沉降监测网的拟稳平差与程序实现.pdf

论文编号 安徽理工大学 硕士学位论文 沉降监测网的拟稳平差与程序实现 作者姓名汪维 专业名称测绘王猩 研究方向测量迟差堡途皇数握处理 导师姓名金堂搓塾拯 导师单位型绘堂瞳 答辩委员会主席塑奎塾拯级直王 论文答辩日期2 0 1 6 年6 月2 日 安徽理工大学研究生处 2 0 1 6 年6 月2 日 万方数据 AD i s s e r t a t i o ni nS u r v e yE n g i n e e r i n g T h e q u a s i - s t a b l ea d j u s t m e n ta n dt h ep r o g r a mr e a l i z a t i o n o ft h es u b s i d e n c em o n i t o r i n gn e t w o r k C a n d i d a t e W a n gW e i S u p e r v i s o r Y uX u e x i a n g S c h o o lo fG e o m a t i c s A n H u iU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y N o 。1 6 8 ，S h u n g e n gR o a d ，H u a i n a n ，2 3 2 0 01 ，P ．R ．C H I N A 万方数据 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方P J , 夕b ，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得 塞邀堡王太堂或其他教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名丑牝日期乜止年j 月』日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞邀壅王太堂有保留、使用学位 论文的规定，即研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权 单位属于塞邀理工大堂。学校有权保留并向国家有关部门或机 构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权 安徽理工大学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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇 编学位论文。 保密的学位论文在解密后适用本授权书 学位论文作者签名≥五隹 签字日期矽，占年占月，矽日 导师签名 签字日期硼羼锄膨 万方数据 摘要 摘要 在煤炭开采、大型水利工程和交通工程以及高层建筑物的建设过程中，对 工程的安全监测问题是不容忽视的，在此过程中引发的沉降和变形问题一直是 国内外学者研究的热衷领域，随着监测技术的迅速发展，相关理论研究也在不 断的深入，对数据的处理方法也在不断提高。在沉降监测中，采用合适的参考 基准是处理沉降变形问题的一个关键，基准的选择决定着数据处理的方法。对 于监测数据的平差计算和分析需要依托于计算机编程实现，开发相应计算程序 是不可或缺的。本文的主要研究内容及结论如下 I ．系统的阐述了拟稳平差的基本原理。拟稳平差按最小范数条件和附加 条件法计算得到的结果是等价的，对监测网中出现的单线形亏现象也可以对其 进行拟稳平差计算。 2 ．根据顾北煤矿北一 6 ．2 上采区布设的沉降监测网，以拟稳基准作为 平差计算的参考基准，采用分块间隙法分析了参考基准的稳定性，运用平均间 隙法对监测网进行了总体稳定性进行检验，并使用} 检验法对地表监测点位的 变化情况作了判断，有效的分析和检验了沉降监测网的稳定性。 3 ．在沉降监测网的观测过程中，粗差的存在会对平差结果带来影响，采 用了数据探测法对观测值中粗差进行分析，对粗差有一定的发现能力。 4 ．可靠性是用来衡量所设计的监测网结构对粗差的监控能力，作为监测 网质量评价的一个指标，以假设检验理论为基础，采用拟稳基准作为平差计算 的参考基准，对顾北煤矿北一 6 - 2 上采区的监测网进行了可靠性分析计 算，得到了良好的效果。 5 ．结合文中的基本理论通过程序实现对观测数据的检核和平差处理，以 及对监测网的质量进行了评价，并对程序处理数据的具体流程作了详细介绍。 图【3 0 】表【5 】参【6 0 】 关键词拟稳平差沉降监测网；稳定性；可靠性；开采沉陷 分类号P 2 2 4 万方数据 安徽理工大学硕士论文 A b s t r a c t D u r i n gt h ec o n s t r u c t i o no fc o a lm i n i n g ，l a r g e - s c a l ew a t e rc o n s e r v a n c y , t r a f f i c e n g i n e e r i n ga n dh i g h - r i s eb u i l d i n g s ，t h eq u e s t i o no fs a f e t ym o n i t o r i n gp r o j e c tc a n n o th ei g n o r e d ．．T h es u b s i d e n c ea n dd e f o r m a t i o nh a sb e e nk e e nt of i e l dr e s e a r c h s c h o l a r si nt h ep r o c e s s ．W r t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fm o n i t o r 吨t e c h n o l o g y , r e l a t e d t h e o r i e sa r ec o n s t a n t l yd e e p e n i n g ，a n dt h ed a t ap r o c e s s i n gm e t h o di sa l s or i s i n g ．T h e u s eo fa p p r o p r i a t er e f e r e n c eb e n c h m a r ki sak e yt o d e a l i n gw i t ht h ep r o b l e mo f S e t t l e m e n t ，b e n c h m a r ks e l e c t i o nd e t e r m i n e st h em e t h o do fd a t ap r o c e s s i n g ．T h e a d j u s t m e n tc a l c u l a t i o na n da n a l y s i so fm o n i t o r i n gd a t an e e dt or e l yo nc o m p u t e r p r o g r a m m i n g ，a n dd e v e l o p i n gt h ea p p r o p r i a t ec a l c u l a t i o np r o g r a mi se s s e n t i a l ．T h e m a i nc o n t e n t sa r ea sf 0 1 1 0 w s 1 ．T h eb a s i cp r i n c i p l eo ft h eq u a s is t a b l ea d j u s t m e n ti sd e s c r i b e di nd e t a i l ．I t r e s u l t so b t a i n e db yt h em e t h o do fm i n i m u mn o r mc o n d i t i o na n dt h ea d d i t i o n a l c o n d i t i o nm e t h o da r ee q u i v a l e n t ．A n di tc a na l s oc a l c u l a t et h es i n g l el i n e a rl o s s p h e n o m e n o ni nt h em o n i t o r i n gn e t w o r k ． 2 ．A c c o r d i n gt ot h es u b s i d e n c em o n i t o r i n gn e t w o r ko fN o r t hc o a lm i n eG u b e i N o r t h 6 - 2 m i n i n ga r e a ，b a s e do nt h eq u a s is t e a d yr e f e r e n c e ，t h es t a b i l i t yo ft h e r e f e r e n c ed a t u mi sa n a l y z e db yu s i n gt h eb l o c kg a pm e t h o d ．u s i n gt h eb l o c k - g a p m e t h o dt oa n a l y z et h es t a b i l i t yo ft h er e f e r e n c eb a s e ，u s i n gt h ea v e r a g eg a pm e t h o d t ot e s tt h eo v e r a l ld i s p l a c e m e n tf o rm o n i t o r i n gn e t w o r k , a n du s i n gt h et e s tm e t h o dt o a n a l y s et h es u r f a c em o n i t o r i n gp o i n tc h a n g e s ．T h e s t a b i l i t yo ft h es e t t l e m e n t m o n i t o r i n gn e t w o r ki sa n a l y z e da n dt e s t e de f f e c t i v e l y ． 3 ．I nt h ep r o c e s so fo b s e r v i n gt h es e t t l e m e n tM o n i t o r i n gn e t w o r k , t h ee x i s t e n c e o fg r o s se r r o r sw i l la f f e c tt h ea d j u s t m e n tr e s u l t s ，u s i n gd a t ad e t e c t i o nm e t h o dt o a n a l y s et h eg r o s se r r o r si no b s e r v a t i o n s ． 4 ．R e l i a b i l i t yi su s e dt om e a s u r et h eg r o s se r r o ro ft h em o n i t o r i n gn e t w o r k s t r u c t u r e ．A sa ni n d i c a t o ro ft h eq u a l i t ye v a l u a t i o ni nm o n i t o r i n gn e t w o r k , t a k i n gt h e h y p o t h e s i st h e o r ya st h ef o u n d a t i o n ，r e f e r e n c ef o ra d j u s t m e n tc a l c u l a t i o nu s i n gq u a s i s t e a d yr e f e r e n c e ，a n a l y s i n gt h em o n i t o r i n gn e t w o r kr e l i a b i l i t yo fG u b e iN o r t hM i n e I I 万方数据 n o r t ho fa 6 - 2 m i n i n ga r e a , a n dg e tag o o de f f e c t ． 5 ．A c c o r d i n gt ot h eb a s i ct h e o r yo f t h ep a p e r , t h r o u g ht h ep r o g r a m t oa c h i e v et h e o b s e r v a t i o nd a t ao ft h ev e r i f i c a t i o na n da d j u s t m e n tc a l c u l a t i o n ，A n dt h eq u a l i t yo f t h em o n i t o r i n gn e t w o r ki se v a l u a t e d ，a n dt h ef l o wd i a g r a mo ft h ep r o g r a m p r o c e s s i n gd a t aa r ei n t r o d u c e di nd e t a i l ． F i g u r e 【3 0 】T a b l e 【5 】5 R e f e r e n c e 【6 0 】 K e y W o r d s q u a s i - s t a b l ea d j u s t m e n t ；s e t t l e m e n tm o n i t o r i n g n e t w o r k ；s t a b i l i t y r e l i a b i l i t y ；m i n i n g s u b s i d e n c e C h i n e s eb o o k sc a t a l o g P 2 2 4 ⅡI 万方数据 安徽理工大学硕士论文 目录 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I A b s t r a c t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．I I l 绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1 选题背景⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l 1 ．2 课题研究目的和意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．3 沉降变形监测的研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．4 课题主要研究内容及技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 1 ．4 ．1 主要研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 ．4 ．2 技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 拟稳平差基本原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2 ．1 自由网拟稳平差原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2 ．2 秩亏法方程的最小范数解⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 ．3 拟稳平差的附加条件法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．4 拟稳水准网中的形亏⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 3 沉降监测网的数据处理与分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 3 ．1 沉降监测网的稳定性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 3 ．1 ．1 单点位移分量法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l5 3 ．1 ．2 总体位移显著性检验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 3 ．1 ．3 分块间隙法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 3 ．2 监测网的可靠性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 3 ．2 ．1 可靠性研究概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 3 ．2 ．2 观测值误差对平差改正数的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 l 3 ．2 ．3 测量平差结果可靠性的数理统计原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 6 3 ．2 ．4 单个各选假设下的可靠性理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 3 3 ．3 沉降变形量计算模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 9 4 程序实现及应用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 l 4 ．1 程序实现⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 l I V 万方数据 目录 4 ．2 工程实例分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 3 4 ．2 ．1 观测站概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 4 ．2 ．2 沉降监测网的数据分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 4 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。5 8 5 总结与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 9 5 ．1 总结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 9 5 ．2 展望和不足⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 9 附录A ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 1 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 6 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 0 作者简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 1 V 万方数据 安徽理工大学硕士学位论文 C o n t e n t s A b s t r a c ti nC h i n e s e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．I A b s t r a c t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．I I 1I n t r o d u c t i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．1T h eb a c k g r o u n d ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．I 1 ．2T h et a r g e ta n ds i g n i f i c a n c eo ft h et o p i c ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．3R e s e a r c hs t a t u s o f s e d i m e n t a t i o nd e f o r m a t i o nm o n i t o r i n g ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 ．4T h em a i nc o n t e n ta n dt e c h n i c a lr o u t e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 I ．4 ．In l cm a i nc o n t e n t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 1 ．4 ．2R e s e a r c hm e t h o d s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2I m i t a t i v es t a b l ea d j u s t m e n tf u n d a m e n t a l ⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯．．⋯⋯⋯．⋯⋯．⋯⋯⋯⋯6 2 ．IP r i n c i p l eo f i m i t a t i v es t a b l ea d j u s t m e no f f r e en e t w o r k ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 2 ．2T h em i n i m u mn o r ms o l u t i o no f r a n k - d e f e c tn o r m a l e q u a t i o n ．⋯．⋯．⋯⋯⋯．⋯⋯．．8 2 ．3A d d i t i o nr e s t r i c t e dc o n d i t i o nm e t h o do f i m i t a t i v es t a b l ea d j u s t m e n t ．．．．．．．．．．．．．．．．9 2 ．4S h a p e dd e f i c ii ni m i t a t i v ei m i t a t i v es t a b l el e v e ln e t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 3D a t ap r o c e s s i n ga n da n a l y s i so fs u b s i d e n c em o n i t o r i n gn e t w o r k ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1 4 3 ．1S t a b i l i t ya n a l y s i si ns u b s i d e n c em o n i t o r i n gn e t w o r k ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 4 3 ．I ．IS i n g l e p o i n td i s p l a c e m e n tc o m p o n e n tm e t h o d ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯15 3 ．1 ．2E x m i n es i g n i f i c a n c eo f t o t a ld i s p l a c e m e n t ⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯．⋯．．．1 7 ；．1 ．3B l o c kg a pm e t h o d ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．19 3 ．2r e l i a b i l i t ya n a l y s i so f m o n i t o r i n gn e t w o r k ．⋯．⋯⋯．⋯．⋯⋯⋯．⋯⋯．⋯⋯⋯．⋯⋯．．．．2 0 3 ．2 ．1R e s e a r c ho v e r v i e wo f r e l i a b i l i t y ．。．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．2 0 3 ．2 ．2E f f e c to f o b s e r v e dv a l u ee r r o ro na d j u s t m e n tR e s i d u a l ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．2 1 3 ．2 ．3P r i n c i p a lo f m a t h e m a t i cs t a t i s t i c so f t h er e s u l to f e r r o ra d j u s t m e n t ．．．．．．．．．2 6 3 ．2 ．4R e l i a b i l i t yt h e o r yo f A k e r n a t i v eh y p o t h e s i s ．⋯⋯．⋯⋯．。⋯⋯⋯．．⋯．⋯⋯⋯．．．3 3 ；．3C a l c u l a t i o nm o d e lo f s u b s i d i e n c ea m o u n t ．．⋯．．⋯⋯．⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯．⋯⋯．．．．3 9 4P r o g r a mi m p l e m e n t a t i o n ⋯⋯⋯．⋯．⋯．．．．⋯．⋯．⋯．．⋯．⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯．⋯．．．⋯⋯⋯．．4 1 V l 万方数据 4 ．1P r o c e d u r ei n t r o d u c t i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 4 ．2E n g i n e e r i n ge a s ea n a l y s i s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 3 ．2 ．1O b s e r V a t i o ns t a t h no v e r v i e w ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 3 3 ．2 ．2D a t aa n n l y s i so f s u b s i d e n c em o n i t o r i n gn e t w o r k ．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 5 4 ．3S u m m a r yo f t h i sc h a p t e r ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 8 5S u m m a r ya n dp r o s p e c t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 9 5 ．1S u m m a r y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 9 5 ．2E x i s t i n gp r o b l e m sa n dp r o s p e c t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 9 A p p e n d i xA ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 R e f b r e n c em a t e r i a l s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 6 A c k n o w l e d g m e n t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 0 R e s u 瑚I eo f t h ea u t h o r ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 1 ⅥI 万方数据 第l 章绪论 1 绪论 1 ．1 选题背景 煤炭一直是中国能源的支柱，在能源的消费水平中占有的比例超过了三分 之二，最多的时候占到五分之四，煤炭对于中国经济的发展是不可或缺的【l 】。 煤炭带来的经济效益是明显的，但是对其建设过程中的投入也是巨大的，一个 大型煤矿的建设需要投资几十亿，近几年伴随宏观经济增速继续放缓，经济结 构调整持续推进，能源消费总量实施控制，环境保护要求不断提高，煤炭行业 也正在对相关资源进行整合和对自身的改革创新。 煤炭开采带来的巨大经济效益的同时，也对矿区的生态环境带来了一定的 影响，虽然在开采的技术上和安全的防卫有了很大的进步，但是在实际的实施 过程中并不理想。煤矿开采地区的地表会出现大面积的塌陷并产生积水，地表 上的房屋结构会发生变形和倒塌、农田无法进行正常的耕种、地区的地下水位 下降，引发饮用水危机、道路结构变形，在一些特殊的采煤区还有可能导致泥 石流、滑坡等一系列的危害。在安徽、山东、山西、内蒙古、辽宁等地区因煤 炭开采而引发的环境污染、耕地及林地等可以重复利用资源减少，一些地区己 变成不毛之地。煤炭开采地区的煤炭资源开采、利用、土地资源占用以及生态 环境的破坏是同时存在的，是人口、资源、生态环境矛盾集中爆发区域之一， 影响着该地区的经济和民生发展。实际的生产实践表明，一个国家以及地方的 生态环境破坏程度，在一定的水平上与矿山资源的消耗程度是相差不多的【2 】。 随着我国经济的快速发展，计算机的广泛运用，卫星技术和电子技术的快 速发展，对测绘仪器和技术的发展起到了极大的促进作用，提高了实际的工作 效率和准确性。新的测量技术和方法以及数据处理方法应用在煤炭开采过程 中，可以更准确的反映开采过程中引起的地表变化情况，根据准确的地表变化 情况，政府等相关部门能更好的采取措施来降低煤炭开采引起的地质灾害对当 地居民和生态环境的影响。 1 ．2 课题研究目的和意义 采煤区的地表沉降关乎地下采煤工作的正常安全进行和地表上人民的生命 以及财产安全，所以对采煤区的地表沉降监测十分重要。目前对采煤区的地表 沉降的监测和分析的方法有很多，在选择的平差方法上主要是最小二乘，通常 万方数据 安徽理工大学硕士学位论文 选择的基准都是固定基准，对后期的数据处理都是在此基础之上进行的。在采 用固定基准处理和分析监测问题有很多优点，但是当基准出现的变动，这样会 对后期的数据处理带来严重影响，若基准出现沉降，那么在对多期数据进行比 较分析时，就难以去判断真实的沉降量大小，影响我们分析沉降变形的规律以 及降低对可能发生的灾害的预测能力。因此，在对地表的沉降监测中，选择合 适的参考基准是保证也是得到更准确的结果一个关键。在对采煤区上方的地表 布设监测点时，有些区域发生沉降的可能性相对较小，在选择这些相对稳定的 点作为参考的基准点，这样会提高准确性，可以有效避免基准的沉降导致后期 数据处理的错误，在测量领域称此类基准为拟稳基准。选择拟稳基准就需要选 择新的平差方法与之相对应，在前人的努力研究下，提出的拟稳平差方法可以 很好的解决这个问题。 采用拟稳基准，运用拟稳平差方法对监测的数据进行处理分析可以得到所 需要的准确率更高的结果，在实际的生产实践中起到了良好的指导作用。 1 ．3 沉降变形监测的研究现状 在中国飞速发展的几十年里，对于地下资源的利用不在局限于对煤炭等能 源的采集，城市地下铁路和地下商场、车库以及过江隧道建设如火如荼的进行 着，地面上的高层建筑物如春笋般拔地而起。随着大型工程建设的越来越多， 地表变形的情况愈显突出，对地表的沉降监测尤为重要。近些年来，对沉降监 测探讨不断的深入，对原有的方法进行不断的改进，开拓发展新的方法，改变 观测的方法和手段，降低对变形体监测分析结果的错误率。探讨的内容主要存 在以下几点 1 G P S 在沉降变形监测中的应用。G P S 测量技术已经在各类工程的形变 监测中得以普遍的推广【3 1 。由于监测的变形体存在差异，将其工作与监测的方 式分为三种周期性重复测量、固定连续运行的G P S 测站阵列、实时动态监 测1 4 J 。实际中第一个运用最广，通过一定的周期性重复观测每个测点间的相对 位置，用相邻两个周期的观测值求出每个测点问位移的相对变化来确定形变情 况，是以静态的模式进行相对定位计算【5 】；第二种模式是布设永久的G P S 观测 站并进行连续观测，主要是针对一些核心和关键位置或形变感知度强的工程构 筑物；第三种模式是对建筑物的真实沉降变形进行实时的、动态的监控。G P S 以全天候、全球性、高精度、高速度、实时的三维定位、定位误差不会因为定 2 万方数据 第l 章绪论 位的时间而累积等众多特点得到了人们的肯定并广泛的使用。现如今，G P S 在 沉降变形测量的应用研究涉及面有如下几点G P S 用于大型建筑物或构造物沉 降变形监控，针对的是对其应用在实际工程中的可能性以及在应用中所要采取 相关性措施的研究；G P S 用在沉降变形的监控中所存在的优缺点；G P S 沉降 监测相关数据处理方法的分析应用研究等【6 】。 2 沉降监测网中的可区分度与灵敏度【7 J 。在这个方面的研究包括总体与 局部灵敏度相应的运用范围由单个模型扩展到多个变形模型对观测值粗差的 可发现与可区分的理论探究。 3 沉降变形监测网中的点位稳定性分析【8 】。主要的研究包括选择拟稳基 准作为平差的参考基准和附有参考点的秩亏自由网平差的方法处理来统计检验 量，分析监控的点位变动情况；用模糊数学理论来选择拟稳平差中相对来说比 较稳定的点位；工程中建立的沉降监测网对多个动态点位的判断；工程沉降监 测网的点位稳定状况的判定沉降监测网的两期网形不同而引起位移值变化的 处理与分析多个周期的沉降监测网中点位稳定状况的分析检验。 4 沉降变形监测网的质量评判准则。沉降变形监测控制网有以下五种质 量评判准则可靠性评定、精度判定、费用成本、灵敏度评定、可区分度衡 量。在目前对其研究有如下两个方面以工程建筑 构筑 物的结构安全性作 为出发点，讨论变形体所允许的临界变形量以及达到相应的测量精度等相关性 要求【9 】。 5 对沉降变形监测网的粗差理论研究。如果沉降监测网中作为起算的数 据存在粗差，一般使用B a a r d a 的数据探测法对其进行探测和剔除，还可以增 大起算数据的权值来检测；另外一种是运用稳健估计的方法处理起算数据中存 在的粗差并将其去除【1 0 】；在探讨存在不止一个粗差的定位问题上，使用最多的 方法是分析观测值对余差向量的作用和余差协因数阵列向量中存在的关系来判 定误差的具体位置；研究沉降变形中的形变同粗差之间的相关函数关系问题 竺 ’于o 6 沉降变形监测网中两期观测的形变位移量的求解以及预测。主要的内 容包括对沉降变形监测网中两期形变值的求解方法以及优缺点研究；在对形 变量建立的预测模型中从单点的回归模型扩展到多点的回归模型；位移权迭代 平差计算监测体的形变位移量大小【l1 1 。 7 实现沉降变形的自动化监测。自动化监测技术是将卫星定位测量技 3 万方数据 安徽理工大学硕士学位论文 术、地理信息技术、计算机网络通讯技术、移动手持终端技术、现代测量数据 处理方法、软件工程技术等相融刽1 2 】，实现全天候实时动态的监测变形体的位 移量大小，及时的对变形可能引起的灾害进行预警预报。其核心问题就是如何 将电子仪器测量的数据进行传输和计算进行一体化。 1 ．4 课题主要研究内容及技术路线 1 ．4 ．1 主要研究内容 本文根据矿区观测站的实测资料，以M i c r o s o t tV i s u a lS t u d i o2 0 1 0 作为软件 开发平台，运用C 语言开发了沉降监测数据处理程序。将拟稳平差方法更好 的应用在煤炭开采引起的地表变形中，主要的研究内容如下 1 对拟稳平差的基本理论进行了详细的阐述，拟稳平差可以依据最小范 数条件计算，亦可以选择附加条件法计算，对监测网中出现的单线形亏现象， 也可以对其运用拟稳平差方法进行计算。 2 结合顾北煤矿北一 6 ．2 上采区布设的沉降监测网，以拟稳基准作为 参考基准，选择可靠的拟稳点，采用分块间隙法分析检验基准的稳定性，运用 平均间隙法判定监测网作了总体位移变化情况，并使用t 检验法对地表监测点 的变化情况进行分析，这三种方法可以有效的分析监测网的稳定性，并且能够 相互检测。 3 在沉降监测网的外业数据采集中，就可能有粗差的混入，粗差的存在 会严重影响结果的准确性，必须在平差计算前对其进行剔除，本文采用了数据 探测法来搜索和判断观测值中可能含有的粗差。 4 可靠性是用来衡量所设计的监测网结构对粗差的监控能力，作为监测 网质量评价的一个指标，一般分为内、外可靠性两种，以假设检验理论作为评 判方法。本文对对顾北煤矿北一 6 ．2 上采区的监测网进行了可靠性分析计 算。 5 煤矿开采引起地表沉降变形，本文结合拟稳平差方法，以及保证监测 数据的准确性的前提下，对顾北煤矿北一 6 ．2 上采区的地表沉降量和下沉 速率进行了计算和分析。 6 利用文中介绍的基本理论开发了处理数据的应用程序，结合矿区的实 际观测实例，详细的介绍了程序处理观测数据的具体流程。 4 万方数据 第1 章绪论 1 ．4 ．2 技术路线 本文的技术路线