基于ArcGIS的开采沉陷预计分析可视化方法_图文

1、Se ries N o .407M ay 2010金 属 矿 山M ETA L M I NE总第407期2010年第5期*国家自然科学基金项目(编号:40772191, 十一五 国家科技支撑计划重点项目(编号:2006BAC 09B01。白力改(1985!,女,江苏省资源环境信息工程重点实验室,中国矿业大学环境与测绘学院,硕士研究生,221116江苏省徐州市中国矿业大学(南湖校区环境与测绘学院大地硕08。安全与环保基于A rcG IS 的开采沉陷预计分析可视化方法*白力改1,2谭志祥1,2柳聪亮1,2李培现1,2(1 江苏省资源环境信息工程重点实验室;2 中国矿业大学摘 要 矿山开采引起的地表

2、移动是一个复杂的动态过程,传统的二维线划图不能全面、准确地表达地表的沉陷信息。基于A rc G IS 地统计分析模块对开采沉陷中概率积分法的预计结果进行了分析和处理,实现了开采沉陷的三维立体显示及剖面图的生成,有助于更加直观和深入地研究地表移动情况,为研究开采沉陷规律和提高开采沉陷损害防治技术提供了更加直观有效的技术方法。关键词 A rcG IS 开采沉陷 概率积分法 可视化V isualization Analysis of M i n ing Subsidence Predicti o n Based on A rc GISBa iL i g a i 1,2Tan Zh i x iang

3、1,2L i u Cong liang 1,2Li Pei x ian1,2(1J iang su K ey Laboratory of R esources and Environmen t al Informati on Eng i neering ;2,Ch i na Universit y of M i ning and T echnology,X uzhouAbstrac t T he surface d isplacem ent caused by m i n i ng is a sophisticate dynam ic pro cess .T he traditiona l t

4、 w o di m en s i on li ne graphic can 't expla i n t he i nfor m ation of surface s ubsi dence comp l e tely and prec ise l y .Based on the geo statisti cs m ode l o f A rc G IS ,t he pred i ction resu lts of probability integ ra l m ethod are dealt w ith ,w hich m akes three d i m ension d ispl

5、ay and secti on i m age o fm i ning subsidence rea lized .Th ism ethod contri butes to t he i ntuiti on i st and pro found research o f surface d i sp l acement and a lso prov i des a mo re i ntu i tive and e ffective w ay to research l aw s of m i ning subs i dence and i m prove m eas ures o fm i n

6、 i ng protection .K eywords A rc G IS ,M i n i ng Subsi dence ,P robab ilit y i nteg rati on m ethod ,V isualizati on开采沉陷过程是一个在时间和空间上都非常复杂的过程1。随着煤炭资源的开发利用,地下资源开采产生的地表沉陷问题越来越严重,地表沉陷引起的破坏已涉及到工业、农业、交通、运输、环境保护、生态平衡等各方面,对人类的生存环境构成了极大威胁。为了能最大限度地减少开采沉陷引起的损失,需在开采之前就对开采过程中出现的沉陷情况有一个全面的、准确的预测,对开采造成的环境破坏做出正确的评

7、估2。此过程涉及面极广,影响因素极多,大量的数据处理也很困难。由此可以看出开采沉陷所涉及的信息具有多维性、复杂性和动态变化的特点,因此实现开采沉陷信息三维可视化对研究矿区开采沉陷规律、进行地下煤炭资源的合理开采和开采沉陷损害防护有着极其重要的意义3。目前,对矿区开采沉陷数据描述大多数是以二维曲线表示,这种表达方式可视化程度低、直观性差,不能全面真实地反映地表移动情况,也不利于开采沉陷防治工作的开展及制定合理的开采沉陷区土地复垦治理规划,影响了技术决策的效率和准确性4 6。A rc G I S9是美国环境系统研究所开发的新一代GIS 软件,是应用最广泛的G I S 软件之一,强大的空间分析能力是

8、A rc G I S9的特点与核心之一。本研究在Arc GIS 提供的3D 模块、地统计分析模块、空间分析模块基础上,实现了地表沉陷预计数据的三维可视化管理,提高了用户对信息的管理效率,可更直观、有效地对沉陷数据进行分析应用7。1 开采沉陷预计1.1 地表移动变形预计的数学模型概率积分法是一种以随机介质理论为基础的开采沉陷预计方法。其发展已较为成熟,能较精确地描述地表沉陷的分布形态。目前,它已成为我国应140用最为广泛的地表移动变形预计方法之一1。地表移动盆地内任意一点A(x,y的下沉为W A(x,y=1W0W0(xW0(y,而,W0=m q co s ,W0(x=W0# x r x-lre-

9、2d,W0(x=W0# y r1 y-Lr2e-2d,式中,m为煤层采厚,m;q为下沉系数; 为煤层倾角,(;l为工作面走向长,m;L为工作面倾斜长, m;r,r1,r2为走向、下山、上山的主要影响半径,r= H/tan!,r1=H1/tan!,r2=H2/tan!,tan!为主要影响角正切;H,H1,H2为工作面走向、下山和上山边界的采深,m;x,y为待求点的坐标,m。倾斜变形(i,曲率变形(K,水平移动(U,水平变形(都可由下沉表达式变换、求导而得。1.2 地表沉陷预计程序地表沉陷预计采用自主开发的矿区开采沉陷预计分析系统(M SAS。该系统应用概率积分法原理,可以实现地表移动和变形的静态

10、预计。并生成A rc G I S的接口数据文件,实现与Arc GIS的数据共享。采用M SAS实现地表移动变形预计的过程如下:(1预计程序的坐标系选择矿区地面坐标系,对工作面开采影响范围内一定间距划分的格网点进行移动和变形预计。(2输入矿区地质采矿条件数据,包括煤层倾角( ,开采厚度(m,地表下沉系数(q,主要影响角正切(tan!,工作面走向长(l,工作面倾斜长(L,拐点偏距(s,开采影响传播角(#,采深(H,水平移动系数(b,步长(l,各角点坐标(x i,y i。程序输出地表下沉(W,倾斜变形(I,曲率变形(K,水平移动(U,水平变形(的数据文件。2 开采沉陷预计的可视化分析与应用A rc

11、G I S地统计分析模块包含各种功能的动态开发环境,为进行空间数据探测、确定数据异常、 优化、评价预测结果和生成数据面等提供了有效的技术方法8。本研究用到的主要系统功能如图1所示。各系统功能介绍如下。图1 系统结构功能(1数据分析处理。开采沉陷预计程序输出的数据以dat格式保存,首先将其转化为Shp文件导入A rc G I S中,生成测试和训练数据集。为了更全面地了解所使用数据,对训练数据进行探索性数据分析,使用C r oss-Va lida ti o n交叉验证统计结果进行具体分析,选取预测误差的平均误差、误差均方根、平均预测标准差、平均标准差和标准均方根预测误差等作为分析依据,选取合适的参

12、数及插值方法创建完善的表面预测图。(2表面建模。基于以上对开采沉陷预计数据的分析 ,本研究使用A rc G I S地统计向导对训练数据集通过泛克里格插值生成表面预测图,设置其层面属性并输出栅格数据。如图2所示。图2 克里格内插预测由图2可看出,预测表面按高程值的大小以颜色深浅来表示,图幅的中心位置表示下沉盆地部分,数据点高程值相差不大,在预测图上也以同一颜色表示,由中心向外扩展数据点下沉值逐渐变小颜色逐渐变深,直至地表没有下沉的边界位置,在预测表面上也表现出这一特点。通过对预测图进行简单的视觉浏览就可以从总体上掌握地表移动特征及规律。(3空间分析。使用A rc G I S空间分析(spati

13、a l ana l y st模块中的表面分析(surface ana l y sis工具对生成的栅格数据集提取等值线,生成坡度数据图(如图3所示,使用3D Ana l y st分析模块中的A rea and Vo l u m e工具可以计算对某个参考平面的二维面积、表面面积、体积以及提取某个断面的剖面图。141白力改等:基于A rc G IS的开采沉陷预计分析可视化方法 2010年第5期 图3 坡度数据(4立体显示。启动A rc G I S 的A rcScene 应用程序实现数据的三维可视化,能够更加直观和真实地呈现地表移动情况。3 工程应用3.1 地质采矿条件山西某矿开采7806工作面开采山

14、西组3#煤层,平均采厚6m,煤层倾角7,工作面地表标高+865+885m 。工作面标高+481+613m,平均采深305m,下沉系数0.85,水平移动系数0.31,主要影响角正切2.5,开采影响传播角84,拐点偏移距S /H =0.1,工作面走向长1800m,倾向长240m 。采煤方式为综合机械化走向长壁开采,顶板全部垮落。区域下方没有断层等特殊地质构造。工作面各角点的坐标值见表1。表1 各角点的X,Y ,Z 坐标 m4106014040729-0.0753.2 试验结果分析采用M SAS 对7806工作面的地表下沉情况预计并输出A rc G I S 的接口数据文件。采用A rc G I S

15、进行如下的分析计算。由Arc GIS 地统计分析模块探索性数据中的直方图显示的地表各变形的最大值,以及由3D Analyst分析模块计算的参考平面(原始地面以下的体积见表2。表2 地表变形最大值统计项目下沉/mm 倾斜/(mm /m 曲率/(mm /m 水平移动/mm 水平变形/(mm /m 体积/m 3沿南北方向452542.40.65159823.41261519.51基于A rc G I S 地统计分析模块对上述预计结果进行了分析和处理,得到了地表移动的等值线图、剖面图和三维立体图,限于篇幅,仅给出地表变形的下沉等值线和立体图(图4、倾斜和曲率的立体图(图5,图6以及下沉、倾斜、曲率沿某

16、断面的剖面图(图7 。图4 下沉等值线图和下沉立体示意图5 沿南北、 东西方向倾斜立体示意图6 沿南北、 东西方向曲率立体示意图7 下沉、倾斜、曲率沿某断面剖面示意综上所述,采用A rc G I S 可以实现地表移动变形值的三维立体可视化,使地表移动变形得到了直观的表达。基于A rc G I S 强大的分析功能,可以使研究(下转第157页142总第407期 金 属 矿 山 2010年第5期确定影响尾矿坝坝体稳定的主导因素,从而为加固治理措施提供设计依据。以毕肖普法对各随机变量进行敏感性分析,结果如图6所示。由图6可见:孔隙水压力的敏感性分析斜线斜率最大,该变量对安全系数的影响最大,当孔隙水压力

17、增加10%时,安全系数减少约0.02;其次是内摩擦角;然后是粘聚力;密度变异性对稳定性的影响最小。因而在整改加固措施中,应重点改善坝体排水设施,提高坝体排渗能力,尽量消除孔隙 水压力不确定性对该尾矿坝稳定的不利影响。图6 敏感性分析(毕肖普法%!重度;&!粘聚力;!内摩擦角;(!孔隙水压力(浸润线高度5 结 论(1在独木垅尾矿坝抗滑稳定分析和评价中引入蒙特卡洛法,充分考虑粘聚力、内摩擦角、密度等尾矿参数变异性和孔隙水压力不确定性等对坝体抗滑稳定的影响,求出了坝体稳定安全系数与安全系数可靠度指标,2个安全指标均表明坝体已处于临界稳定状态,需尽快采取整改措施。(2通过随机变量敏感性分析确定

18、了孔隙水压力是影响坝体稳定的最不利因素,从而提出了加强坝体排渗措施的整改建议。参 考 文 献1 胡明鉴,陈守义,郭爱国,等.某上游法尾矿坝抗滑稳定性浅析J.岩土力学,2003,24(2:254 258.2 秦卫星,陈胜宏,陈士军.有限单元法分析边坡稳定的若干问题研究J.岩土力学,2006,27(4:586 590.3 李宏儒,胡再强,陈存礼,等.金堆城尾矿坝加高方案数值模拟及稳定性分析J.岩土力学,2008,29(4:1138 1142.4 马萃林,朱 明,王建华.基于有限差分法的边坡稳定性研究J.金属矿山,2009(9:173 1755 王志旺,杨 健,张保军,等.水库库岸滑坡稳定性研究J.

19、岩土力学,2004,25(11:1837 1840.6 祝玉学.坝体可靠性分析M 北京:冶金工业出版社,1993.7 Ch o w dhuny R N.S lope Anal ysisM .Ne w York:E lsesvier S ci entific Publi sh i ng C o m pany ,1978.8 徐建平,胡厚田,张安松,等.坝体岩体物理力学参数的统计特征研究J.岩石力学与工程学报,1999,18(4:382 386.9 Dai S H,W ang M O .Reli ab ility Analys is i n Engi n eeri ng App licati on sM .N e w Y ork:s .n,1992.(收稿日期 2010 04 02(上接第142页人员在复杂的地形及地质采矿条件下迅速发现开采地表移动规律,掌握地表移动特征,为开采后塌陷区治理、土地复垦及环境保护提供了科学依据。4 结 论(1利用A rc G I S 的地统计分析模块可以对开采沉陷预计数据进行分析和处理,选取最优插值方法,创建完善的表面预测图,从整体上掌握地表移动特征,可以进行一些更为复杂的分析,大大提高了数据的可操作性。(2利用A rc G I S 软件的3D Analyst 模块可以对创建的表面进行沉陷面积和沉陷体积的自动