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(kāi)采與潔凈利用國(guó)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(kāi)采引起的地表沉陷是一個(gè)十分復(fù)雜的過(guò)程，其表現(xiàn)形式多樣[1-2]。其中，地表移動(dòng)盆地是煤礦開(kāi)采導(dǎo)致地表顯現(xiàn)最常見(jiàn)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(guó)煤礦區(qū)地表沉陷規(guī)律分析、沉陷預(yù)測(cè)和“三下”壓煤開(kāi)采等方面得到廣泛和成熟應(yīng)用[3-4]。近年來(lái)，隨著煤礦高效開(kāi)采的發(fā)展，煤礦區(qū)工作面開(kāi)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(kāi)采速度小于2m/d，多數(shù)開(kāi)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(kāi)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(duì)象帶來(lái)嚴(yán)重?fù)p壞，給受護(hù)對(duì)象的維護(hù)帶來(lái)不確定性。目前，我國(guó)對(duì)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(duì)“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(kāi)發(fā)，以期方便對(duì)礦區(qū)地表移動(dòng)觀測(cè)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(cè)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(lái)表征地表沉陷在不同時(shí)間的發(fā)展變化過(guò)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(cè)的地表下沉差值除以兩次觀測(cè)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(hào)測(cè)點(diǎn)第m-1次和第m次觀測(cè)的地表下沉值，mm；t為兩次觀測(cè)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(cè)的地表傾斜差值除以兩次觀測(cè)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(cè)的地表傾斜值，mm/m。

(3)地表曲率速度 是指相鄰兩次觀測(cè)的地表曲率差值除以兩次觀測(cè)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(cè)的地表曲率值，10-3/m。

(4)地表水平移動(dòng)速度 指地表各測(cè)點(diǎn)相鄰兩次觀測(cè)的地表水平移動(dòng)差值除兩次觀測(cè)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(cè)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(cè)的地表水平變形差值除以兩次觀測(cè)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(cè)和第m次觀測(cè)的地表水平變形值，mm/m。

2 地表沉陷速度軟件開(kāi)發(fā)

地表沉陷速度軟件可用于煤礦區(qū)地表移動(dòng)觀測(cè)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(cè)數(shù)據(jù)，可根據(jù)用戶選擇生成地表各測(cè)點(diǎn)和相鄰測(cè)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(cè)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(cè)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(jiàn)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(yè)中，選擇觀測(cè)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(jiàn)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(cè)點(diǎn)下沉速度曲線

在測(cè)點(diǎn)下沉速度標(biāo)簽頁(yè)中，根據(jù)需要選擇地表測(cè)點(diǎn)名稱(chēng)，點(diǎn)擊繪制測(cè)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(cè)點(diǎn)下沉速度曲線圖顯示窗口見(jiàn)圖4。

圖4 地表測(cè)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(duì)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(yè)和地表沉陷速度等標(biāo)簽頁(yè)，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(cè)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(cè)點(diǎn)下沉速度報(bào)告見(jiàn)圖5。

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

3 結(jié)束語(yǔ)

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(kāi)發(fā)了地表沉陷速度計(jì)算軟件。開(kāi)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(cè)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(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)。