一种采空区地表变形的监测方法与流程

本发明涉及一种采空区地表变形的监测方法，具体涉及一种大中型复杂采空区地表安全监控的布置方法。属于采矿工程技术领域。

背景技术：

采空区地表安全问题在我国矿区基础开发建设中显得尤为突出。采空区的地表变形控制技术已经成为制约道路交通工程建设的关键技术问题之一，也是保障采空区重大建设工程安全的核心举措。大型复杂采空区的地表安全控制技术贯穿于勘测、设计、施工和运行等多个环节，其中安全监测能够得到大量真实反映工程状态的数据，是非常重要的指示器，对于保障道路工程施工及运行期的安全起着至关重要的作用。不合理的安全监控布置监测效率低、操作不方便，往往会耗费大量的人力、物力和财力，且起不到应有的安全指示效果。变形监测是地表安全监控系统中最主要、最可靠的监测方式，可以较为全面地捕捉到采空区的变形信息，而且布置难度小，在实际工程中被广泛采用。如何从安全经济、技术可行可靠的角度，提出先进合理的采空区地表变形监测布置网显得尤为重要，它对于确保地表长期安全稳定，及时减轻或避免采空区地质灾害的发生，具有十分重要的社会经济意义。

技术实现要素：

本发明旨在提供一种采空区地表变形的监测方法。针对我国现有采空区数量众多、面积广泛，存在着隐伏性强、安全可靠度低、空间分布规律性差和潜在安全隐患严重等现象，提出了一种适用于大型复杂采空区的地表变形监测布置方法，以得到经济、合理的采空区地表变形监测点布置。

本发明提供了一种采空区地表变形的监测方法，包括如下步骤：

（1）概化采空区地质条件及周边相关工程建筑物的位置信息，提取出控制地表变形的重要控制节点及控制面，并对控制边界进行划分，得到采空区地表的概化图；

（2）从整体到局部、从高级到低级，根据采空区地表的重要性等级及其赋存环境信息，沿矿体的走向和倾向初步确定每个测点所控制的监测范围，其中包括确定监测区域面积、监测点的平均布置密度；此外，监测观测区域需大于采空变形区的范围；

对于不同的采空区各测点的监测范围是不一样的，密度通常是平均布置的；

（3）以采空区的岩土体类型、沉陷参数、抗压强度参数为依据，根据重要性将监测区域划分为不同的等级，重要性与采空区对周边环境的影响程度有关；并确定各等级监测区域的监测密度修正系数，来调整不同部位的监测密度，重要性等级越高，修正系数的取值越小，即监测范围越密。例如将采空区地表监测区域根据其重要性划分为i、ii、ⅲ、iv等级别，每个级别的修正系数可依次取为2.1、2、0.97、0.9；得到修正系数后，即可得到修正后的监测布置网。

（4）以步骤（1）中提取出的控制节点和控制面为基于delaunay三角网结构的多边形控制点，以步骤（2）中确定的平均布置密度得到delaunay多边形的几何参数，并将该几何参数乘以步骤（3）中的修正系数，得到不同重要性等级监测区域的delaunay多边形布置边长，并以此生成基于delaunay多边形的采空区地表变形监测布置网；

（5）根据步骤（4）中的delaunay多边形的地表变形监测布置网，布置好观测仪器，制定监测项目方案：包括监测人员、路线、时间和监测频率项目，监测控制标准和精度，来监测采空区的地表变形情况。

上述监测方法中，步骤（3）中，监测密度修正系数为0~3，重要性等级越高，修正系数的取值越小。

上述监测方法中，步骤（5）中，监测方法为：确定观测仪器，采用闭合路线进行测量，监测频率为15天/次，规范操作流程，固定每次监测路线和时间，严格按照监测方案，减小人为所造成的误差和干扰，以保证所获得监测数据的准确度。

进一步地，所述观测仪器的型号为jzdw-3a测量仪。

与现有方法相比，本发明的有益效果是：

（1）通过采用基于delaunay三角网结构的多边形生成技术可近似等面积的划分采空区地表变形监测区域面积，每个监测点所控制的监测面积大致相等，使得在有限监测点控制下地表任意点的变形估计精度高；

（2）本方法从多层次、多角度综合考虑采空区的地表影响因素，引入了监测密度修正系数，将等面积监测布置与重点监测相结合，使得监测点的布置可根据相应的地质条件、重要性程度进行调整，克服了以往监测布置过于主观的缺点，使得监测布置方案更加经济合理；

（3）可实现最优的采空区地表变形控制网，节省了开支，对复杂的、大规模的采空区地表变形其监测效果更好，也更具有代表性，可以及时发现不稳定征兆，以便采取相应措施，最大程度的保障工程的安全。

附图说明

图1为实施例中的采空区结构示意图；

图2为采空区地表概化图；

图3为基于delaunay三角网结构的多边形初始布置网；

图4为监测区域按重要等级划分后的示意图；

图5为基于delaunay多边形的采空区地表变形监测布置网；

图6为采空区地表监测布置结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实例对本发明技术方案作更进一步的详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

实施例：

某矿区开采历史悠久，大面积采空导致部分地表出现了沉陷、塌陷等地质灾害。现探知又存在着一巨大采空区，对周边环境影响较大，会威胁到人民群众的生命财产安全，需要对其开展地表变形监测，用以防控采空区的变形来确保其安全稳定。该采空区不规则分布，长约1285m，区域体积约为0.38km³。根据描述，将该采空区描绘成如图1所示。

利用本发明所提供的方法对其进行监测布置，具体步骤如下：

（1）根据采空区的实际地形条件以及周边相关建筑物的信息，勾画出采空区地表的边界分界线，概化后得到如图2所示的采空区地表概化图；

（2）根据该采空区地表的重要性等级信息，沿矿体的走向和倾向初步确定为每隔100m布置一个测点，由此可得到如图3所示的基于delaunay三角网结构的多边形初始布置网。

（3）根据采空区地表的不同部位对建筑物的影响程度，以及岩土体类型、抗压强度的情况，将监测区域划分为重点监测区域ⅲ、普通监测区域i和ii三个等级；并确定其边界，得到如图4所示的监测区域重要等级划分。

根据地质资料，i区地形略有起伏，岩土体抗压强度为29.8mpa，软化系数为0.86，弹性模量0.83×10⁵mpa，泊松比0.35，沉陷系数为0.88；ii区地形有较大起伏中间高两边低，岩土体抗压强度为22.5mpa，软化系数为0.82，弹性模量0.07×10⁵mpa，泊松比0.28，沉陷系数为0.84；ⅲ区地形平缓，岩土体抗压强度为18.3mpa，软化系数为0.78，泊松比0.32，弹性模量0.65×10⁵mpa，沉陷系数为0.74，且下方有采空区，对周边地表建筑物影响重大。综合考虑，确定i区监测密度修正系数为2.1，ii区修正系数为2，ⅲ区修正系数为0.97（这是参考了相关规范给出的修正系数值）。

（4）根据步骤（2）中初始监测密度和步骤（3）中监测密度修正系数，可得到i区监测密度为每隔210m布置一个测点，ii区每隔200m布置一个测点，ⅲ区每隔97m布置一个测点，以此为修正条件可得到如图5所示的基于delaunay多边形的采空区地表变形监测布置网。

将delaunay多边形的变形监测布置网，采用地形插值技术可将平面所划分对应到实际的采空区地表面，在布置网中delaunay多边形的形心处布置相应的监测项目，可得到其表面变形监测布置方案，结果如图6所示。

（5）根据步骤（4）中的delaunay多边形的地表变形监测布置网，观测仪器的设备型号为jzdw-3a测量仪，采用闭合路线进行测量，监测频率为15天/次，监测人员需统一进行培训规范操作流程，固定每次监测路线和时间，严格按照监测方案，尽可能的减小人为所造成的误差和干扰，以保证所获得监测数据的准确度。