多尺度下的沉陷区地表非线性变形机理研究

本项目以研究多尺度下特别是小时间尺度下沉陷区地表变形机理为重点，基于三个典型实验区多源动态变形监测数据，采用小波、EMD多尺度分析方法，混沌非线性理论及数值模拟和相似材料模拟等试验手段。重点研究：（1）多源动态监测数据的净化与变形信息提取融合模型；（2）依据多尺度分解和重构算法，采用不同的融合规则，分析地表在不同时间尺度下的变化规律，研究地表变形信息识别方法及微观演变机理；（3）建立各时间尺度下的地表微观演变的变形-破断-移动全过程非线性动力学模型；（4）构建基于多尺度特征并考虑地质采矿条件的非线性动态预计模型。通过上述研究，促进人们从更深层次上认识地表沉陷动态变形机理，掌握地表变形非线性动态规律。从而实现有效控制地表沉陷，改善资源安全生产和矿区地表的环境，取得较好的经济和社会效益。

本项目以研究多尺度下特别是小时间尺度下沉陷区地表变形机理为重点，基于多个典型实验区多源动态变形监测数据，采用小波、EMD多尺度分析方法，混沌非线性理论及数值模拟和相似材料模拟等试验手段，对矿区沉陷区多时间尺度变形机理及变形规律进行了系统研究。主要做了以下工作：.（1）系统研究了矿区沉陷区多源动态监测数据的净化与变形信息提取方法，采用小波及EMD技术对监测信号进行分析研究，构建了Wavelet-EMD降噪及趋势信息提取模型，通过仿真、相似材料模拟，实地观测数据验证等方法对模型进行测试，结果证实该模型具有较好的信号降噪及变化趋势提取功能；（2）基于采集的多源，多尺度信息，按分、1天，15天等不同的时间尺度，分析地表在不同时间尺度下的下沉速度/累计下沉/倾斜/曲率等不同观测量的动态变化规律，总结了地表变形信息识别方法及微观演变机理；（3）建立各时间尺度下的地表微观演变混沌非线性动力学预测模型。基于混沌识别和Hilbert-Huang变换技术，研究了混沌信号预测步长问题，构建了基于尺度分解的混沌非线性动态变形预测模型；（4）研究了采用GPS-RTK技术进行矿区地表动态监测的可行性，在对观测过程中产生的误差源系统分析的基础上，提出产生误差的主要原因为多路径及对中杆不稳定造成，基于此，提出基于测边交会和非完整球面拟合方法的一种矿区GPS-RTK动态观测新方法；（5）为研究地表塌陷型裂缝发育与地质采矿条件之间的关系，在对开采造成的地裂缝进行分类统计的基础上，针对塌陷型地裂缝，运用基于薄板理论的基本顶“O-X” 破断原理，结合岩层控制的关键层理论，分析了薄基岩浅埋煤层开采造成的地表塌陷型裂缝的形成机理，研究了塌陷型地裂缝的动态发育规律，并通过工程实例，验证了模型的可靠性；（6）结合高光谱遥感影像的光谱信息丰富特征，提出了一种高光谱遥感的历史样本非线性提取模型，通过对ENVI遥感影像自带的USGS、VEG等光谱库试验及结合Hyperion 高光谱影像实际实验，显示该方法可以较有效的识别出不同的纯端元，可为采用遥感影像进行矿区大面积监测提供技术支撑。