针对开采沉陷计算参数反演方法存在早熟收敛现象、容易陷入局部最优解的问题,提出将蚁群算法运用于开采沉陷计算参数反演:首先对反演参数的搜索空间进行离散,将参数反演问题转化为组合优化问题,然后建立了基于最大-最小蚁群算法的概率积分法计算参数反演流程。应用实例表明,蚁群算法对观测站测点缺失具有较强的抗干扰能力,较最小二乘法和模矢法有较好的拟合效果。

根据某矿区工作面的地质采矿条件、经验参数值和地表移动观测站实测资料,基于Matlab运用曲线拟合法,采用概率积分函数模型编程,求出在该工作面地质采矿条件下的地表移动变形预计参数,并利用所求参数,通过Matlab编程实现了工作面走向和倾向方向的下沉值和水平移动值的自动生产及其二维可视化,实测值和预计值的拟合残差及其中误差的自动解算,进而实现了采区地表任意点下沉值和水平移动值的自动计算及其三维可视化。

文中针对概率积分法在矿区地表下沉预测中预计点坐标与实地不对应问题,引入坐标转换理论,通过煤层走向坐标方位角及主断面开切眼位置获取坐标转换参数,从而建立概率积分法计算坐标系与矿区实地坐标系的坐标转换模型,实现了预计点位与实地位置的一一对应。实例分析表明,该方法能够根据预测点三维坐标有效直观地反应出矿区地表下沉情况,便于现场决策。

为建立地表移动的概率积分法计算参数与地质采矿条件之间的数学关系,以我国主要矿区的大量地表移动观测站实测数据为原始数据,采用逐步回归的方法建立了开采沉陷概率积分法参数与地质采矿条件之间的统计回归公式。采用中误差和威尔莫特一致性指数(WIA,Willmott’sIndex of Agreement)对回归公式的精度及预测能力进行评定,计算结果表明所建立的回归公式误差较小,各参数回归公式均具有较好的泛化性能。为进一步验证所建立的回归公式的正确性,以4个测试样本数据进行计算,计算结果与实测结果吻合。最后,以淮北某矿地表移动实测数据为例,计算结果表明采用统计规律所计算的概率积分法参数进行开采沉陷预计计算可以得到与实测相符的地表移动变形数据。研究成果为缺少实测资料矿区进行开采沉陷预测确定概率积分法参数提供了科学依据。

目前基于概率积分法求取地表移动预计参数的优化算法,如线性最小二乘法,具有易发散、易出现局部解、对初值要求较高、抗粗差干扰性弱等问题。遗传算法(Genetic Algorithm)是一种高效的全局寻优搜索方法,采用人工进化的方式对目标空间进行随机优化搜索。采用遗传算法,利用地表任意点的概率积分法数学模型编写了求取地表移动预计参数的程序,通过皖北某矿井的1013工作面的观测数据并结合地质采矿条件反演了地表移动预计参数,通过与传统的优化算法所求取的参数比较,证明了遗传算法反演结果的准确性和可靠性。

基于矿区开采沉陷具有沉降速度快、量值大的特点,针对使用合成孔径雷达干涉测量(InSAR)技术难以正确获取煤炭开采引起的地表下沉的全盆地信息的问题,提出了基于小基线集(SBAS)技术的概率积分法(PIM)获取矿区沉降量的方法。试验以陕西某矿52304工作面为例,首先采用SBAS技术得到下沉盆地边界,然后结合少量SBAS获取的边界点和RTK监测点(沉降量≥300mm)反演概率积分法参数及下沉盆地,最后将反演的盆地中心与SBAS获取的边界融合,完成了地表沉降的全盆地信息的提取。结果表明:52304工作面走向、倾向最大沉降量相对误差分别为0.2%、6.0%,该方法可以有效地解决In SAR技术无法监测矿区大梯度沉降问题,为In SAR技术在矿区开采沉陷监测提供了新的用途。

以变形沉陷预计系统中概率积分法的优势,结合ArcGIS的三维空间分析功能,实现了地表变形沉陷的三维可视化预计。此方法为变形沉陷地质灾害范围及破坏级别的划分提供了一种新思路,使煤矿开采引起建筑物变形的评估工作更加方便、直观。