维普资讯 http://www.cqvip.com 第２７卷第１期 西安科技大 学 学报 Ｖｏ１．２７ Ｎｏ．１ ２００７年３月 ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＸＩ’ＡＮ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ ＯＦ ＳＣＩＥＮＣＥ ＡＮＤ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ Ｍａｒ．２００７ 文章编号：１６７２—９３１５（２００７）Ｏｌ一００３５—０４ 全站仪在开采沉陷三维相似模拟实验中的应用 赵兵朝 ，赵国梁 ，李瑞斌 （１．西安科技大学能源学院，陕西西安７１００５４；２．西安科技大学测量工程系，陕西西安７１００５４） 摘要：主要讨论了全站仪在测量室内开采沉陷的三维相似模拟地表以及岩层的移动变形过程， 将观测数据通过可视化程序进行数据转化，利用地表移动变形的相互关系，可以得到地表的移动 变形情况，成功地解决了三维相似模拟地表以及岩层移动变形观测难的问题，通过实践表明，该 方法使用简洁，便利。 关键词：开采沉陷；全站仪；相似模拟；移动变形 中图分类号：ＴＤ ３２５ 文献标识码：Ａ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｏｔａｌ ｓｔａｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ ｓｉｍｉｌｉｔｕｄｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｔｅｓｔ ｏｎ ｍｉｎｉｎｇ ｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ ＺＨＡＯ Ｂｉｎｇ．ｃｈａｏ ，ＺＨＡＯ Ｇｕｏ．１ｉａｎｇ ，ＬＩ Ｒｕｉ．ｂｉｎ （１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆＥｎｅｒｇｙ，２．Ｓｃｈｏｏｌ ｆｏＳｕｒｖｅｙ西 ，聊 ，Ｘｉ’ａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｆｏＳｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇ， ’ａｎ ７１００５４，Ｃｈｎｉａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ａｒｔｉｃｌｅ ｍａｉｎｌｙ ｄｉｓｃｕｓｓｅｓ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｓｕｒｖｅｙｉｎｇ ｓｕｒｆａｃｅ ｔｈｒｅｅ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ ｏｎ ｓｉｍｉｌｉｔｕｄｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｔｅｓｔ ｏｎ ｍｉｎｉｎｇ ｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ ｉｎｄｏｏｒ，ｔｈｅ ｓｕｒｖｅｙｉｎｇ ｄａｔａ ｃａｎ ｂｅ ｔｒａｎｓｌａｔｅｄ ｂｙ ｖｉｓｕａｌ ｐｒｏｇｒａｍ， ｓｕｒｆａｃｅ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｃａｎ ｂｅ ｒｅｓｕｌｔｅｄ ｂｙ ｉｔｓ ｒｅｌａｔｉｏｎ，ｉｔ ｒｅｓｏｌｖｅｓ ｔｈｅ ｄｉｉｆｃｕｌｔ ｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆ ｈｏｗ ｔｏ ｓｕｒｖｅｙ ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｎ ｓｉｍｉｌｉｔｕｄｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｔｅｓｔ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｍｉｎｉｎｇ ｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ；ｔｏｔａｌ ｓｔａｔｉｏｎ；ｓｉｍｉｌｉｔｕｄｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ０ 引 言 众所周知，采动地表与岩层移动的研究方法可以分为现场观测和室内模拟实验研究两种，与现场观 测相比，室内模拟实验研究将具有以下的优点：①在特定条件下，突出重点，简单易行；②可以对陡峭山区 以及岩体内部进行观测等；③可以根据不同的开采方案，进行反复实验等优点。然而如何准确地观测地 表以及岩层各层位的移动变形是研究的关键，针对采动地表损害的相似模拟实验地表点的移动变形为 例，探索应用全站仪来对其进行观测。 １ 观测原理 实验数据是通过全站仪观测所得，通过全站仪观测的角度，通过反算可以得出观测点的相对坐标，然 后通过两次观测的坐标就可以求出观测点的下沉以及水平移动变形，然后根据地表移动变形间的距离就 可以得出其它变形指标。 ・收稿日期：２００６—０１—２９ 基金项目：国家自然科学基金（４０５７２１５５） 作者简介：赵兵朝（１９７８一），男，山西晋城人，在职博士研究生，主要从事采动损害及防护研究 维普资讯 http://www.cqvip.com 西安科技大学学报 ２ＯＯ７生 图中的ｚ是标尺的长，是未知数，可以通过线纹米尺测量得到。根据定向元素求解示意图 ’ （如图１ 所示），可以求得各元素的计算表达式 ｄ，－ ｌ ｙ＝１８０。一Ｏｔ一 ＝ △ 仰＝ｄ１ｔｇａ１一 ｔｇａ２ 表１ 定向元素计算结果表 Ｔａｈ．１ Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｏｆ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｄｅｍｅｎｔ Ｂ Ｂ Ａｈ＾ Ａ 厶矗 Ｂ Ｂ Ａ 图１定向元素求解示意图 图２空间前方交会示意图 Ｆｉ＆１ Ｓｋｅｔｃｈ ｏｆ ｒｅｓｏｌｖｉｎｇ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｅｌｅｍｅｎｔ Ｆｉｇ．２ Ｓｋｅｔｃｈ ｏｆ自０ｍ啦ｒｅ ｃｏｎｎｅｃｔ ｔｈｍｅ・ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ 根据定向元素计算结果，利用空间前方交会的原理 ’ （如图２所示），既可得出观测点的 ， ， 坐 标。具体计算公式如下 求解 ，，，ｐ， 坐标的计算公式如下 ＝ｂ （２）ｚ ＝ｂ （３）（ 式中，ａ表示Ａ站的水平移动角； 表示 站的水平移动角；Ｚ 表示Ａ站的竖直角；Ｚ 表示 站的竖直角。 维普资讯 http://www.cqvip.com 第１期 赵兵朝等：全站仪在开采沉陷三维相似模拟实验中的应用 ３７ ＝丢（△ ＋，△ ＋△ （…ｓｉｑＳｃｏｓＺａｅ …—＋６ ｓ ｉｎ￣ｃ ｏ＇ｓＺｓｐ—＋△ ）（４） ２工程实例 本次模拟以西固井田４５０１工作面为对象，通过对４５０１工作面的开采来模拟，模拟煤层的埋深为１００ ｍ，开采厚度为３．５ ｍ，开采后地表的动态变形以及上覆黄土层。随工作面的推进，在工作面前方出现拉 裂裂缝，当工作面推过裂缝一定距离后，裂缝有所闭合；在开采边界以外（永久边界）会形成一组拉裂裂 缝。开采边界出现的拉裂裂缝经雨水侵蚀、冲刷会形成大的裂缝或塌陷坑，农田、果园因采动裂缝渗漏而 无法灌溉；黄土覆盖层越厚，黄土覆盖层与基岩厚度之比越大，这种破坏越严重；一次采高越大地表损害 越严重等特性，相似模拟模型如图３所示。 ７号！戋 ５号｛曳 ４号 线６ｑ 线９｛ ｝线 ｒ’Ｔ －… ３号线 。 ＇ － ● ｌ号线 ， ２号线 一 图３相似材料模拟实验开挖前全景 图４测线布置示意图 Ｆｉｇ．３ Ｐａｎｏｒａｍａ ｏｆ ｓｉｍｉｌｉｔｕｄｅ ｍａｔｅｒｉａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｔｅｓｔ ｂｅｆｏｒｅ ｍｉｎｉｎｇ Ｆｉｇ．４ Ｓｋｅｔｃｈ ｏｆ ｌａｙｉｎｇ ｓｕｒｖｅｙ ｌｉｎｅｓ ２．１试验测点布置 本次模拟实验，分别以沿走向布置３条测线、沿倾斜布置５条测线，通过上述计算式子对地表进行观 测，具体操作过程见图４所示。 ２．２模型开挖及地表裂缝破坏现象 模型开挖按每２０ ｍ为一个开挖单元（步距），共分１０次开挖，开挖结束后进行各测线观测，确定地表 移动范围和裂缝分布情况如图５、图６所示。 由于篇幅，本文在图中只给出第一次开挖以及第二、九次抽条开挖后工作面前方出现裂缝图。 在文中的数据处理中将给出其测线的各点的位移图。 ３ 数据处理 图５第二次抽条开挖后工作面前方出现裂缝图 图６第九次抽条开挖后工作面前方出现裂缝图 Ｆｉｇ．５ Ｔｈｅ ｃｒａｃｋ ｏｆ ｆｒｏｎｔ ｆａｃｅ ａｆｔｅｒ ｓｅｃｏｎｄ ｍｉｎｉｎｇ Ｆｉｇ．６ Ｔｈｅ ｃｒａｃｋ ｏｆ ｆｒｏｎｔ ｆａｃｅ ａｆｔｅｒ ｎｉｎｔｈ ｍｉｉｎｎｇ 由于篇幅文中只给出部分测线的下沉位移图如图７、图８所示，随着工作面的不断推进，在工作 面前方出现细微裂缝（由于比例尺过大），地表下沉盆地越来越大【 引，由于边界条件的，在采空区的 后侧下沉收敛较快，而在采空区前方则收敛较慢。 维普资讯 http://www.cqvip.com ３８ 西安科技大学 学报 ２００７生 观测结果表明：①当工作面推进３５ ｍ时地表开始移动；当工作面推进４０ ｍ时，地表水平变形值超过 １．２ ｍｍ／ｍ，这时地表开始出现超前工作面裂缝；②随开采工作面推进，超前工作面按一定步距（１６～１８ ｍ）出现裂缝；当工作面推过这些裂缝一定距离后，这些裂缝有所闭合（闭合裂缝）；③工作面开采后开采 区域边界形成的永久裂缝（张口裂缝）带的分布情况如图９所示 。④采动引起黄土层裂缝破坏极为严 重。在此开采条件下，当采深／采高小于８０时，地表裂缝破坏较为严重，当采深／采高大于８０时，对应开采 范围周边会出现轻微的裂缝破坏，随回采工作面的动态裂缝显现不明显。 图７第２次开挖后的下沉曲线图 图８第６次开挖后的下沉曲线图 Ｆｉｇ．７ Ｔｈｅ ｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ ｇｒａｐｈ ａｆｔｅｒ ｓｅｃｏｎｄ ｍｉｎｉｎｇ Ｆｉｇ．８ Ｔｈｅ ｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ ｇｒａｐｈ ａｆｔｅｒ ｓｉｘｔｈ ｍｉｎｉｎｇ ——闭合裂缝 ４结论 ——张口裂缝 １）全站仪在测量室能够克服实验室观测地表 移动变形应用百分表的弊端； ２）应用全站仪，能够观测模型表面各个层位 的移动变形情况； ３）应用定向元素求解结合空间前方交会能够 ４５０１留子巷 提高观测精度，使得测量结果满足工程要求； 图９开采引起地表裂缝分布示意图 应用全站仪来解决三维相似模拟地表移动变 Ｆｉｇ．９ Ｔｈｅ ｓｋｅｔｃｈ ｍａｐ ｏｆ ｌａｙｉｎｇ ｓｕｒｆａｃｅ ｃｒａｃｋ ｂｙ ｍｉｎｉｎｇ 形观测难的问题，通过实践表明，该方法使用简洁， 便利。 ｜ 参考文献： ［１］余学义，张恩强．开采损害学［Ｍ］．北京：煤炭工业出版社，２００４． ［２］赵兵朝．开采损害预计评价系统［Ｄ］．西安：西安科技大学，２００５． ［３］余学义，吴教锟．中国西部湿陷性黄土层采动损害控制与生态环境重建［ｃ］．中国西部环境问题与可持续发展国际学 术研讨会论文集，北京：中国环境科学出版社，２００４：３６３—３６６． ［４］王文颖．工程与近景摄影测量［Ｍ］．北京：地质出版社，１９９４． ［５］于来法，段定乾．实时经纬仪工业测量系统［Ｍ］．北京：测绘出版社，１９９６． ［６］冯文灏．非地形摄影测量［Ｍ］．北京：测绘出版社，１９８５． ［７］ 赵国梁．基于近景摄影测量的三维可视化信息管理系统的研制［Ｄ］．西安：西安科技大学，２００４． ［８］余学义，尹士献，赵兵朝．采动厚湿陷性黄土破坏数值模拟研究［Ｊ］．西安科技大学学报，２００５，２５（２）：１３５—１３８． ［９］余学义，黄满登．滑坡区工业广场高层建筑物下煤层控制开采技术研究［Ｒ］．西安科技学院，２（ｇｒ２：２６—６６． ［１０］赵兵朝，余学义，尹士献．建筑群下覆岩加固协调开采减损方法［Ｊ］．西安科技大学学报，２００４，２４（１）：５—８．
