[发明专利]一种地面沉陷的监测与评价方法

说明书

技术领域

本发明属于地面变形与稳定性评价领域，具体涉及一种地面沉陷及其稳定性演化趋势的位移监测参数与测定评价方法。

背景技术

地面沉陷是一种常见的地质灾害类型，对沉陷区域地质环境的破坏非常严重。地面沉陷具有持续时间长、破坏危害性大且突发性与隐蔽性强等特点，其沉陷不但可严重损坏地面建筑物，而且还可造成大面积农田损毁、山体滑坡、森林植被破坏、水土流失、荒漠化加剧等问题。由于地面沉陷具有非线性、效应滞后性及地基条件复杂性等特点，往往不能有效预测地面沉陷稳定性失稳时间。因此，研究和确定有效的位移监测参数与预测方法，是目前地面沉陷地质灾害预测与防治领域急待研究与解决的难点与关键问题，且对这类地质灾害的科学预测与有效防治具有重要的科学研究意义及工程应用价值。

地面沉陷是指地表岩、土体在自然或人为因素作用下向下塌陷，并在地面形成塌陷(洞)的一种动力地质现象，包括岩溶塌陷和采空塌陷等。采空塌陷是一个复杂的地质力学和地质体形变的过程，当埋藏于地下的各种大小矿体被采动、掘空后，矿体上部覆岩的力学平衡就会被打破，在重力和应力作用下，便产生裂隙，地下水乘虚而入，通过裂隙向采空区渗漏，这又加速了覆岩的破坏，引起岩层和地表移动，最终形成了采空塌陷区。岩溶塌陷是指可溶岩在具有溶蚀性地下水作用下形成不同规模的地下隐伏溶洞，由于地下水潜蚀和冲擦能力的不断增强，溶洞充填物被大量带走，土洞向上扩展至地表，便形成地面塌陷。目前地面沉陷与稳定性分析与评价方法主要有经验方法、影响函数法、理论模型法。经验方法是在特定的地质采煤条件下，通过大量的开采沉陷实测资料的数据处理，确定各种移动和变形的预计函数形式(解析公式、曲线或表格)和预计参数的经验公式，供在相近地质采矿条件下地表移动变形的预测及应用。主要有典型曲线法、剖面函数法和威布尔分布法；理论模型方法是建立在力学模型、弹性或塑性理论基础上的计算方法，把岩体抽象为某个数学的、力学的或数学－力学的理论模型，按照这个模型计算出受开采影响岩体产生的移动、变形和应力的分布情况。主要有有限元法、边界元法、离散元法和非线性力学法等；影响函数法是介于经验方法和理论模型方法之间的一种比较有效的预计方法。其实质是根据理论研究或其他方法确定微小单元开采对岩层或地表的影响(以影响函数表示)，把整个开采对岩层和地表的影响看做采区内所有微小单元开采影响的总和，并据此计算整个开采引起的岩层和地表的移动和变形。主要有概率积分法、布德雷克-克诺特法和柯赫曼斯基法。上述方法中的经验方法是建立在大量的观测资料基础之上，经过不断地研究和改进获得的，是针对某个地区建立的，需要大量的观测站实测资料，其他的地区不能随便套用。而理论模型方法是按力学方法进行求解，公式比较复杂，所用的参数常用实验室或理论推导求得，一般与现场实测资料没有直接关系，难以确定。影响函数法也存在一定的缺陷，由于岩体本身和受采动岩体移动规律的复杂性，所采用的理论模型很难全面地、准确地反映岩层和地表移动的规律，因此不得不进行某种假设和简化，这将导致预计结果常常与实际情况不符。

近年来分形理论由于揭示了物质系统变化过程中的可逆与不可逆、有序与无序及这种矛盾相互转化的机制和条件，在揭示自然界物质系统如何从平衡到不平衡、从对称到非对称、从稳定到不稳定的演化和非演化规律等方面得到了广泛应用。为此，鉴于上述传统方法在地面沉陷与稳定性预评价与预测中存在的局限与不足，本发明在充分考虑地面沉陷非线性、效应的滞后性及地基条件的复杂性等众多因素的基础上，根据分形基本理论原理，提出了一种运用重标极差分析法，计算地面沉陷观测量的分形维数，以此对地面非线性沉陷与稳定性演化规律进行科学的预测与评价。该方法可以在某种程度上克服传统地面沉陷评价方法存在的不足和局限性，在地面沉陷稳定性评价与监测预警领域具有重要的应用价值。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，在系统研究和分析地面沉陷稳定性基础上，提供一种地面沉陷的监测与评价方法，可以对地面长期稳定性及其稳定性演化趋势进行实时评价，以达到测定与评价地面沉陷与长期稳定性的目的。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种地面沉陷的监测与评价方法，包括以下步骤：

步骤1：对地面沉陷区域进行全面勘察，根据勘察结果确定位移监测基准点和位移变形监测点的布置方案；

步骤2：以设定监测周期，对位移变形监测点进行监测，建立每个位移变形监测点地面沉陷监测时间序列{x_j(t)}；

步骤3：确定地面沉陷分形指数参数：累积离差、极差和标准差；

步骤4：根据步骤3的参数，确定地面沉陷分形指数；