 進行界面設(shè)計實現(xiàn)該信息管理系統(tǒng)。此外，還有很多學(xué)者對開采沉陷數(shù)據(jù)處理、管理和預(yù)算等這一方面的研究。例如賈小敏、余學(xué)祥等討論了應(yīng)用Visual Basic 和 Auto CAD 二次開發(fā)技術(shù)進行礦區(qū)地表移動變形值計算和變形曲線繪制的方法，實現(xiàn)了在此環(huán)境下變形值的計算和曲線的 研究內(nèi)容 VBA ( visual basic for application) 是由 Microsoft 創(chuàng)建的，用來自動執(zhí)行任務(wù)的一個編程環(huán)境，它提供了一些用來創(chuàng)建圖形用戶界面的可拖拉工具和用來與AutoCAD 對象交換的編程語言。其最大特點在于兩個方面：第一，與 VB 有著幾乎相同的開發(fā)環(huán)境和語法，具備功能強大和易于掌握的特點；第二，在于它的 for Application功能，針對性強，它駐留在主程序的 內(nèi)部，使其結(jié)構(gòu)精簡，且代碼運行效率高，使語言的引擎在技術(shù)上與開發(fā)環(huán)境分離。 AutoCAD 自 版本開始就支持 VBA 作為二次開發(fā)工具。 對 AutoCAD 進行二次開發(fā)，應(yīng)用 VBA 計算出各觀測點的各期移動變形值，各種變形曲線依不同比例在 CAD 中成圖，且對應(yīng)繪出地下煤層采動情況。需要求取的地表移動參數(shù)，可在圖中直接精確量取和標(biāo)注 擬采用的研究思路與方法 研究思路與方法 以礦區(qū)實測數(shù)據(jù)為例 ,應(yīng)用 VBA 與 AutoCAD 二次開發(fā)技術(shù)進行礦區(qū)地表移動變形值安徽理工大學(xué)畢業(yè)論文 5 的解 算 , 分析繪制地表移動變形曲線圖的 理論和方法 , 并以 VBA 為基礎(chǔ) , 實現(xiàn)了礦區(qū)地表移動變形值的快速求解 , 從而達到了對地下開采造成的地表移動變形的直觀性描述。 技術(shù)路線圖 圖 技術(shù)路線圖 收集資料，學(xué)習(xí)理論知識 收集整理數(shù)據(jù) 檢驗數(shù)據(jù)質(zhì)量 輸出相關(guān)曲線 數(shù)據(jù)處理求取移動變形值 求取預(yù)計參數(shù) 地表移動特征分析 求取角量參數(shù) 求取動態(tài)參數(shù) 結(jié)論與建議 下沉 水平移動 傾斜 水平變 形 曲率 邊界角 移動角 充分采動角 超前影響距 超前影響角 下沉速度曲線 下沉系數(shù) 主要影響角正切 拐點偏距 水平移動系數(shù) 安徽理工大學(xué)畢業(yè)論文 6 2 觀測數(shù)據(jù)處理原理 坐標(biāo)規(guī)劃 目前，已廣泛應(yīng)用全站儀、 GPS 對地表移動觀測站進行坐標(biāo)觀測，而不再是相鄰兩點間的水平距離和各測點偏離觀測線方向的支距 [1]。由于各點或多或少要偏離觀測線，而要計算的則是各點沿觀測線方向的移動和變形，因此本文中采用首先將各點規(guī)劃到觀測線方向上 ，之 后再進行變形量的計算 。 圖 1 中 JZ1 和 JZ2 是為確定觀測線方向，在觀測線兩端選取的兩基準點。 N為觀測線上的一觀測點， N’ 為 N受地下開采影響后的點。 n、 n’ 為 N、 N’ 在觀測線方向上的投影，即規(guī)劃到觀測線上的點位。 α 12為觀測線方位角， S 為 N 到基準點 JZ1 的距離。 圖 1 坐標(biāo)規(guī)劃示意圖 設(shè)點 JZ JZ2 的坐標(biāo)為（ x1， y1），（ x2， y2）， N、 n坐標(biāo)為（ x， y）、（ x’ ， y’ ）。方位角 α12 、 α ， S 的求取在此就不給出了。則 n 的坐標(biāo)為 x’=x1+S’cosα12 （ 21） y’=y1+S’sinα12 （ 22） 其中 ， S’=Scosβ， β=α12—α 同理可求出 n’ 的坐標(biāo)。然后由 n、 n’ 的坐標(biāo)計算該點的移動變形量。該方法 使用坐標(biāo)觀測量進行計算， 避免了復(fù)雜的支距改正，提高了計算精度。 移動和變形的計算 觀測數(shù)據(jù)經(jīng)規(guī)劃后，便可計算觀測線上各測點和測點間的移動和變形。移動和變形的計算主要包括：各測點的下沉和水平移動，相鄰兩測點間的傾斜和水平變形，相鄰三點的曲率變形 [24]。 安徽理工大學(xué)畢業(yè)論文 7 下沉 各點的下沉以本次與首次的標(biāo)高差表示，單位 mm，則 m次觀測 n 點的下沉 Wn 為 Wn = Hn 0 — Hn m （ 23） 式中， Hn 0， Hn m—— 分別為首次和 m次觀測時 n點的高程。 傾斜 地表下沉盆地沿某一方向的坡度叫傾斜，用 i 表示，單位 mm/m，相鄰兩點間的傾斜為 1~1~1nnnnnnWWi l????? （ 24） 式中，