巷道贯通_毕业设计.doc

摘要开采沉陷规律的研究对国民经济的发展和人民生活的提高都有着重要的意义。为了能最大限度的减少由于开采沉陷而造成的损失，必须研究开采沉陷的规律，以便能够对开采过程中将会出现的沉陷状况有一个正确的预测。准确地确定矿区地表岩移参数，掌握矿区开采沉陷现状，并能够对沉陷做一个准确的预计，对矿区开采来说是十分必要的。本文以崔庄煤矿的三个工作面为研究对象，使用GPS-RTK对煤矿开采造成的沉陷进行观测，获取观测数据。根据观测数据绘制工作面的四个观测剖面图。在CAD软件中，根据已有的剖面图求出矿区沉陷的岩移参数，并利用Surfer软件绘制煤矿开采的预计下沉曲线图，包括下沉曲线图、倾斜曲线图、曲率曲线图、下沉速度曲线图、水平移动曲线图、相对水平移动曲线、绝对水平变形曲线图。关键词： 观测站, 数据处理, GPS , 水下, 开采沉陷IVAbstract The research of the law of mining subsidence on the national economy development and improvement of peoples lives has important significance. In order to reduce the loss caused by the mining subsidence，law of mining subsidence must be researched in order to give a correctly forecast about the subsidence situation in mining subsidence. Accurately determine the parameters of mineral earths surface rock moving, grasp the current situation of mining subsidence and make a precise estimate for the settlement, is very necessary to Coal mining. Three faces of Cuizhuang coal mining are chosen as the area of studying in this paper, and make use of Global Positioning System basing on Real Time Kinematic to observe the subsidence of coal mining. According to the observational data, we can draw four observed profiles of the face. In CAD software, we calculate the rock movement parameters of Mining subsidence. In Surfer software, we draw the future Subsidence curves of coal mining, including the sink curve, tilt curve, the curvature curve, the speed of the sinking curve, the level of the mobile curve, the relative level of the mobile curve, and the absolute level of deformation curve. Key Words： Observatory, Data Processing, Global Positioning System, Underwater , Mining subsidence 目录1开采沉陷概述11.1开采沉陷的产生11.2开采沉陷的模式22.观测设计52.1工作面概况52.2观测方案设计53 GPS-RTK数据采集143.1 RTK测量水面坐标143.2 测量锤法测量水深143.3 测前的准备工作153.4 外业数据采集154数据成图174.1 MSDFVS软件使用174.2 CAD绘图介绍174.3 Surfer8.0介绍185.移动变形量计算305.1在CAD上确定移动参数3052一般岩移参数的确定39总结44参考文献46致谢47英语文献翻译48 1开采沉陷概述1.1开采沉陷的产生地下开采引起围岩的位移和变形。随着采空区的扩大，破坏了周围岩体原始应力平衡，使得顶板岩层发生弯曲、离层、断裂和冒落。冒落岩石上方的岩层随破碎冒落岩石的压实继续下沉和变形，从而影响对地下开采工作的正常施工。在大面积开采时，可波及地表，从而引起地表的下沉、变形和塌陷。在波及范围内，井巷、地面建筑、铁路、水利设施、耕地等都将受损，甚至破坏；如波及水体，将使矿井受到水害。人们很早就意识到由于认为的采集地下资源造成地表沉陷这一现象，早在1516世纪时,比利时曾公布法令，禁止从事破坏列日城供水的开采。其后随着工业的发展，人民大量采集地下工业能源，在19世纪以后，由于煤矿大量开采造成的地表沉陷引起人们的重视，在工业高度发展以及采煤引起严重地表沉陷地区的德、英等国都相继制订有赔偿开采损害的法律。为了解决有关赔偿的争端，开始了矿山地表移动的观测研究工作。从1950年到现在，岩层与地表移动的科学研究工作获得了蓬勃的发展。我国幅员辽阔，拥有大量的矿产资源，目前我国在建筑物下、铁路下和水体下的压煤多达百亿吨。因而综合考虑各种沉陷发生条件，研究开采影响下的山区地表移动规律，对于山区及丘陵地带的“三下”采矿和采动建筑物的保护，并有保证的开采地下留煤，有重要的理论意义和重大的实用价值。而对地表的沉陷的观测来了解地表以及开采面变形情况，就变得十分重要。目前随着科技的发展，测距仪、全站仪以及GPS在此领域已经得到了非常广泛的应用，在此基础上实现岩层地表移动数据的大量快速的采集、处理变得越来越适应要求。1.2开采沉陷的模式1.2.1岩层移动形式和分带 有用矿物采出以后，采空区周围岩体失去原来的平衡状态而发生移动。这类运动极其复杂，视具体条件不同而不同，具有显著的个性与随机性。一般来说，矿山岩体作为种地质体，固体介质，变形初期多呈弹性，其后为非弹性，有些最终导致破坏。岩体的弹性变形，在开挖后立即完成，其值甚微。在矿体大量开挖后所出现的大范围和大规模的围岩运动，主要是由岩层的非弹性变形引起的，这类大规模运动的发展过程遵循一定的模式。 矿体采出后，采空区顶底板和两帮形成了自由空间，围岩中应力应变重新分布，产生应力集中，瞬间以弹性变形形式完成。当开采空间跨度足够大，即使是完整坚硬的顶板，也会因强度超过极限而垮塌、冒落，侧帮压垮、片帮。实际上，由于大多数岩体都含有各类地质弱面，如断裂、破碎带、层理、节理、片理等，将岩体切割成为一系列弱联接的嵌合体或各式各样组合体，这种岩块体在围岩应力与自重共同作用下，当矿体采空，在紧靠采空区的块体被暴露以后，临空块体就发生移动，满足失稳的力学和几何条件的块体先行垮落，并将这种过程传递给相邻后方块体，随之垮落相继发生，顶板岩块的移动逐渐发展，破裂区逐渐扩大。当然，垮落和相对滑移都是以有白由空间为条件的，当垮落岩块碎胀，沿弱面滑移岩块发生一定程度剪胀，当碎胀与剪胀体积之和等于采出空间时，垮落也发展到相应高度并终止。垮落停止后，囚矿体采空而转移到采场周围的覆岩重力通过压密垮落岩体而恢复干衡。在此过程中，裂缝将继续发展，并随压密过程止息而逐渐停止下来。1.2.2地表塌陷、破裂与连续变形当煤层被采空后，上覆盖岩层的原始状态遭到破坏，煤层以上的一定岩层发生冒落，冒落范围叫冒落带。冒落带以上一定范围的岩层产生沿层面和垂直层面的裂缝和断裂，出现裂缝和断裂的区域叫裂缝带。裂缝带以上直至地表的岩层发生下沉和弯曲，呈现出整体移动，叫整体移动带。处于弯曲带上部的地表各点向采空区中心方向的移动，并形成地表下沉盆地。上述过程统称为岩层移动，对地表而言则称地表移动。1.3地表移动指标从地表移动的力学过程以及煤矿生产建设中的一系列工程技术问题出发，地表移动的状态可用水平移动和垂直移动描述。其具体的定量指标有：下沉、倾斜、 曲率、水平移动、水平变形、扭曲 和剪应变。目前对于扭曲和剪应变使用尚不广泛。下沉：地表点沉降叫下沉（W）。以本次和首次测量得到的点的标高差h表示。即： W=h1-h2=h 式（1-1）公式中 h1 、 h2 为第一次和第二次测量的点的标高差倾斜：地表下沉盆地沿某一方向的坡度叫倾斜（i），也叫斜率。其平均值以两点下沉差W除以点间距L0表示，即： iAB=（WB-WA）LAB0 式（1-2）曲率：下沉盆地剖面线的弯曲度叫曲率（K）。其平均值以相邻两线段倾斜差T除以两线段中间的间距表示水平移动：地表下沉盆地点沿某一水平方向的位移叫水平移动（u），以本次与首次测量得到的从该点至控制点的水平距离差L来表示。水平变形：下沉盆地内两点间单位长的水平移动差叫水平变形。其平均值以两点间水平移动差u除以两点间距表示。2.观测设计2.1工作面概况崔庄煤矿33上01、33上02、33下01辅助工作面，33上01、33上02、33下01辅助工作面皆位于微山湖下采用综放开采技术，属于提高开采上限工作面，3上煤工作面上山位置接近第四系松散层。三个工作面采用共同的湖底地面标高，为+32.5m，是崔庄煤矿此次观测任务执行时的正常水位标记。33上01工作面是辅助三采区的第一个工作面，其南面是井田边界，北面是辅助运输巷，东面靠近DF19断层，紧邻一采区采空区，西面为33上02综放工作面。其倾向长度为410m，走向长度为121m；33上02(辅)工作面是辅助三采区的第二个工作面，其南面是井田边界，北面是辅助运输巷，东面为33上01(辅)试采综放工作面，已经开采完毕，西面靠近SF1断层。其倾向长度为600m，走向为147m；33下01(辅)工作面是辅助三采区的第三个工作面，其南面是井田边界，北面是辅助运输巷，东面靠近DF19断层和一采区采空区，西面为33下02（辅）工作面，上面为33上01（辅）试采工作面采空区。其倾向长度为483m，走向长为117m。2.2观测方案设计观测区域位于水下，水下开采沉陷观测的开展关键是受水域埋点的限制，不能利用常规的陆上观测方式进行测量，根据目前测量技术，现设计水下沉陷观测方案。2.2.1地形差分观测方法采用数字地形测绘法，该测区位于微山湖水下，埋点难度较大，因此根据采前、采动中及采后数字地形，采用差分运算，对比分析确定33上01、33上02、33下01辅助工作面湖区下沉值，绘制下沉等值线确定各种移动角值及下沉系数，但求水平移动与水平变形量难度较大。观测方法：沿走向布设8条观测断面和沿倾向分别布设12条观测断面，按各断面线方位角，采用GPS-RTK观测技术沿该断面线观测，每隔30m测一个坐标（x,y,z）。观测断面如图所示： 图2-1 因测区全部位于湖区，且水中多为渔民养殖区，按设计间距步点难度较大，为此，在实际观测中应加强最大下沉处、拐点处、移动边界处观测工作。2.2.2参数设计根据崔庄煤矿以往工作面开采观测的地表岩移观测参数，并参考滕南矿区蒋庄煤矿、岱庄生建煤矿，柴里煤矿地表岩移参数，取定各参数如下： 走向移动角：=75 上山移动角：=75 下山移动角：=70 最大下沉角：=90-0.6 松散层移动角：=45 煤层移动角的修正值：=20 为煤层倾角2.2.3走向与倾向主断面观测线平面位置设计 根据实际情况，观测线设计有以下要求：对于走向主断面观测线的设计，应根据最大下沉值，在倾向主断面上确定出最大下沉点，通过该点沿矿体走向做剖面线，即得到走向观测线平面位置，并且依据移动角值确定开采影响范围的边界点。 对于倾向主断面观测线的设计，观测线位于主断面内，和走向观测线垂直，在走向主断面图上自开切眼用(-)角和角向工作面推进方向划线交湖底于E点，倾向线必须在工作面推进方向上超过E点的位置。 走向主断面观测线的长度应保证两端（半条观测线时为一端）超出采动影响范围，以便建立观测线控制点和测定采动影响边界。设站时移动盆地边界是根据地质采矿条件类似的其它矿区的沉陷参数类比确定的。2.2.4.1走向观测线的具体设置方法：自开切眼向工作面推进方向，以角值(-)划线与基岩和松散层交接面相交，再从交点以角划线与湖底相交于H点。H点便是不受邻区开采影响的点。在工作面停采线处，向工作面外侧用(-)角划线与基岩和松散层的交接面相交于一点，再从此交点用角划线与湖底相交于F点。在HF方向上设走向观测线。要求走向观测线和倾斜观测线垂直、相交，并稍微超过交点一段距离得G点（G点不得超过E点），HF便是走向观测线的工作长度，如图2-2，走向观测线长度HF按下式计算： 式（2-1）式中： h表土层厚度 H0采深工作面走向长度33上01、33上02、33下01辅助工作面地走向观测线长约600m。 图2-2 走向主断面图 图2-3 倾向主断面图 2.2.3.2倾向观测线的具体设置方法:倾向主断面观测线长度是在移动盆地主断面上确定的。自采区的上、下边界分别以(-)和(-)划线与基岩和松散层交接相交，再从交点以角划线交于湖底A、B点，AB即为倾斜观测线和工作长度。如图2-3。AB段的长度可按下式计算： AB=2hctg+(H1-h)ctg(-)+(H2-h)ctg(-)+Lcos 式（2-2）式中： L工作面的倾斜长度； ，下山移动角及其修正值； ，上山移动角及其修正值； H1，H2分别为采区下边界和上边界的开采深度。33上01、33上02、33下01辅助工作面倾向布观测线长约800m。2.2.4观测方法设计崔庄煤矿微山湖区开采沉陷观测使用GPSRTK仪器，测定沉陷区水下地形，绘制沉陷区地形图，并与开采前的地形数据进行差分处理，求得下沉值，然后沿33上01（33下01）与33上02辅助工作面走向与倾向主断面作剖面求岩移角值。崔庄煤矿微山湖开采沉陷区水下地形测量工作主要包括定位和测深两大部分。传统的水下地形图测量方法主要有采用经纬仪配合测距仪经纬仪交会、全站仪获取水下地形点的平面位置，然后利用测深杆法、测量锤法等获得该平面位置处的水深 ,从而获得水下点的三维坐标。近几年来，随着 GPSRTK技术的成熟，使用GPSRTK测量水下地形图优势明显，此次测量工作就是使用GPSRTK技术对崔庄煤矿开采沉陷区水下地形进行测绘。2.3 GPS-RTK定位技术简介2.3.1GPS-RTK原理实时动态测量系统，是GPS测量技术与数据传输技术相结合，而构成的组合系统，是以载波相位观测量为根据的实时差分GPS测量技术。与传统的GPS测量相比，RTK测量技术能够在外野观测时实时给出观测站的定位结果，并对基准站和用户站观测数据的质量，进行实时的检核，避免了在数据后处理中发现不合格测量成果而需要进行返工重测的情况。可以说，RTK测量系统的开发成功，为GPS测量工作的可靠性和高效率提供了保障。此次对崔庄煤矿的观测，使用的是配备RTK技术的GPS准动态相对定位模式，其大致的作业过程为：在测区选择一基准站，置接收机，设置完成相应参数后，置另一接收机于起始点观测数分，以便快速确定整周未知数（同时设置电子手簿链接）。在保持对所测卫星连续跟踪的情况下，流动的接收机在待测点各观测数秒，但是如果接收机与卫星发生失锁现象，在失锁后的流动点上，应将观测时间延长至数分。也就是说，RTK实时差分动态测量中，两台接收机都在观测卫星数据，同时基准站通过其发射电台把所接收的载波相位信号发射出去；那么，流动站在接收卫星信号的同时也通过其接收电台接收基准站的电台信号；在这两信号的基础上，流动站上的软件就可以实现差分计算，从而精确地定出基准站与流动站的空间相对位置关系。2.3.2 GPS-RTK观测精度及误差来源 在稳定的观测条件下，由于仪器标定误差的影响，使用GPS-RTK技术测量基线中误差可达（1025）mm+1ppm*D（D为基站到流动站的直线距离，在观测中要求流动站与基准站的距离一般不超过15km）。在不考虑基准站与流动站之间定位误差的影响下，流动站确定的待测点高程误差要比平面误差大，一般情况下，平面误差为10mm+1ppm，高程误差为20mm+1ppm。其精度如下：mx15，m615，mz25。由此可见，其平面观测精度与全站仪观测精度相当，而高程观测精度比水准测量精度要低，由于崔庄煤矿湖下开采引起沉陷属于大变形，GPS-RTK监测精度能够满足确定移动与变形规律及求岩移参数的要求，在观测中使用美国Trimble公司生产的先进GPS-RTK接收机，以提高GPS-RTK观测精度。在野外的水下地形观测中，影响测量结果的误差有以下几项：1.定位误差；2.测深误差；3.水位观测误差；4.定位系统和测深系统不匹配产生的误差。1）定位误差的来源：定位误差主要由坐标转换误差和偏心改正误差引起的，偏心改正误差即是定位中心和测深中心不重合，它们之间的差值就是偏心值。2）测深误差的来源：就是测量水深时的操作失误或测量仪器本身的缺陷造成测量结果不准确，在测量前应该对测量仪器进行检测，提高测深的精度。3）水位观测误差： 对水位的观测确定整个测量工作的基准面，是测量工作控制基础，测区位于微山湖湖区内，其湖区水位有效控制在水准高程32.0m。在湖面较为平静的情况下其水位不会发生较大变化。4）定位系统和测深系统的不匹配： 测量水深使用锤测法，其定位与测深工作间的时间与测量位置的匹配与参加测量工作的相关人员的实际操作的准确性和规范性密切相关。在实际的测量中，影响观测精度的主要因素有：1）基准站的坐标精度。如果基准站的坐标精度较低，流动站得到的三维坐标都会有系统偏差，因此基准站坐标具有较高精度非常重要。2）RTK的传播距离，即流动站与基准站的距离。3）作业环境。基准站的选择，应该避免大功率无线电发射台，如高压线、变电站和飞机场。4）人员因素。如作业不熟悉导致的操作错误;如果电瓶电量不足，也会降低流动站测设坐标精度和可靠性。2.3.3 减弱和消除误差方法即使在野外测量中，根据卫星定位确定了非常高的精度，但空间相对定位获得的数据并不是我们最终需要的结果，因为我们平常使用于工程建设的坐标系是北京54坐标系或西安80坐标系，而GPS-RTK直接确定的是全球通用的WGS-84坐标系，根据实际情况，需要通过坐标转换对GPS-RTK的测量成果进行转换。一般情况下，RTK内存在相应的坐标转换软件对相应的定位结果进行实时的转换，转换时根据模型，对高程采用平面拟合或二次曲面拟合模型，利用已知高程点计算出该测区的待测点的高程异常，从而求出他们的高程。坐标转换的精度由转换参数的准确性确定，而转换参数误差则由已知点的分布及其精度影响。在转换中，当用三个以上的平面已知点进行校正时，计算转换四参数的同时会给出转换参数的中误差，为了保证RTK的高精度,最好有三个以上平面坐标已知点进行校正，而且点精度要均等，并要均匀分布于测区周围,要利用坐标转换中误差对转换参数的精度进行评定。由于测区位于湖内，此次测量工作在实际中使用无潮位改正方式进行水深测量测量结果害会受到船体的摇摆、采样速率、同步时差及RTK高程的可靠性等因素造成误差影响。这些误差影响甚至远超过卫星定位误差和坐标转换误差，因此消除或减弱这些误差对测量精度造成的影响，是非常必要的，相对于此所采取的提高测量精度的措施有：基准站应选择在合适的地点；根据卫星星历预报，选择几何图形强度因子较小、卫星数量较多，湖面无风无浪的时间段进行测设；适当延长在每一个待测点的时间；流动站天线尽可能保持垂直，以确保测设出的数据是固定解；流动站的作业半径保持在10km内为最佳，使用定向天线或电台中继站可提高流动站与基准站间信息传输的可靠性；供电电瓶电量要足，最好有备用电池；求取转换参数时，要严格检查各控制点的坐标，并仔细检查RTK点校准的H残差和V残差，看其数据是否在允许的范围内。可知，在湖底变形测量工作中，影响测量精度的主要因素依然是水深的测量误差。通过在测区内进行一定密度的地形观测，在密度足够情况下通过相邻地形点间高程拟合，确定地形点高程的最可靠值。并根据采空区地形沉降的一般规律，在采煤工作面周边不受沉降影响的区域内，通过对其高程测量值与开采前原有的测量数据进行对比，评判测量的精度，并确定相应改正值，对测量高程进行改正，以最大程度的减小水深测量误差的影响。根据最后的测量结果和以往资料及理论分析，求得地形沉降值，其测量误差随沉降量的增大而增加，其沉降符合一般采空区地形沉陷的规律。3 GPS-RTK数据采集3.1 RTK测量水面坐标GPS-RTK系统由一个基准站、若干个流动站（在此次测量工作中使用一个流动站）及无线电通讯系统三部分组成。基准站包括GPS接收机、天线、无线电通讯发射系统、供GPS 接收机和无线电台使用的电源及基准站控制器等部分。流动站由GPS 接收机、天线、无线电通讯接收系统、供GPS接收机和无线电使用的电源及流动站控制器等部分组成。基准站将接收的所有卫星信息 (包括伪距和载波相位观测值) 和基准站的信息（如基准站坐标天线高等）通过无线电通讯系统传递到流动站, 流动站在接收卫星数据的同时也接收了基准站传递的卫星数据。在流动站完成初始化后, 将接收基准站的信息传递到控制器内并将基准站的载波观测信号与本身接收到的载波观测信号进行差分处理, 即可实时求得移动站的坐标。在待测点进行测量时，设置GPS 接收机（流动站），在某一时刻同时接收到5颗或5颗以上卫星所发出的信号，通过数据处理和计算可求得该时刻接收机天线中心（测站点）至卫星的距离。根据卫星星历可查到该时刻3 颗卫星的三维坐标 xj yj zj(j=1，2，3，) 从而可解算待定点的三维坐标。3.2 测量锤法测量水深崔庄煤矿微山湖开采沉陷区水最深处将近10m，不宜采用测杆法进行测量，此次使用测量锤法对水深进行测量。将系有绳索的测量锤垂直投入湖下，在落到湖底并稳定后将绳索提直，此时绳索在水面点到测量锤的长度即是此处水深：H = Hs D 式（3-1）其中：H为水下地形点高程Hs为对应处的水面高程D为由测量锤获取的水深。最终获得的水下地形点的三维坐标是（xj, yj, zjDS），（其中S是由水面到GPS接收机的距离，一般情况下为固定值）。具体施测过程如下：3.3 测前的准备工作收集测区的已知两个E级GPS控制点，作为12000水下地形图测绘控制点。这两个控制点分别是崔庄煤矿办公主楼楼顶的控制点和崔庄煤矿旧办公楼楼顶的控制点。配有两台天宝5800GPS接收机（其中一台作为基站，一台作为流动站），一台无线电通讯发射系统（电台）与基站相连，一部流动站和基站的控制器，还应配有给GPS和电台供电的电源。由于测区距离基站较远，并且测区范围全部位于微山湖湖区内，所以还配有面包车和搭载测量船，测深工具。在测前进行野外踏勘工作，根据收集到的矿区采掘工程图到测区进行实地考察，了解测区实际情况，得知测区全部位于湖内，且离湖岸较远。为检验RTK测量的点位精度能否满足沉陷区测量精度要求，利用RTK测量矿区控制点点位较差中误差与高程较差中误差，其精度均满足要求。以上数据表明只要参数转换正确，测量精度完全可以满足沉陷区三维测量精度要求。3.4 外业数据采集崔庄煤矿微山湖开采沉陷区水下地形测量于2009年3月4日开始，从开始进行的外业测量工作，至外业测量结束共六天的时间。首先进行定向工作，将一台GPS接收机架设在办公主楼的基站上，并将GPS与电台、电源与天线按照正确的方法连接起来。打开GPS电源和电台，将电台调节到使用的频道，打开电子手簿，设置好记录、接收机数据格式、天线偏差改正及延迟校正等数据，将接收机与控制器信号链接起来。在基站上的设置工作完成后，携带另一台GPS到旧办公楼的控制点上去，进行定向测量和检校，在两次测得的点坐标与原坐标差不超过10cm时，就认为RTK初始化正确。在起始数据的采集检校完成后，即可进行测区内碎步点的测量工作。在崔庄煤矿微山湖开采沉陷区内，将电子手簿与流动站接收机链接并进行相应改正完成后，在GPS同时接收到5个或5个以上的GPS卫星的信号时，就可以进行观测（测区位于开阔的湖面上，上空不受障碍物的阻挡，也没有其它电磁干扰，接收信号良好）。在选定的测区湖面上的一点停船，在船停止并稳定后将测量锤垂直抛到水下，量取测量锤到水面的绳长作为水深，此时通过手簿控制流动站接收机测得接收机位置的三维坐标，若稳定接收机在船上的位置，在理想情况下，接收机测得的三维坐标其高程恒为一个固定值，对高程进行改正并加入水深测量值，所得的最后数据即湖底地形点的三维坐标。在实际的测量工作中，根据现场操作时出现的问题，应根据设计进行相应的改正。根据要求平均每30m左右测量一地形点，在现场还应综合考虑各种因素后，按要求，在水下地形变化较为剧烈的区域，测点密度相应增加，以求真实反映测区水下地形。在每次微山湖开采沉陷区测量前都要进行定位检核和校正工作，以确保测点的准确性。测量工作应在测量船完全稳定后进行，在这几天的野外测量期间，天气环境较好，无大风影响。4数据成图数据处理方面主要运用矿区地表沉陷可视化系统AutoCAD、Surfer、MSDFVS软件来完成的。4.1 MSDFVS软件使用 MSDFVS是山东科技大学自主研发的一个基于地理信息平台MapInfo的软件，也就是说，在运行系统之前必须安装MapInfo软件。MSDFVS是集变形观测数据处理和沉陷预计为一体的软件而MSDDPS是单一的变形观测数据处理软件。此次处理任务使用MSDFVS进行数据处理。使用MSDFVS处理数据，有相关使用说明书“MSDFVS与MSDDPS的使用方法。其基本处理步骤，在进入系统以后，建立工作面、录入数据、进行数据计算，最后在数据可视化项中绘制各种变形曲线图。4.2 CAD绘图介绍本次使用AutoCAD2004对沉陷区的采集数据在MSDFVS软件处理生成沉降等值线图的基础上进行分析，在沉降特征点上做走向和倾向上的4个观测剖面并做剖面图，其具体方法为：选择观测线主断面的平面位置，在同一断面内，确定观测原点，即沉降的起始点的位置，并以此作为测量水平距离和高程沉降的起始点，在CAD图上建立坐标系。在建立的坐标系中，以纵坐标为沉降值，沉降量不会超过7m，以横坐标为点到测量起始点的水平距。从原点依观测线向沉陷区推进，平均每隔30到50m测量其到起始点的水平距离，并根据周围点的观测高程沉降值和沉降等值线图确定此点的沉降值，并将此点在坐标系中标注出来。在将同一断面内一系列的点全部测量完成并标注后，将相邻点用曲线连接起来并处理曲线使其变得更为光滑。在实际处理中发现，断面整体完全符合沉陷规律，而对于在图上测量的每一个点则由于误差的原因与实际有很大的出入，因此点的连接以及曲线应根据实际情况，考虑工作面沉陷规律绘制。根据矿区工作面平面图上的信息，确定观测线通过工作面边缘时的交点到起始点的水平距离，并根据资料确定此交点工作面的地下采深，以确定开采工作面在剖面上的实际位置，并标注到剖面图上。4.3 Surfer8.0介绍 4.3.1 简介 Golden Software Surfer 8.0 (以下简称Surfer)是一款画三维图（等高线,image map, 3d surface）的软件，该软件简单易学，可以在几分钟内学会主要内容，且其自带的英文帮助（help菜单）对如何使用surfer解释的很详细，其中的tutorial教程更是清晰的介绍了surfer的简单应用，应该说surfer软件自带的帮助文件是相当完美且容易阅读的,只要学过英语的人都可以很快上手。 Surfer是具有插值功能的绘图软件，因此，即使你的数据是不等间距的，依然可以用它作图。但最好不要使用Surfer自带的插值功能，尤其是要精确确定等高线时。Surfer的主要功能是绘制等高线图（contour map），此外它还可以绘制post map， classed post map， vector map， image map， wireframe map， 3d surface map，等形式的图形。其功能是比较强的，但没有各种投影变化是它的一大缺点。尤其是在等高线领域，这不能不说是它的应用受到限制的地方。4.3.2等高线的绘制 Surfer的最主要的功能是绘制等高线图，但并不是我们具有了数据文件就可以直接绘制等高线，surfer要求绘制等高线的数据有特殊的格式要求，即首先要将数据文件转换成Surfer认识的grd文件格式，才能绘制等高线（当然，可以直接生成surfer接受的ascii 码的grd文件格式，这样就可以直接作图，此方法将在后面介绍，首先我们介绍常用的作图方法）。假设你有三列数据分别为X，Y，Z，其中Z为点（x，y）处的值，存在文件test.dat中（数据见附件），其中第一列是X坐标，第二列是Y坐标，第三列是（x，y）上的值Z，则绘制等高线的步骤如下： 步骤一：把数据文件转换成grd文件 1. 打开菜单Grid | Data. ,在open对话框中选择数据文件test.dat 2. 这会打开“Grid Data”对话框。在“Data Columns”中选择要进行GRID的网格数据（X和Y坐标）以及格点上的值（Z列），这里我们不用选择，因只有3列数据且它们的排列顺利已经是XYZ了，如果是多列数据，则可以在下拉菜单中选择所需要的列数据。选择好坐标XY和Z值后，在“Griding Method中选择一种插值方法（如果你需要比原始数据的网格X和Y更密的Z数据，或是你的网格是非均匀的），则在Grid的过程中，Surfer会自动进行插值计算，生成更密网格的数据。如果你只是想绘制原始数据的图，不想插值，则最好选择距离平方反比法（inverse distance to a power）或Kriging方法。因为这两种方法在插值点与取样点重合时，插值点的值就是样本点的值，而其它方法不能保证如此。 在Output GridFile“中输入输出文件名test.grd，然后在“Grid Line Geometry”中设置网格点数。这里需要注意的是，当X和Y的数值相差很大时，这里显示的最大最小值可能有错误（即与原始数据不同），这是Surfer软件本身的问题，遇到这种情况，必须手动改正这种错误，即输入正确的最大最小值。由于我们的数据没有此类问题，因此不必手动改正最大最小值。但必须手动改正X和Y的间距“spacing” 或数据个数“f”，这二者是相关的，改动一个，另一个自动改正。如果你的原始数据是等间距的，这里的X和Y的间距“spacing或”f“ 最好与原数据一致，这样可以减少插值带来的误差。我们的数据是不均匀的，所以必须插值，这里可以不进行任何改动。好了，点“ok”，画图所需要的grd文件test.grd就生成了。 步骤二：画等高线 打开菜单“Map|Countour Map|New Countour Map，在“Open Grid”对话框中选择刚才输出的grd文件，如test.grd，点“ok”，则一副等高线图就画完了。 步骤三：等高线图的设置 在所画的等高线图中双击鼠标，或点击右键，选中“属性”，就会出现设置等高线的各种属性，在图的边缘双击鼠标则可以改动坐标轴的属性。 等高线图的着色（fill）和设置 双击等高线图，就会出现“map：countour properities”对话框，现在介绍此对话框中的设置。 “General”选项卡中： 1、“input grid file” 为打开的等高线图的grid文件名，你可以修改此处，打开不同的文件（几乎没人这样做），点一下打开文件图标旁的“i”图标，则可以看到当前grid文件的基本统计信息，如最大最小值等。 2、“filled countours” 选中fill countour（在前面的方框中点一下鼠标），就可以画着色的等高线图了，如果再选中下面的“color scale”的话，则可以在等高线图旁边给出色彩棒。 3、“smothing” 选中的话可以对等高线进行平滑，在amount中有“低、中、高”三种选择。这一项一般可以不选，除非你画出的等高线图中的等高线非常的不平滑，这项只起到美化图形的结果，没有更大的意义。4、“blanked regions” 这项可以对空白区域进行着色，只有在你的等高线中有空白区域时才有意义，一般不用。 5、“fault line” 可以设置等高线的粗细颜色等。“Levels” 选项卡中：1、“level” 点击“level”可以设置等高线的最大最小值和等高线间的等高距，这可以对所有的等高线发生作用，通过调节此项可以使等高线分布均匀，易于看清楚，作图更美观。如不想人为改动，可用缺省值。双击level下面的数字，可以单独更改等高线的值，但要注意等高线从小到大的规律，不能瞎改。 2、“line” 点击“line”可以设置等高线的线型。 3、“properities” 选中“uniform”，则线型是统一的，选中“gradation”，则线的颜色是渐变的。选择好“properities”后，就可以更改下面的线型（style）和颜色（color）已经线的粗细（line）。当选“gradation”时，线的颜色是渐变的，点一下color旁边的颜色区，就会出现“color spectrum”选项，点一下“盾形”图标（在颜色条的左右两端上方），就可以分别点选下面的颜色了，当然，也可以自己加入“盾形”图标，加自己的颜色。或是用“load”调用调色板文件（*.clr)，在surfer8目录下就有。“affected levels”可以有选择的对等高线的线型颜色进行设置，只要改改那里边的三个数字，很快就会弄明白。此外，还可以通过双击line下面的线来改变某一根等高线的具体属性。 4、“fill” 此选项只有在着色等高线图中才有效，对单独的等高线图无作用。点击“fill”设置着色。着色与“line”选项中的内容类似。同样，可以通过双击“fill”下面的具体颜色条来对特定的等高线区域进行着色。 5、“labels” 设置等高线标注数字，比较简单。双击下面的“yes”或“no”可以改变是否显示标注。 6、“hach” 用来画等高线的上下方向（即上山或下山方向），一般不用。 7、“add”和“delete” 在右边的按钮。当选中某一level后，点“add”按钮可以在两个level之间插入一新的level。Delete按钮则删除选中的level “view”选项卡中 用来调整等高线图的整体方向，除了在3d surface情况下，一般不用。 “scale”选项卡中 用来设置xyz轴的比例，可以调整其长度选项。一般情况不需调整，除非X和Y相差很大，为了方便看图可以调整其到合适的长度。 “limits”选项卡中： 可以用来裁剪等高线图（通过设置xy的最小最大值），从而得到感兴趣地方大小的图形。 “background”选项卡中： 可用来设置背景填色，一般不用。 横纵（xy）坐标轴的设置： 双击横轴和纵轴所在的位置，就可以打开坐标轴属性对话框 “map bottom（or left or top or right）axis properties”下面以bottom轴为例，其它类似： “gernal” 选项卡： “Title”， 在空白处可以输入轴的说明或图的说明文字，用“offset along” 和“offset from”可以设置说明文字的位置，“font”可以选择字体，“angle”可以选择文字的旋转角度。“labels”，设置轴的刻度值。 “axis plane”设置轴平面，一般不改动。 “axis”设置轴线属性。 “ticks”选项卡： 设置轴线上刻度的长度，方向，主刻度和辅助刻度。 “scaling”选项卡： 设置刻度值（label）的起始值(first major)，间隔（major）和最后值(last major)。其它值一般不修改。 “grid lines”选项卡： 用来设置等高线图的坐标网格，用鼠标点击“show”即可。 此外，以上等高线的所有属性都可以通过双击左边的“object manager”（或在“view”菜单中）属性窗口来设置，与直接在图中设置无异。 5.移动变形量计算5.1在CAD上确定移动参数按设计的湖下沉陷观测方案，实测了沉陷区的湖底标高，将采前湖底标高与采后湖底标高进行差分数据处理，可得湖底下沉值。然后分别沿33上01（33下01）、33上02辅助工作面走向主断面取走向线3、走向线4作剖面，绘制下沉曲线图，可获得33上01（33下01）与33上02辅助工作面走向方向的移动角值与边界角值。沿倾向主断面倾向线6、倾向线7作剖面，并绘制下沉曲线图，可求得上山与下山方向移动角值与边界角值。为了增加数据可靠性，走向各种角值取两条线的平均值，倾向两条剖面图因33上01（33下01）与33上02辅助工作面采厚不一样，故采用采厚来定权，取两条线各种角值的加权平均值。各剖面图绘制方法：首先选取各主断面影响区域外一点为基点，每隔30m选取一下沉值点，直到主断面线与另一端影响区域之外为止，然后在AutoCAD中将水平距离与垂直下沉值分别取不同比例建立坐标系，展绘各下沉值点，并连接拟合成光滑的下沉曲线，根据工作面开采边界至断面线基点的距离，及煤层倾角与厚度及开采深度按水平比例尺绘制该剖面对应的煤层采空区，在该图上取下沉值10mm为确定边界角的临界值，取下沉值100mm为确定移动角的临界值，确定各剖面包括第四系与基岩的综合边界角与移动角，再取第四系移动角为45，进一步确定各种线基岩边界角与移动角值。根据崔庄煤矿观测线垂直变形观测数据差分得到33上01、33上02、33下01辅助工作面开采湖区下沉值分布如下：1、 走向线3最大下沉值： 6290mm 2、 走向线4最大下沉值： 5250mm 3、 倾向线6最大下沉值： 3900mm 4、 倾向线7最大下沉值： 6115mm 5.1.1移动角值确定1）边界角确定准则根据湖底下沉盆地边界点下沉值为10mm的标准来确定。2）移动角确定准则根据一般转石结构的建筑物的临界变形值（倾斜I=3mm/m，曲率k=0.2103/m，水平变形=2mm/m）来确定。3）拐点偏移距确定准则拐点是指在移动盆地主断面上下沉曲线凹凸的分界点。拐点的位置从理论上讲应位于工作面开采边界的正上方，但由于工作面边界的顶板并不切煤壁冒落或呈阶状弯曲，存在悬顶距，因此，拐点不在工作面开采边界的正上方，而略偏向采空区或煤柱一侧。在湖底下沉达到充分的情况下，拐点处的下沉值约为最大下沉值的一半。根据拐点的下沉值约为最大下沉值的一半这一性质，可在下沉曲线图上确定拐点位置。确定拐点位置后，将拐点投影到煤层上得到计算边界，量取实际开采边界和计算边界之间沿煤层的距离，就可得到拐点偏距。若计算边界在实际开采边界的采空区一侧，拐点偏距取正值；若计算边界在实际开采边界的煤柱一侧，拐点偏距取负值。4）最大下沉角确定准则所谓最大下沉角，就是在倾斜主断面上，由采空区的中点和湖底移动盆地的最大下沉点连线