基于GIS与概率积分法的矿山开采沉陷预测研究.pdf

硕士学位论文硕士学位论文 基于基于 GIS 与概率积分法的矿山开采与概率积分法的矿山开采 沉陷预测研究沉陷预测研究 学位类型学位类型 学术型学位 学科学科 （专业学位类别）（专业学位类别） 地图学与地理信息系统 作者姓名作者姓名 杨光锐 导 师 姓 名 及 职 称导 师 姓 名 及 职 称 龙四春 副教授 实践导师姓名及职称实践导师姓名及职称 学院名称学院名称 建筑与城乡规划学院 论 文 提 交 日 期论 文 提 交 日 期 2014 年 4 月 8 日 密密 级级公开公开 中图分类号中图分类号P208 万方数据 基于基于 GIS 与概率积分法的矿山开采与概率积分法的矿山开采 沉陷预测研究沉陷预测研究 学位类型学位类型 学术型学位 学科学科 （专业学位类别）（专业学位类别） 地图学与地理信息系统 作者姓名作者姓名 杨光锐 作者学号作者学号 11011001010 导 师 姓 名 及 职 称导 师 姓 名 及 职 称 龙四春 副教授 实践导师姓名及职称实践导师姓名及职称 学院名称学院名称 建筑与城乡规划学院 论 文 提 交 日 期论 文 提 交 日 期 2014 年 4 月 8 日 学 位 授 予 单 位学 位 授 予 单 位 湖 南 科 技 大 学 万方数据 Research of mining subsidence prediction based on GIS and probability integration Type of Degree Academic Degree Discipline Type of Professional Degree Geography Candidate Yang Guangrui Student Number 11011001010 Supervisor and Professional Title Long Sichun Associate Professor Practice Mentor and Professional Title School School of Architecture and Urban Planning Date April 8th.2014 University Hunan University of Science and Technology 万方数据 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明 所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法 律后果由本人承担。 作者签名 日期 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借阅。本人授权湖南科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容 编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和 汇编本学位论文。 涉密论文按学校规定处理。 作者签名 日期 年 月 日 导师签名 日期 年 月 日 万方数据 i 摘要摘要 煤炭资源在我国始终处于能源主导地位，且“三下”采煤越来越普遍。但一直以来 矿区开采引起的沉陷等地质灾害不断，严重影响了人们的生产与生活。因此，如何预测 预警开采沉陷等地质灾害的发生与发展是亟需解决的技术难题，随着测绘、计算机及地 理信息系统的发展，为解决开采沉陷预测预警这种多学科融合的复杂问题提供了技术支 持。 开采沉陷预计是研究采区地表沉陷灾害的首要问题，预计精度关系着矿区开采方案 和管理决策的合理性。目前我国大部分矿区采用概率积分法对开采沉陷进行预计，在北 方地质条件简单的大型煤田取得了很好的成效。南方多小型煤田，地质条件复杂，煤层 倾角大，而且煤层埋设较深。因此，需要选取恰当的预计理论方法和预计参数对开采造 成的地表影响进行预计，对地表变形和岩层移动机理进行合理解释。 本文以概率积分法为理论基础，利用采区钻孔地质资料求取开采沉陷预计参数，基 于可视化编程语言实现快速预计，借助 GIS 强大的空间分析功能对预计成果进行可视化 分析， 以系统化的理念将矿区开采沉陷情况进行信息化处理， 结合 ArcEngine 组件技术、 SQL Server 数据库技术实现 C/S 结构的矿区测点监测预警系统的总体设计。以资兴唐洞 煤矿两个采区为例，对其开采造成的地表变形情况进行预计，结合矿区实测数据对概率 积分法的预计进行精度评价，对采区内地表变形情况及其岩层移动机理进行实例验证。 基于矿区地形图和实测数据，利用友好的人工交互界面实现空间数据和属性数据的融 合，通过设定不同建（构）筑物的报警阈值，实现矿区沉陷灾害预警及其等级的可视化 表达。从预计结果及实际沉陷情况分析，概率积分法对开采造成的沉陷预测可以在南方 小型煤矿及缺少实测资料的矿区进行推广应用，为科学管理决策服务。 关键词概率积分法；开采沉陷预计；GIS；可视化；监测预警 万方数据 ii Abstract Coal resources in our country has always been a dominant energy,and the “Three Under”mining increasingly widespread.However,subsidence and other geological disasters caused by mining has been continuously,affecting the people’s production and life seriously.with the rapid developement of economy,the demand for coal resources is also increasing.So,how to predict and the early warning the occurrence and development of subsidence and other geological disasters is a technical problems need to solve. With the development of surveying and mapping,computer and GIS,provide the technical support for the complex problem such as the mining subsidence prediction and early warning which muti-diciplinary integration. Mining subsidence prediction is the primary problem of the research on mining subsidence.the accuracy of prediction related to the reasonableness of mining programs and management decisions. Currently,most of mines in our country estimate the mining subsidence using probability integration ,which achieved more substantial results in the large coalfield with simple geological conditions in northern.In southern,there are multiple small coalfield with complex geological conditions ,big sean dip and the coal buried deeper.Therefore,we need to adopt appropriate prediction theoretical s and prediction parameters to predict the impact on surface caused by mining on working surface,so as to have a reasonable explanation for surface deation and rock bined with the ArcEngine component technologies,SQL Server database technology realized the C/S structure overall design of the measuring point monitoring and early warning systems. In this paper,based on the theory of probability integration ,use the drilling geological data to obtaining the mining subsidence predict parameters.quickly predicted based on the visual programming language,with the powerful spatial analysis founction of GIS to visualize the prediction results,taking a systematic conduct the ination processing to the mining subsidence.Take the two mining area for example,which in Zixing Tangdong,predicted the surface deation caused by mining,uate the accuracy of probility integration prediction combined with the measured data,Instantiate verified the surface deation and the rock movement mechanism.Based on the topographic maps and the measured data,used the friendly human interface realized the integration of spatial data and attribute data.By setting the alarm threshold of different buildingstructure,realized the visural expression of mine subsidence disaster warning and rating.From the analysis of prediction results and the actual subsidence,probility integration prediction to the subsidence can promote the application in the small coal of south and the lack of measured data,serving for the scientific management decision-making. 万方数据 iii Key Wordsprobability integral ; mining subsidence prediction; GIS;visualization; monitoring and early warning 万方数据 湖南科技大学硕士学位论文 目录目录 摘要摘要 .................................................................................................................... i Abstract ............................................................................................................ ii 第一章第一章 绪论绪论 1.1 研究背景和意义 .......................................................................................................................... - 1 - 1.1.1 研究背景 .......................................................................................................................... - 1 - 1.1.2 研究意义 .......................................................................................................................... - 2 - 1.2 开采沉陷预计及研究现状 .......................................................................................................... - 2 - 1.2.1 开采沉陷预计的基本概念 ............................................................................................... - 2 - 1.2.2 开采沉陷预计研究现状 .................................................................................................. - 2 - 1.3 研究目标、内容与技术路线 ...................................................................................................... - 4 - 1.3.1 研究目标 ........................................................................................................................... - 4 - 1.3.2 研究内容 ........................................................................................................................... - 4 - 1.3.3 技术路线 ........................................................................................................................... - 5 - 1.4 本章小结 ...................................................................................................................................... - 6 - 第二章第二章 开采沉陷预计理论方法开采沉陷预计理论方法 2.1 开采沉陷预计方法简介 ............................................................................................................. - 7 - 2.2 概率积分法理论模型 ................................................................................................................. - 8 - 2.2.1 概率积分法的基本原理 .................................................................................................. - 8 - 2.2.2 概率积分法预计内容及理论公式 .................................................................................. - 9 - 2.3 P 系数法求取概率积分法预计参数 ......................................................................................... - 12 - 2.4 本章小结 ................................................................................................................................... - 14 - 第三章第三章 基于基于 GIS 的沉陷监测预警系统设计及数据组织的沉陷监测预警系统设计及数据组织 3.1 系统总体设计 ........................................................................................................................... - 15 - 3.1.1 系统设计思路 ................................................................................................................. - 15 - 3.1.2 功能模块设计 ................................................................................................................ - 15 - 3.2 数据组织 ................................................................................................................................... - 16 - 3.2.1 空间数据 ........................................................................................................................ - 17 - 3.2.2 属性数据 ........................................................................................................................ - 17 - 3.2.3 ArcSDE ............................................................................................................................ - 18 - 3.3 系统开发相关技术 ................................................................................................................... - 19 - 3.3.1 GIS 开发模式.................................................................................................................. - 19 - 3.3.2 GIS 组件技术................................................................................................................. - 20 - 3.3.3ArcEngine 简介 ................................................................................................................ - 21 - 3.3.4 软件开发及编译环境 .................................................................................................... - 22 - 3.4 本章小结 ................................................................................................................................... - 23 - 万方数据 湖南科技大学硕士学位论文 第四章第四章 矿山开采沉陷综合监测预警实现矿山开采沉陷综合监测预警实现 4.1 唐洞煤矿概况及沉陷灾害监测 ................................................................................................ - 25 - 4.1.1 唐洞煤矿地理位置及矿井概况 ..................................................................................... - 25 - 4.1.2 矿区水文地质条件 ........................................................................................................ - 26 - 4.1.3 矿区地表水准观测 ........................................................................................................ - 26 - 4.1.4 矿区地表 GPS 观测 ....................................................................................................... - 29 - 4.1.5 裂缝监测及地面巡视 ..................................................................................................... - 30 - 4.2 数据预处理 ................................................................................................................................ - 30 - 4.2.1 空间数据预处理 ............................................................................................................. - 30 - 4.2.2 属性数据预处理 ............................................................................................................. - 32 - 4.3 24 采区工作面开采沉陷预计及评价 ....................................................................................... - 33 - 4.3.1 24 采区工作面概率积分法预计参数求取 .................................................................... - 34 - 4.3.224 采区工作面开采沉陷预计自动提取 ......................................................................... - 37 - 4.3.3 24 采区工作面地表变形预计结果的等值线绘制 ........................................................ - 39 - 4.3.4 24 采区工作面开采沉陷预计结果分析与精度评价 .................................................... - 40 - 4.4 21 采区开采沉陷预计及评价 ................................................................................................... - 42 - 4.4.1 21 采区概率积分法预计参数求取 ................................................................................ - 43 - 4.4.2 21 采区开采沉陷预计自动提取 .................................................................................... - 43 - 4.4.3 21 采区地表变形预计结果的等值线绘制 .................................................................... - 44 - 4.4.4 21 采区开采沉陷预计结果分析与精度评价 ................................................................ - 45 - 4.5 基于 ArcEngine 的矿山沉陷监测预警系统 ............................................................................ - 47 - 4.5.1 系统主界面 .................................................................................................................... - 48 - 4.5.2 数据查询模块 ................................................................................................................ - 49 - 4.5.3 人机交互模块 ................................................................................................................ - 51 - 4.5.4 预警模块 ........................................................................................................................ - 51 - 4.6 本章小结 .................................................................................................................................... - 54 - 第五章第五章 结论结论 5.1 结论 ............................................................................................................................................ - 57 - 5.2 展望 ............................................................................................................................................ - 57 - 参考文献参考文献 ...................................................................................................................... - 59 - 致谢致谢 ............................................................................................................................... - 61 - 附录附录 A .......................................................................................................................... - 63 - 万方数据 湖南科技大学硕士学位论文 - 1 - 第一章第一章 绪论绪论 1.1 研究背景和意义研究背景和意义 1.1.1 研究背景研究背景 煤炭资源在我国能源结构中占有主导性地位，开采利用历史悠久。国家煤炭工业发 展“十二五”规划中指出，在未来相当长的时间内，煤炭作为主体能源的地位不会改变， 对我国经济的发展及能源安全都有着重要的保障作用[1]。 我国煤炭资源分布广泛但不均， 资源分布与经济消费不协调，呈现出“北多南少” 、 “西多东少”的特点，在经济较发达 的南方，煤炭资源在经济推动方面的作用显得尤为重要。据不完全统计，各主要矿区在 建筑物下、铁路下和水体下（简称“三下” ）压滞的煤量约 130 亿吨，由于受限于目前 的开采沉陷研究条件，我国从“三下”采出的煤炭只占整个“三下”压煤量的 5左右， 由此可见，我国的煤炭开采仍有巨大的潜力。煤炭资源的开发利用在支撑国家经济建设 飞快发展的同时，其采掘、加工过程对矿区造成一系列的地质灾害问题，并且这些灾害 是立体的、持久的、多层次的，严重影响着矿区的可持续发展[2]。 所谓开采沉陷就是有用物质被开采以后，形成了空间，开采区域上覆岩层与底板岩 层的原始应力平衡状态受到破坏，应力重新分布，达到新的平衡。在此过程中，使岩层 和地表产生连续的移动、变形和非连续的破坏（开裂、冒落等）[3]。经济的持续发展导 致煤矿开采强度及需求量不断扩大，对“三下”煤层开采的必要性尤为突出，特殊条件 煤层的开采就需要预防地表建（构）筑物的安全及地质灾害的发生。在保证矿区生产生 活安全的同时促进经济及社会健康有序的发展。 矿山开采沉陷研究涉及到多种信息数据的处理，在空间数据和属性数据的有效组织 融合的基础上需要对矿山开采造成的地表变形影响进行一个定性、定量的综合分析。地 理信息系统（Geographic Ination System,即 GIS） ，是一种决策支持系统，在计算机 软件和硬件支持下，运用系统工程和信息科学的理论，科学管理和综合分析具有空间内 涵的地理数据，以提供对规划、管理、决策和研究所需信息的空间信息系统[4]。地理信 息系统具有空间性和动态性，可以对多种地理信息进行采集，并结合关系数据库进行规 范化管理组织；它由计算机系统支持，对海量空间数据进行处理并加以分析处理，并产 生有用信息，完成对复杂的地理信息系统进行空间定位和过程动态分析。 为了最大