地表变形监测数据挖掘

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1、山东理工大学硕士学位论文地表变形监测数据挖掘姓名：仇环申请学位级别：硕士专业：计算机应用技术指导教师：曲国庆20080428山东理工大学硕士学位论文摘要摘要近年来，矿区因大规模开采而出现地表移动与变形，严重影响了矿区安全生产，进行地表变形监控与预测也因此成为了安全生产的重点。大量的监测数据中隐含着地表变形知识与规律，如矿区多因子关联、矿区沉降整体规律等，这些规律有益于监控、预测地表变形。为此，本文利用空间数据挖掘的各种理论方法，从地表变形的监测数据中挖掘隐含的规律并对地表沉降进行了科学预测。主要内容有：一、叙述了空间数据挖掘的定义与特点、体系结构、基本过程、可获得的知识类型、挖掘

2、方法和发展方向。二、建立了可用于矿区沉降监测数据挖掘的GM(1，1)模型和线性回归模型，并对GM(1，1)模型进行了改进。采用GM(1，1)模型来进行短期预测，用最小一乘法代替了原来的最小二乘法，提高了结果的稳健性。以煤矿沉降数据为实例，验证了该改进GM(1，1)模型方法的有效性，取得了满意的效果。建立线性回归模型，应用于矿区地表沉降的长期预测。三、以矿区地下水层与矿区各因子的沉降为例，应用灰关联来求解变形因子的关联度，得到矿区变形因子间的相互影响规律。四、将基于灰关联的聚类应用于矿区地表变形情况的分类及原因的挖掘。得到了矿区各时期地表变形情况的分类，并对分类原因作出了详细解释。

3、关键词：数据挖掘；GM(1，1)模型；最小一乘法；基于灰关联的聚类；统计分析山东理工人学硕士学位论文第一章绪论1．1地表变形研究现状第一章绪论地表变形现象是对地下资源开发而产生的环境地质问题。随着经济高速发展，对地下资源的需求急剧增加，地面变形问题日趋严重，己引起各国学者的极大关注。针对各种地表变形现象，探索变形分析技术、研究其内在机理和过程、发展各种计算理论和模拟研究方法，成为一个新的研究课题。到目前为止，所取得的各种经验、理论成果已相当丰富，人们对它的认识也较普遍IlJ。l、地下水开采引起的地表变形在地下水开采工程引起的地表变形与沉降方面，早在20世纪三四十年代，国外有人给出

4、了土体的一维固结理论、一维固结微分方程和Biot固结理论模型。国内，对于地下水开采引发地表沉降灾害研究较晚，但也已经做了大量的工作。张廉钧研究了华北平原地区过量开采深层地下水引起地面沉降的规律，张克绪等研究了哈尔滨市地下水开采引起地面沉降的规律，刘金韬等研究了开采承压含水层引发地面沉降的数学模型。但总体上，对地下水开采引起地面变形的预计研究还很不足12。7】。2、固体矿物开采引起的地表变形在矿山开采引起的地表变形的规律及预测的研究方面，国内外也已进行了．大量的研究工作，出现了各种理论和研究方法。(1)数值模拟和规律研究方面：以实测资料为基础所建立的下沉剖面的经验公式方法；以不同的

5、力学模型为基础，所建立的力学模型：李特维尼申(J．Litwinisyn，Poland)的随机介质力学模型、萨武斯托维奇(Sawstovich，Poland)的弹性理论模型、沙乐蒙(M．G．DSalamon，SouthAfrican)的四种弹性介质模型以及我国学者李增琪教授用傅里叶变换解得的类似的四种弹性介质模型；引入有限单元、边界单元法和离散单元法等方法建立的损伤非线性大变形有限元法模型、非线性光滑有限元模型、损伤有限元法模型、离散单元法模型等。由于经验方法研究仅是对开采沉降现象的外观描述，且对岩体内部移动和变形规律的描述难以胜任，决定了目前乃至将来相当长的一段时间里，仍将研究利

6、用力学方法等来解决开采沉降的数值模拟问题【1，孙13】。(2)预测方面：近年来，随着灰色系统理论、神经网络模型等理论的发展与完善，越来越多的新理论方法加入到地表变形预测，如郭守礼等将灰色系统山东理T大学硕士学位论文第一章绪论模型应用于地基建筑物沉降和采矿塌陷区残余沉降预测；曹丽文采用BP神经网络算法对开采沉陷量进行了建模和预测等【8】。3、天然气开采引起的地面沉降荷兰F．Kenselaar和M．Mavtens建立了天然气开采产生地面沉降的椭圆型时空分布函数，并以Rosewinkel气田为例进行了沉降计算。意大利W．Palozzo等对Barbara天然气田开采地面沉降进行了三维模拟

7、，由两组数值模拟构成，一组是含气周围含水层流体流动模型，另一组为含气层和含水枯竭导致地面沉降的地质机理模型。意大利的D．Bau等利用三维有限单元模型对亚德里亚海上Chiogga—Mare天然气田开采产生的海底地面沉降进行了模拟，研究其是否会对威尼斯沿海岸带的稳定性产生影响。提出，如果在海岸打注水井驱气，可使沉降1cm的等值线向海上移动5km⋯。4、潜水变化引起的地面沉降意大利B．A．Schrefler等分析了天然气田之上土层沉降发展过程中的毛细现象和建筑塌陷，并提出了一个弹塑性沉