摘要：矿山开采一直是国家经济迅速发展的有效保障，而在开采过程中，可能会因开采沉陷区变形而产生各种影响，其变形规律与矿区生活、工作群众等各个方面有着直接关联，因此有必要对沉陷区变形规律加以预计，判断其基本趋势，以此来作出合理应对，该种情况下，很多矿区开始在变形规律预计中引入ArcGIS技术，并取得了较好的成果。文章基于ArcGIS的矿山开采沉陷区变形规律预计展开了论述与研究。

　　关键词：ArcGIS；矿山开采；沉陷区；变形规律；预计

　　探究基于ArcGIS的矿山开采沉陷区变形规律预计，需了解开采沉降预计的基本内容及其对地面建筑物产生的各项影响，以此为基础引入ArcGIS技术，搭建ArcGIS系统，实现系统在矿山开采沉降区变形规律预计中的具体作用，强化对变形规律的研究与把握，从而保证沉陷区开采安全。

　　1开采沉陷预计内容分析

　　结合统计标准，保护对象的开采矿层、空间位置有所不同，一次预计大致包括以下内容：①最大值预计。主要是预计岩体内、地表部分等指定部位的曲率、倾斜、下沉、水平变形与水平移动的出现位置与最大值；②主断面上发生的移动、变形预计：主要预计的是地表沿下沉盆地倾向主断面的变形分布、移动；③地表变形值、任意点移动预计：主要预计地表沿下沉盆地的下沉值与该点沿特定方向的扭曲、水平变形、水平移动、曲率、倾斜、剪应变值等；④岩体内任意一点变形值、移动预计：该部分的预计内容以上述③内容一致，但其会受岩体内预计对象移动、变形影响。

　　2开采沉陷对地面建筑物产生的影响分析

　　从以下数点来分析各种沉陷情况所产生的影响：①地表下沉。若是开采沉陷区内出现地表均匀下沉，建筑物不承受附加应力，对其自身不会产生损害；但是当地表出现较大下沉、地下水位较浅时，潜水位上升，使建筑物长久积水，影响地基强度，出现安全隐患；②地表倾斜。地表倾斜，会造成建筑物歪斜，并因建筑物本身偏心荷载作用，形成附加倾覆力矩，从而在承重结构内部形成附加应力，使得基底承压力重新分布，尤其是底面积较小的高层建筑，受到的影响更大；③地表曲率。地表曲率变形程度可代表地表倾斜程度，因曲率变形作用，会让地表由平面演化为曲面，如此将会破坏建筑荷载、土壤反力之间平衡，若是正负曲率，将会出现以下两种情况：房屋全部切入地面、房屋部分切入地基，地基反力重新分布，建筑物墙壁在竖直面上会承受剪力、弯矩作用，若是其值超过建筑物基础与上部建筑强度极限，会引发建筑物裂缝；④地表水平变形。该种变形主要是对建筑物的拉伸变形产生影响，因建筑物本身的抗拉伸水平远远小于抵抗压缩水平，故而很小的地表拉伸变形都可能会造成建筑物的开裂性裂缝，造成较大的安全隐患。

　　3基于ArcGIS的矿山开采沉陷区变形规律预计3.1建立矿山开采沉陷区预计系统功能框架

　　当前市场上针对矿山开采沉陷区变形规律研究的GIS软件在应用时存在较大的局限性，有必要根据矿山开采各个部门的真实情况、地质特征等，构建适用于标准的地理信息系统，系统功能框架以ArcGIS系统为核心，其具备基础数据库管理、参数确定、移动变形预计、图形输出、数据分析等方面的基础功能，依靠这些功能的搭配使用，可实现对沉降区变形规律的深入研究。3.2 ArcGIS系统设计原则

　　要实现ArcGIS在矿山开采沉陷区变形规律预计中的灵活应用，在ArcGIS系统设计时，应满足以下设计原则：①实用性原则。ArcGIS系统设计应最大程度地契合矿山沉陷区变形规律研究、信息管理工作，切忌脱离现实，剔除其中不必要的功能；②可靠性原则。ArcGIS系统运行可靠度高，数据库中的各项资料需丰富、真实，并应根据沉陷区变形规律变化而进行相关数据的更新、补充、删除、备份等；③完备性原则。ArcGIS系统数据库中存储的空间、非空间数据，应满足日常变形规律预计各项工作需求；④科学性原则。ArcGIS系统要求参考软件工程方法、思想展开设计，尽最大可能地展示科学性，达到数据库管理、计算机直接存储技术标准，利于系统进行快速、方便的数据检索；⑤数据可转换性。要求ArcGIS系统具备一定的数据交换能力，因地表沉陷信息数据本身的特殊性，各个矿业企业

　　在进行矿区管理时多会引入AutoCAD等软件，以此来形成不同类型数据的相互转换，提升数据信息的灵活应用能力；⑥先进性。系统应充分发挥ArcGIS软件本身在各项三维数据处理方面的能力，强化对地表沉陷三维数据信息的管理力度；且要求ArcGIS系统提供属性数据、图形数据的连接，保持二者数据在应用、存储等方面的一致性。

　　3.3矿山开采沉陷区变形规律预计系统研制

　　(1)ArcGIS系统研制思路。矿产生产涉及多个方面的因素，且因采矿所引发的地表沉陷情况逐年递增，为便于对其相关信息加以管理，有必要引入通信技术、计算机技术、预测技术、管理科学、最优化技术、决策理论等多项技术与原理。在进行地表沉陷可视化管理系统研制时，需从ArcGIS系统论点出发，引入系统工程方法，遵循ArcGIS系统发展规律进行研制工作，本次研制的属于小型、应用型地理信息系统，基于成熟、完善的工具型地理信息系统展开，有必要结合矿山开采沉陷区变形规律预计需求、实现地表沉降信息可视化管理标准来展开设计工作，切实解决在变形规律预计过程中的各种实际问题。

　　(2)在矿山开采沉陷区变形规律预计系统设计前，需做好前期调研工作，确定系统研制时会经过以下四个阶段：ArcGIS系统需求与可行性分析→系统设计→开发实施→维护评价，各个阶段在推进时都会形成特定的文档资料，确保ArcGIS系统稳定开发，不同阶段皆有着不同的重点内容，其中可行性分析阶段，主要是通过调研工作来了解地表沉陷可视化管理系统的真实需求，了解到ArcGIS系统的不足之处，并引入其他技术来完善并优化整体系统功能，使其在沉陷区变形规律预计方面表现出更大的职能作用；系统设计阶段，主要是进行系统总体框架搭建，选择适宜的开发方式，以此来维护设计过程的稳定推进；开发实施阶段，内容主要包括建库、编写模块功能代码、集成各模块功能；维护评价，主要是保证ArcGIS系统后续功能的应用。3.4 ArcGIS系统需求与可行性分析

　　地表沉降数据信息多由属性数据、图形构成，若是按照传统模式的资料管理机制，分隔属性数据、图形数据，并进行分类存放，但这样实现两者之间的有效联系，技术人员在进行数据信息查阅时，不但需翻阅数据报表台账，还需研究图纸，工作量倍增，而在此过程中引入ArcGIS系统，可对沉陷区变形数据进行可视化、简便化的分析、管理；此外，ArcGIS系统在沉陷区变形规律预计研究中的应用，还需采矿技术、工程地质、数据库技术、地理信息系统等加以支撑，从以下三个方面来进行简要分析：①地理信息系统实现矿山开采沉降区空间数据信息的输入、处理、编辑、分析，并可与属性数据进行完美结合，在其他领域已经得到了广泛发展，可为ArcGIS系统研究提供更多的思路；②数据库发展迅速，数据文件、关系数据库、面向对象数据库、空间数据库等层递式发展，为模拟沉陷区变形规律预计进行真实模拟提供了基础支持；③采矿技术的应用，主要是提供各项数据源、所需决策分析方法。

　　3.5开发语言选择与系统功能

　　在进行ArcGIS系统设计前，应了解矿山开采沉降区的基本特征，结合其变形规律预计标准来选择对应的开发语言融合单纯二次开发、集成二次开发技术，辅以其他图形、数据处理技术，比如沉陷区开采综合计算可以采用C#编写，对象查询、分析则可借助AE组件加载完成；信息系统是以ArcGIS为基础的开采沉陷要求对沉陷区的水平变形、水平移动、曲率、倾斜、下沉等展开模拟计算，其功能设置包括以下数点：①数据获取。在进行沉陷区开采管理时，会面对矿区地籍图、矿层采掘平面图、矿区地形地质图，借助图形数字化、数字图形转换、表格、数据录入等技术，将各项数据信息转化为计算机可直接处理的形式；②数据处理。针对属性数据，统一编码，与其他图形图像数据进行分类、分开存储；处理原始数据，形成派生数据库，涉及沉陷开采的控制参数数据库、岩移计算参数数据库等，为后续模型计算提供数据便利；③数据查询、更新。为更好地给矿山开采沉陷区变形规律预计提供相关信息服务，使其可在各个时间段都能参考系统信息来展开规律预计，实施综合管理，在进行沉陷模拟预测系统设计时，在其中加入属性数据、空间数据的查询、更新功能；④计算不同条件、环境下矿山开采沉陷区下沉值所对相应开采环境下的开采沉降值(水平变形、水平移动、曲率、倾斜、下沉)等展开计算。

　　3.6 ArcGIS系统设计

　　ArcGIS系统设计是在上述对系统的需求与可行性分析基础上展开的，主要是为解决ArcGIS系统如何做的问题，遵循“模块化、结构化”原则，结合矿区矿山开采沉陷变形规律与实际所需、各项标准条件，展开设计工作，制定GIS开发方案，将ArcGIS系统设计按照以下三个步骤完成：总体设计(设定ArcGIS系统整体框架)→数据库概念设计(从抽象角度进行数据库设计)→详细设计(基于总体设计，实现各个组成部分的细化)，总体框架如下所示：系统结构自上而下分别是：属性信息、空间信息录入→ArcGIS平台→(预测、评价、模型、方法库)、GIS空间数据库、行业内属性数据库→开采沉陷区地表模拟预计→数据综合处理→曲线与图像输出、用户查询。

　　3.7 ArcGIS系统开发与实施

　　ArcGIS系统开发与实施，主要是将以上设定的各项功能逐步付诸实际，在推进该阶段时，需参考本系统预制目标，结合系统整体构架、规划功能，按照程序编制调试→数据采集→建立数据库→系统测试的流程来推进系统研制。基本步骤包括：从底层架构开始，研发所属功能最小的模块，再以相关技术来对各个小功能模块加以集合，主要包括的功能模块是：沉陷数据信息录入、数据计算、数据图形显示、数据处理、数据转换接口等；在完成调试运行后，需对各个模块进行集成组织，构建系统整体功能模块，逐一展开，实现ArcGIS系统的整体开发与实施。3.8 ArcGIS系统维护、评价

　　在完成ArcGIS软件编制后，需展开正式运行，进入使用阶段，此阶段需技术人员根据ArcGIS系统的应用效果、反馈，来对其各个功能模块、结构组织进行调整、修改与优化，确保ArcGIS系统能在矿山开采沉降区变形规律预计中表现出更强的功能特性，其中系统维护指的是在ArcGIS系统运行时，适应环境、技术与其他因素的变化，确保ArcGIS系统稳定工作；而系统评价指的是对ArcGIS系统各项功能的测试、估计、分析，涉及管理指标、性能指标、经济指标等各个方面。依托于对ArcGIS系统的维护、评价，实现对ArcGIS系统的定向更新与优化，从而使得ArcGIS技术在矿山开采沉陷区变形规律预计中表现出更大的作用。

　　3.9系统数据库设计

　　为保证基于ArcGIS的矿山开采沉陷区变形规律预计的稳定推进，可将各个阶段通过ArcGIS系统、计算机平台处理的数据直接存放在数据库中，为保证数据库的使用性能，需设计与ArcGIS系统对接的数据库。当前阶段，ArcGIS软件多是以文件系统管理图形数据、空间数据，以数据库系统来存储、管理、应用属性数据，而ArcGIS系统则是用来输入矿区地质、工作面采厚、采深、最大倾斜角、顶板管理、采矿方法、矿层倾角等参数，因此在文件管理时，应结合预计点位数据进行，在模拟计算时能直接自动调用；对沉陷区建筑物预计后，应对预计结果进行展开现代化、智能化管理，便于后续对预计结果查看、处理，按照数据库形式加以管理。其中Microsoft的ActiveX Data Objects可让客户端应用程序借助任意OLE DB提供者直接进行访问，操作系统数据库中的各项数据，须知，ADO优势在于速度快、易于使用，可借助一个来回传输将服务器中的数据传递到Web页，并在客户端操作数据，传递到服务器。在本ArcGIS系统中，通过ADO技术来访问Access数据库，再以C#控件展示数据库内容。

　　3.10实例分析

　　为验证基于ArcGIS的矿山开采沉陷区变形规律预计系统的可靠性、正确性，结合实例来对其加以验证。把握以下要点：

　　(1)案例分析。以某矿山开采沉陷区为例，研究其变形规律预计，矿区开采条件如下所示：上山采深、下山采深分别为279m、322m，开采厚度、平均采深为1.5m、300m，开采厚度1.5m，工作面倾向斜长、走向长200m、300m，水平移动系统、下沉系数0.36、0.76，上山影响角正切2、下山影响角正切2.2，根据各项数据分析，预计矿区开采面走向及主断面移动变形值，预计各个建筑物在宽度、长度上的移动变形值。

　　(2)开采沉陷变形规律分析预计。沉陷区变形规律子模块是ArcGIS系统的核心功能，依靠系统可对工作面各个方向的任意点展开变形预计，再将各项预计成果汇总、处理、分析，纳入数据库，依靠大数据分析技术、云计算技术等来预计主断面在各个阶段的最大变形值，包括最大水平变形、最大水平移动、最大曲率、最大倾斜、最大下沉等；并可对沉陷区工作面以上的各个建筑物展开变形预计，得到预计结果，纳入数据库进行统一管理；依靠ArcGIS系统，除了收集沉陷区工作面主断面的各项数据信息，作出变形预计外，还可据此来绘制各种变形曲线，包括水平变形曲线、水平移动曲线、曲率曲线、倾斜曲线、下沉曲线等，变形规律通过观察曲线变化而一目了然。

　　(3)建筑物变形预计分析。建筑物不需进行维修，可保持在其所允许的地表最大变形值，即临界变形值，我国建筑物中砖木结构的临界变形值多采用的是以下指标：水平变形、曲率、倾斜度，限值分别为2mm/m、0.2mm/m2、3mm/m，若是达到变形临界值，就可能会让建筑物损坏。假定有建筑物长度60m、宽度40m，坐标轴、长轴夹角15°，短边偏向坐标轴正向一边中点坐标设定为(100，200)，利用预计子模来完成对建筑短轴、长轴移动变形预计，得出短轴移动变形：水平变形、曲率、倾斜分别是0.08mm/m、0.864mm/m2、1.666mm/m；长轴移动变形可得：0.0005mm/m、0.901mm/m2、0.201mm/m，分析各项指标，可知曲率超过指标限值，该位置会在沉陷区开采过程中受到比较大的损害，故而建议进行重建、拆迁。通过该种方式来为沉陷区后续的开采变形规律加以预计，并为开采过程提出合理建议。

　　4结语

　　综上，文章就基于ArcGIS的矿山开采沉陷区变形规律预计进行了论述与分析，强调了其重要性与必要性，建议给予其足够的重视，分析矿山开采沉陷区在依靠ArcGIS系统展开变形规律预计中的优势与不足，发扬优势、弥补不足，推进规律预计的稳定展开。