地面沉降分析及预测模型研究.pdf

鬻 J 囊1 。毒基霆舞 学。 “ 型二7H e b e iU n i v e r s i t yo fE n g ir l e e r i n g I,Itlllr l l l l lJ J I I I l l f frlJ t l l frlJJ l , l l l l l l l HJ,llll Y 3 2 5 5 5 15 硕士学位论文 题目地面沉降分析及预测模型研究 作者姓名 指导教师 学科专业 所在学院 王 咀 张安兵教授 地质资源与地质工程 地球科学与工程学院 提撇日期 Q 年旦月一7 日 万方数据 分类号I 堕 窆鱼2 U D C ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 工学硕士学位论文 密级 公珏 单位代码 Q Q Z 鱼 地面沉降分析及预测模型研究 作者姓名 指导教师 申请学位级别 学科专业 所在单位 授予学位单位 王帆 张安兵教授 工学硕士 地质资源与地质工程 地球科学与工程学院 河北工程大学 万方数据 AD i s s e r t a t i o nS u b m i t t e dt o H e b e iU n i v e r s i t yo fE n g i n e e r i n g F o rt h eA c a d e m i cD e g r e eo fM a s t e ro fE n g i n e e r i n g S t u d y o ng r o u n ds u b s i d e n c ea n a l y s i sa n d p r e d i c t i o nm o d e l C a n d i d a t e S u p e r v i s o r A c a d e m i cD e g r e eA p p l i e df o r S p e c i a l t y W a n g F a n P r o f ．Z h a n gA n b i n g M a s t e ro f E n g i n e e r i n g G e o l o g y R e s o u r c e sa n d G e o l o g yE n g i n e e r i n g C o l l e g e S c h o o l o fE a r t hS c i e n c e a n dE n g i n e e r i n g H e b e iU n i v e r s i t yo fE n g i n e e r i n g M a y , 2 0 1 7 万方数据 独创性声明 本人郑重声明所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得河北工程大学或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。本人完全意识到本声明的法律结果 由本人承担。 学位论文作者签名多』书乙 签字日期沙’7 年‘月留日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塑j 垦三堡太堂有关保留、使用学位沦文的规 定。特授权塑苎垦墨壁太鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同 意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档。 保密的学位论文在解密后适用本授权说明 学位论文作者签名玉0 儿 签字日期沙『7 年∥月易日 ／i 导师签名加 0 厂9 年0 月l ，曰 万方数据 摘要 摘要 变形不论是在自然界还是人类生活区域都是广泛存在的一种现象，随着我国 新型城市化进程的加快，矿产资源不断开采，为现代化建设提供了有力保障。但 同时在矿产资源开采完成后通常会形成规模巨大的采空区，造成局部岩层和地表 的移动，采空区失稳将导致地表下沉等严重危害。因此，对矿区沉陷区域进行地 表移动监测和预测尤为重要。变形监测是监测地表位移安全性、可靠性的重要手 段，是为了监测地表点位移动情况而进行的长时间、重复性测量作、I p 。 本文以内蒙古某煤矿沉陷区地表沉降监测与分析为例，通过地面采集的大量 沉降观测数据及时绘制各期观测沉降曲线发现采空区地表变形情况，探讨丘陵地 带采空区沉降变形规律，研究有效的预测预警模型，重点针对似大地水准而的建 立及变形监测的预测模型建立和检验等相关问题进行了研究与探讨。主要内容如 下 1 系统阐述了G P S 测量原理、高精度G P S 处理方法。 2 研究沉降变形基准网的选择、各期基准建立统一标准。对G P S 基线向量 网无约束平差、G P S 基线向量网约束平差、G P S 网与地面网联合平差的理论知识 进行研究。 3 建立采空区研究区域的似大地水准面的拟合模型。在寻找最优建模方案 时采用多项式拟合、G A B P 、支持向量机方法进行研究。 4 阐述了地面沉降预测模型方法。分别在研究区域内建立了地面变形监测 的概率积分模型、B P 神经网络、【旦| 归分析模型三种预测模型。 关键字地表位移；变形监测；G P S 数据处理；预测模型 万方数据 A b s t r a c t A b s t r a c t D e f o r m a t i o n ，w h e t h e ri nn a t u r eo rh u m a nl i f ea r e a sa r ew i d e s p r e a dp h e n o m e n o n ， w i t hC h i n a ’Sn e wu r b a n i z a t i o np r o c e s st os p e e du pt h ec o n t i n u o u se x p l o i t a t i o no f m i n e r a lr e s o u r c e sf o rt h em o d e r n i z a t i o no ft h ec o n s t r u c t i o np r o v i d e sas t r o n gg u a r a n t e e ． B u ta tt h es a m et i m ei nt h em i n e r a lr e s o u r c e sa f t e rt h ec o m p l e t i o no ft h em i n i n gw i l l u s u a l l yf o r mal a r g e s c a l em i n e d - o u ta r e a ，r e s u l t i n gi nl o c a lr o c ka n ds u r f a c em o v e m e n t ， m i n e d o u ta r e ai n s t a b i l i t yw i l ll e a dt os e r i o u sd a m a g et os u r f a c es u b s i d e n c e ．I ti sf ll o n g t i m ea n dr e p e t i t i v em e a s u r e m e n to p e r a t i o nt om o n i t o rt h em o v e m e n to fs u r f a c ep o i n t s ． I nt h i sp a p e r , t h es u r f a c es u b s i d e n c em o n i t o r i n ga n da n a l y s i so fac o a lm i n e s u b s i d e n c ea r e ai nI n n e rM o n g o l i ac a nb eu s e dt of i n do u tt h es u r f a c ed e f o r m a t i o no f t h eg o a fa n df i n do u tt h es e t t l e m e n ta n dd e f o r m a t i o no ft h eg o a fi nt h eh i l l ya r e a ． E f f e c t i v ef o r e c a s t i n ga n de a r l yw a r n i n gm o d e l ，f o c u s i n go nt h ee s t a b l i s h m e n to ft h e g e o i da n dt h ed e f o r m a t i o no ft h ef o r e c a s t i n gm o d e lt o e s t a b l i s ha n dt e s ta n do t h e r r e l a t e di s s u e sw e r es t u d i e da n dd i s c u s s e d ．T h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s 1 S y s t e m a t i c a l l yd e s c r i b e st h eG P Sm e a s u r e m e n tp r i n c i p l e ，h i g h p r e c i s i o nG P S p r o c e s s i n gm e t h o d s ． 2 S t u d yt h ec h o i c eo fs e t t l e m e n ta n dd e f o r m a t i o no ft h eb e n c h m a r kn e t w o r k ，t h e b a s i so ft h ee s t a b l i s h m e n to fau n i f i e ds t a n d a r d ．T h ep a p e ra n a l y z e st h et h e o r e t i c a l k n o w l e d g eo ft h e G P Sn e t w o r ka n dt h eg r o u n dn e t w o r kw i t h o u tt h ec o n s t r a i n t a d j u s t m e n t ，t h eG P Sb a s e l i n ev e c t o rn e t w o r kc o n s t r a i n ta d j u s t m e n t ，t h eG P S n e t w o r k a n dt h eg r o u n dn e t w o r k ． 3 T o e s t a b l i s ht h ef i x i n gm o d e lo ft h eg e o i di nt h es t u d ya r e ao ft h eg o a f ．I no r d e r t of i n dt h eo p t i m a lm o d e l i n gs c h e m e ，t h ep o l y n o m i a lf i t t i n g ，G A - B Pa n ds u p p o r tv e c t o r m a c h i n em e t h o da r eu s e dt os t u d yt h em o d e l ． 4 T h e m e t h o do fg r o u n ds u b s i d e n c e p r e d i c t i o nm o d e l i sd e s c r i b e d ．T h e p r o b a b i l i s t i ci n t e g r a lm o d e lo fg r o u n dd e f o r m a t i o nm o n i t o r i n ga n dB Pn e u r a ln e t w o r k p r e d i c t i o nm o d e la r ee s t a b l i s h e di nt h es t u d y a r e ar e s p e c t i v e l y K e y w o r d s S u r f a c ed i s p l a c e m e n t ；D e f o r m a t i o nm o n i t o r i n g ；G P Sd a t ap r o c e s s i n g ； F o r e c a s t i n gm o d e l 万方数据 目录 目录 第1 章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．1 变形监测概述及意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．2 国内外变形监测研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 ．2 ．1 常规大地测量方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．2 ．2 摄影测量监测方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．2 ．3 应用G P S 技术进行地面形变测量⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一3 1 ．2 ．4 测量机器人⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 ．3 变形监测预测分析模型研究发展现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 1 - 3 ．1 概率积分模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 - 3 - 2 神经网络模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 - 3 ．3 回归分析模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 ．4 研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 1 ．5 测区概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 1 ．6 技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 第2 章G P 监测技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一7 2 ．1G P S 测量技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 2 ．1 ．1G P S 定位理论与测量方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 ．1 ．2 实时动态 R 1 『K 坐标定位⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．2G P S 技术变形监测应用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 2 ．2 ．1 应用G P S 技术进行变形监测的特点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 2 ．2 ．2G P S 变形监测方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 0 2 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 第3 章G P S 变形监测数据处理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 3 ．1G P S 数据预处理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 2 3 ．2G P S 基线解算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 3 ．3G P S 网平差⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 3 ．3 ．1G P S 基线向量网无约束平差⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 4 3 ．3 ．2G P S 基线向量网的约束平差⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 5 3 ．3 ．3G P S 网与地面网联合平差⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 7 3 ．4G P S 高程拟合⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 8 万方数据 河北工程大学硕士学位论文 3 ．4 ．1 解析内插法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 9 3 ．4 ．2 曲面拟合法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 9 3 ．4 ．3 支持向量机⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 0 3 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 第4 章地面沉降预测模型原理与方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 3 4 ．1 概率积分法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 4 ．2B P 神经网络预测模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 4 4 ．2 ．1 神经网络的处理单元⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯，．2 5 4 ．2 ．2B P 网络的实现过程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 6 4 ．3 回归分析预测模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 4 ．3 ．1 回归分析模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 8 4 ．3 ．2 一元线性回归模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 8 4 ．3 ．3 多元线性回归模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 2 4 ．4 模矢法求参数的计算机实施模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 2 4 ．4 ．1 构筑误差函数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一3 2 4 ．4 ．2 准备数据⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 2 4 ．4 ．3 选择步长⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 2 4 ．4 ．4 确定第二个基点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一3 3 4 ．4 ．5 继续求基点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一3 3 4 ．4 ．6 求参数结束准则⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一3 3 4 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 4 第5 章内蒙古某矿区变形监测实例⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 5 5 ．】F L A C 3 D 数值模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 5 5 ．1 ．1F L A C 3 D 数值模拟软件简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 5 5 ．1 ．2 建立数值模拟模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 6 5 ．2 变形监测测量⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 7 5 ．2 ．1 高精度控制测量⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一⋯⋯⋯⋯3 8 5 ．2 ．2G P S 控制网平差⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 9 5 ．2 ．3 水准测量数据处理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一4 1 5 ．3 矿I X 高精度似大地水准面的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 2 5 ．3 ．1 拟合方法的选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 2 5 ．3 ．2 似大地水准面的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 7 5 ，4 变形监测模型预⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯51 5 ．4 ．1 概率积分法模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 1 万方数据 目录 5 ．4 ．2B P 神经网络模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 4 5 ．4 ．3 回归分析模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一5 7 5 ．5 本章结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 9 第6 章结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 0 6 ．1 结{ 仑⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 0 6 ．2 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 0 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 3 作者简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 7 万方数据 篼1 章绪论 1 ．1 变形监测概述及意义 第1 章绪论 变形情况在社会生产生活中广泛存在，是指形变物体在荷载、压力等自然社 会条件下，其本身在大小、形状、位置以及在时空等方面的形变情况。自然界中 遍布建筑物、物体变形情况存在，例如地震、滑坡、岩崩引起的地表变形，矿 Ⅸ开采、大坝沉降引起的地面塌方，建筑物、桥梁在施工及运营过程中的倒塌等 都涉及变形监测方面研究。变形监测的主要任务就是先在测量及研究区域布设 专业的符合等级的变形监测网，其后对监测点位进行定期的变形监测，设定变形 监测周期，利用测量仪器定期采集个监测点的变形信息，然后通过变形监测数据 处理软件对变形监测数据处理，得到各点变形量，得到各期地表形变规律，建立 合适的预测模型进行变形监测预测，对地表沉降情况起到预警作用。在项目实践 巾允许不超过改变变形体形状及内部结构的适量大小的变形体变形。 在自然、社会中变形情况时常发生，从小的工程建 构 筑物到大的地球表 面变形板块移动都存在物体变形情况，据此将变形监测分为以下几类1 1 】 1 针对整个地球而言，有南北极地极变化、地球自转速率改变、以及地球 板块运动等 2 地域性监测研究，有山体沉降变形研究、城市地面塌陷、局部地壳形变； 3 工程项目及局部沉降形变，有工程 构 建筑物的形变、矿产开采导致的 岩层沉降形变、山体滑坡等。目前研究最多的丁程项目有矿区、隧道、地铁地表 沉降，桥梁、大坝以及高层建筑物形变沉降，防护堤、边坡、滑坡的移动变形。 随着各种大型高层 耸 建筑物、地下工程、地表沉降、自然灾害等灾害的 频繁发生，变形监测研究理论、技术方法研究得到越来越多关注，其重要性得到 充分认识。目前最常见的变形监测研究利用高精度测量仪器进行监测，常见的有 大坝、高层 耸 建筑物、桥梁建设及运营过程中沉降变形，矿区、隧道、地铁 等地下工程开挖及后期运营过程中地表变形、地表沉降等，防护堤、边坡、滑坡 等灾害情况变形监测。沉降变形研究的逐渐深入，对变形监测精度要求也越来越 高，研究方法、技术也逐渐发展，精度随之逐渐提高。 由于变形体变形会导致不同的灾害发生，因此变形体的监测与预警工作已经 受到相关领域专家学者的关注，诸如很多国际性研究组织【2 】国际大地测量协会 I n t e r n a t i o n a lA s s o c i a t i o no f G e o d e s y ，简称I A G 、国际测量师联合会 I n t e r n a t i o n a l 万方数据 河北T 程大学硕上学位论文 F e d e r a t i o no fS u r v e y o r s ，发文缩写F I G 、国际岩石力学会 I n t e r n a t i o n a lS o c i e t yf o r R o c kM e c h a n i c s ，简称I S R M 、国际矿山测量协会 I n t e r n a t i o n a lS o c i e t yf o rM i n e s u r v e y i n g ，简称I S M 等经常举行专业会议进行相关研究交流和研究对策，并在 变形监测领域取得了丰硕的理论研究成果【3 1 。 本文以矿山地表变形监测为研究对象，煤矿开始开采以后，地表会受到己丌 采区域影响，使得地表发生不可逆转性变形，地表在原地形地貌形态上向下沉降， 在采空区上方形成沉陷盆地。在采空区上覆岩层沉陷过程中，改变了原有的地形 地貌，对沉陷盆地辐射范围内的交通、管线、建筑物和环境因素等都带来不同程 度的影响与破坏[ 4 】。因此，通过对矿山开采所引起的变形进行监测预测，及时避免 危险性变化的发生，对灾害预防具有重大意义。 1 ．2 国内外变形监测研究现状 1 ．2 ．1 常规大地测量方法 随着变形监测研究的不断深入，对变形监测精度要求也越来越高，变形监测 研究方法、技术也不断发展精度不断提高。上世纪变形监测方法、测量技术、及 仪器使用较为单一，主要是采取常规地面测量技术和某些特殊变形监测测量手段。 常规地面测量主要采用的仪器有经纬仪、测距仪、水准仪、全站仪等测量仪器。 常规大地测量优点有 1 能够获取变形体完整的变形状况[ 1 ] ； 2 能够满足各种变形监测精度的精度要求、各种状态下的变形物体以及各 种艰苦环境； 3 口j ‘以提供绝对变形信息。但变形监测野外作业量大，点位布设易受地形等 因素的影响，难以实现对监测对象的自动化监测【1 1 。 特殊测量手段包含应变测量、准直测量和倾斜测量，采用特殊测量手段测量 过程简单，町监测变形体内部的变形情况、容易实现自动化变形监测[ 6 1 ，但实际工 程项目中只需提供局部的和相对的形变数据即可满足生产生活需要。常规测量仍 然是目前较多采用的监测方式。 1 ．2 ．2 摄影测量监测方法 近年来，在很多领域都采用近景摄影测量，在隧道开挖、大坝沉降、桥梁变 形、滑坡及高层建筑变形监测等领域得到了普遍认可，经内业处理近景摄影测量 精度得到很大提高已达毫米级。近景摄影测量的优点[ 7 】 2 万方数据 第1 章绪论 1 能够在短时间准确记录下被摄物体的信息及点位关系； 2 能够完成在规则、不规则或现场很难到达的区域变形监测； 3 能够得到丰富、客观、可以长期保存的影像数据，有利于进行变形体不 同时间对比分析； 4 监测外业工作更简便、更快速、更安全[ 剐。 近景数字摄影测量技术迅猛发展，已经在矿区地表沉降山体滑坡等方面取得 了成功应用，展现了其良好的应用及研究前景[ 引。 1 ．2 ．3 应用G P S 技术进行地面形变测量 G P S 全球定位系统近年来被广泛应用，它是测量技术史上的一场前所未有的 变革。在国外，自上世纪中期起就已经将G P S 应用于沉降变形监测研究。国内运 用G P S 完成变形监测研究起步较晚，但同样在大坝变形、山体滑坡、矿区地表下 沉以及地壳变形监测等方面，取得了良好的研究成果。G P S 变形监测主要优点有 1 能够得到高精度的三维测点坐标，可以保证长基线测量精度，基线长≥ 1 0 k m 时，其相对精度町达到1 0 。7 ～1 0 一，相比传统测量大地测量监测技术精度更高； 2 能够满足全天候变形监测要求，不受气候以及地形条件影响不用局限于 测点问通视； 3 可以保证对点位监测、数据处理及记录自动化进行，这就有效保证了监 测数据的客观与可靠，很大程度上减轻测量人员的外业工作强度。 1 ．2 ．4 测量机器人 测量机器人的使用为测量工作提供了更多的便利，根据工程项目现场情况， 测量机器人可以对所要进行检测的建 构 筑物进行自动化变形监测。常用的检 测方式有两类一类是固定全自动持续监测方式，一类是移动周期性监测网观测 方引9 】。测量机器人已经是工程项目变形监测方而首选的测量检测设备，前景优越。 1 ．3 变形监测预测分析模型研究发展现状 采空区沉降造成巨大经济、人员损失，为及时了解采空区沉降情况，国内外 专家学者做了大量工作总结出地表沉降预测模型，并检验其精度及可行性。所采 取的预测模型精度是否符合实际工程需求直接影响到对地表变形的防治效果。 2 0 世纪8 0 年代开始，对采空区的变形监测动态预报研究逐渐加快，目前国内 外针对预测模型研究方法主要集中在；概率积分模型、时间序列模型、} 尔曼滤 万方数据 河北f T 程大学硕上学位论文 波、神经网络模型、回归分析模型以及灰色理论模型等【1 0 】，采用这些理论方法模 型及时预计地表沉降变形情况，为地表沉降防治提供了技术与数据支持，在预测 精度上得到 厂有效提高。通过计算机数值模拟软件编写程序对地表移动、沉降变 形、基坑监测等方面进行有效预测，大大提高了预报效率及精度。 1 ．3 ．1 概率积分模型 上世纪中期波兰学者J ．L i t w i n i s z y n 提出了地表岩层形变的研究，再由刘宝琛等 人发展成为概率积分法。概率积分法主要针对非连续介质进行的模拟研究【5 7 】。 1 山东科技大学通过概率积分模型提出了沉陷模拟计算的转化方法研究实 现了数字高程模型和地面沉陷盆地的可视化研究，并提出了矿区地表塌陷破坏等 级划分标准【⋯。 2 2 0 0 6 年国际矿IJ I 测量协会 I S M T 作会议暨“数字矿山城市、数字矿山” 建设信息技术学术研讨会上做了大淑村矿条带开采技术的报告，采取概率积分法 对矿区进行沉陷预计，取得良好成果，为今后的开采提供了经验【1 2 】。 3 中科院陈雨等人针对储存区地面沉陷进行了现场检测一理论计算一数值 模拟的研究，对概率积分模型进行了有效的修正，并对现场数据进行更进1 步的 准确可靠预测。 4 河南理工大学蔡来良等人就矿区高压线沉降问题，采用R T K 技术进行 监测，并基于概率积分法预测出线塔基础中心点位的沉降、倾斜量，表明了开采 沉陷基础的动态预测及方法的可行性。 5 现阶段各专家学者将遥感技术与预测模型进行结合进行研究矿大、江苏 水文局山西煤炭勘察院联合，提出了D i n S A R 技术与概率积分结合的方法，对参 数进行修正，得到研究区域的沉降参数，并对其变形情况进行了预测。 1 ．3 ．2 神经网络模型 B P 神经网络是一类多层次前馈反转预测模型，在变形监测方面得到广泛应用。 1 武汉测绘科技人学地学测量工程学院邓跃进等人在国内首次运用神经网 络进行变形监测预报，介绍了不同影响因素与位移量的模糊关系及位移量的模糊 近似推论，采用模糊B P 神经网络对此完成移动量预计【1 3 ] 。 2 河海大学博士赖道平通过监测资料和E l m a n 回归神经网络提出了建市地 质缺陷体演变时序模型方法，并对此法进行了项目检马佥【1 4 】。 3 黑君淼，将神经网络与G P S 数据处理方法应用于矿山地面沉陷预测取得 了良好的结论，表明了此模型完全可以用于矿区地面沉降监测【1 5 】。 4 万方数据 第1 章绪论 4 引入了内、外符合精度的评价标准，对多项式拟合与B P 神经网络进行 对比对提高矿区变形监测精度具有重要参考价值[ 1 6 1 。 1 ．3 ．3 回归分析模型 回归分析模型研究对象是变量与引起发生变化凶素之间的相关关系。常用回 归分析模型有一无回归分析模型、多元回归分析模型、逐步回归分析模型[ 17 1 。 1 最早在1 9 8 9 年武汉水利水电学院的李珍照等人在国内第一次建立水平 位移的混合数学模型。应用逐步回归分析方法，通过电算建立了个项目多测点不 同时段的统计方程，探索了将确定性计算与统计计算相结合互作补充的方法。 2 中国科学院动力大地测量学开放研究实验室独知行等人通过回归平面进 行r 建筑物倾斜分析，给出了回归分析模型的灵敏度公式及其分析，并根据项目 实例阐述了该理论的具体实现方法岬J 。 3 喻佳等人通过M a t l a b 编程语言对回归分析模型进行了程序实现，通过多 元回归模型对大坝变形完成有效的预计，得到高精度预计结谢19 1 。 4 王祖顺、韩吉德等人引入了多层递阶回归模型，对矿坝进行变形监测， 得到了较高的预测精度，将其与回归一E l m a n 网络模型进行比较得到更简便更实用 的方法。 1 ．4 研究内容 本研究参考国内外研究成果，探讨不同的矿区采空区地表动态监测新方法。 研究采用G P S R T K 技术进行动态监测的可行性研究，对比分析不同地面沉降预测 模型在黄土丘陵地区的预测精度和适应性，并对模型可靠性进行验证，为地下矿 产资源开采后产生得地质等灾害防治与治理提供参考。 1 ．5 测区概况 内蒙古地区是国家重要能源生产基地，采空区地表下沉现象尤为严重，很大 程度上制约了矿产开采、地表生活、生产系统的安全，多处存在不同程度地地表 沉降。据有关部门调查统计地面塌陷多达1 3 4 处，塌陷土方量约9 8 0 万m 3 ，尤其是 以赤峰市、呼伦贝尔市、乌海市塌方现象最为严重。 1 交通位置 研究区域周围公路、铁路系统便利，有利于资源开采运输，位置在内蒙古自 治区鄂尔多斯市准格尔旗沙圪堵镇东2 7 k m 处。薛魏公路向北、向西、向东分别到 万方数据 河北．f 程大学硕上学位论文 达薛家湾、呼和浩特、鄂尔多斯等市，矿区北侧为大淮、淮东铁路。 2 地形地貌 研究区域为高原地形黄沙堆积严重，植被比较少，人口稀少，对煤矿开采有 利。区域内海拔较高，相对高差较大，在5 0 m 左右。研究区域内沟壑交错，发育 良好，但并无大的水域，水量较小，只在雨季水量较大测区附近沟壑水流最终注 入黄河。研究区域位于鄂尔多斯东北方向，此地为中国存在最完整的最稳定的构 造地质条件，为弱震地区。 3 气候气象 本区属于大陆性干旱气候。春季干旱多风；夏季炎热昼夜温差较大，秋季气 候凉爽，冬季寒冷常有积雪覆盖。每年气温最高期可达3 9 度，气温最低期为零下 3 0 度，变化剧烈。常年降雨量较少，主要集中在7 至9 月，常年干旱多风。 4 经济状况 研究区域所在地矿产资源丰富，采矿业发达，其他行业以服务业为主。由于 矿产开采导致水土流失、土地破坏严重，当地地质形态发生变化，人口稀少，严 重影响到农牧业发展，只有有限的传统农耕产业，但由于煤矿丌采有大规模带动 了当地经济发展，整体呈上升态势。 1 ．6 技术路线 图l 一1 论文技术路线图 F i g ．1 - 1T e c h n i c a lR o a d m a po ft h eP a p e r s 6 翠墨 万方数据 第2 章G P S 监测技术 第2 章G P S 监测技术 地表变形监测方法有很多种如常规地表变形监测、G P S 变形监测、摄影测 量、测量机器人掣2 0 1 。传统地表沉降变形采用精密水准仪、测距仪以及全站仪等 测量工具。常用的测量方法有水准测量、三角测量、基准线法等。基本测量步 骤如下 1 变形监测网布设。变形监测所需测量点位较多，包括变形监测控制网点 位以及必要的观测点位，要求点位之间通视。 2 对监测点位进行定期测量。每期观测完成后进行自由网平差及约束网平 差。 3 对各期点位观测值进行对比分析。以第一期数据为基准，将每期数据与 第一期进行比较，以求取高程及平面坐标的变化值进行分槲2 1 1 。 进行变形监测时其精度要求较高，常规变形监测可以满足工程项目需要。但 常规地面变形监测外业作业量大观测期间长，安全系数低。因此现在常采用其他 测量方法以减小外业工作难度。 2 ．1 G P S 测量技术 G P S N a T v i g a t i o nS a t e l l i t eT i m i n ga n dR a n g i n g ，‘G l o b a lP o s i t i o n i n gS y s t e m 是全球 定位系统的简称，它是利用甲星测距来确定空间方位的定位系统。与传统测量方 法相比G P S 定位技术能够完成全天候监测，且各观测点间小必完全通视，另外， G P S 测量监测时间短，效率高，能够获得高精度的平面及高程数据。进行测量工 作首先需要设定测量基准，根据国际协议将G P S