南水北調(diào)中線總干渠禹州煤礦采空區(qū)變形監(jiān)測方案探討

李永新

(河南省水利勘測有限公司,河南鄭州 450008)

南水北調(diào)中線總干渠禹州煤礦采空區(qū)變形監(jiān)測方案探討

李永新

(河南省水利勘測有限公司,河南鄭州 450008)

煤礦采空區(qū)渠段的變形監(jiān)測是涉及到南水北調(diào)中線總干渠工程安全的重要技術(shù)問題之一,介紹了南水北調(diào)中線總干渠禹州小煤礦采空區(qū)變形監(jiān)測方案,闡述了水平位移監(jiān)測、垂直位移監(jiān)測、巖體內(nèi)部變形監(jiān)測網(wǎng)布設(shè)的原則與要求,基準點、監(jiān)測點的標型結(jié)構(gòu)特點,埋設(shè)措施,并考慮施工前、施工期和運行初期不同階段的技術(shù)要求,能夠滿足長期觀測的需要。

采空區(qū);變形監(jiān)測;水平位移;垂直位移

0 引言

南水北調(diào)中線一期總干渠工程河南省境內(nèi)禹州段經(jīng)過的采空區(qū)依次為新峰礦務(wù)局二礦、梁北鎮(zhèn)郭村煤礦、梁北鎮(zhèn)工貿(mào)公司煤礦、梁北鎮(zhèn)福利煤礦和梁北鎮(zhèn)劉垌村一組煤礦等5個煤礦的采空區(qū),采空區(qū)平面長度3.11 km。經(jīng)調(diào)查訪問、收集資料和勘察,沿線地表曾出現(xiàn)有地面沉降和裂縫,采空區(qū)多為1層,局部有2層,主要為六4煤采空區(qū),局部有六2煤采空區(qū)。煤層單層厚度約1 m,采空區(qū)埋深100～269 m,多為上世紀90年代以后小煤礦開采形成,2003年以后多數(shù)已停采,2005年以后煤井全部關(guān)停廢棄。

沿線所涉及的均是小煤礦所形成的采空區(qū),采空區(qū)形成的時間均在5年以上。小煤礦由于開采時間、開采方法、開采水平、采空程度、回采率大小各異,采空區(qū)的情況較復(fù)雜。禹州煤礦采空區(qū)停采的時間較長、煤礦開采時沒有監(jiān)測資料,地表沉陷洼地不顯著,地表移動和變形的特征及參數(shù)難以界定。以往國內(nèi)外采空區(qū)的觀測和研究多集中在移動延續(xù)期內(nèi)特別是初始期—活躍期階段(危險變形)[1],對衰退期特別是衰退期以后的殘余變形研究不夠,認為衰退期之后的殘余變形對建(構(gòu))筑物沒有損害。但近年的實踐表明,上述觀點并不完全正確,有關(guān)資料表明,有些小煤礦采空區(qū)在衰退期(TS)過去多年甚至幾十年后,在采空區(qū)上新建的民居平房盡管還采用了基礎(chǔ)和檐口圈梁等抗變形措施,仍出現(xiàn)不同程度的地面和建筑物裂縫等損壞[2]。

本文通過對禹州礦區(qū)渠段采空區(qū)變形監(jiān)測方案探討,旨在監(jiān)測小煤礦采空區(qū)在渠道施工前、施工期、運行初期的變形情況,并預(yù)測發(fā)展趨勢,為采空區(qū)段工程優(yōu)化設(shè)計、施工、運行管理提供可靠的技術(shù)依據(jù)。

圖1 工程位置略圖Fig.1 Sketch map of the project location

1 采空區(qū)變形監(jiān)測的內(nèi)容及要求

1.1 監(jiān)測項目內(nèi)容

垂直位移監(jiān)測、水平位移監(jiān)測、巖土體內(nèi)部變形監(jiān)測。考慮施工前、施工期和運行初期不同階段的技術(shù)要求,在渠道開挖范圍內(nèi)、采空區(qū)處理范圍內(nèi)以及采空區(qū)處理范圍以外均有監(jiān)測點,服務(wù)年限分別對應(yīng)于施工前、施工期和運行初期。

1.2 監(jiān)測等級

根據(jù)有關(guān)規(guī)程規(guī)范和技術(shù)規(guī)定要求,結(jié)合本項目變形監(jiān)測的特點,擬采用GPS對地表水平位移進行監(jiān)測(三等平面),利用精密數(shù)字水準儀進行垂直位移觀測(二等水準),同時深層埋設(shè)多點位移計、沉降儀和測斜儀對采空區(qū)現(xiàn)狀巖層變形進行原型監(jiān)測,對變形位移數(shù)據(jù)進行比較分析,取得現(xiàn)狀第一手資料。

1.3 監(jiān)測周期

根據(jù)禹州礦區(qū)段開采煤層的埋藏深度,結(jié)合同類工程的觀測經(jīng)驗,變形監(jiān)測網(wǎng)點開始時期觀測適當稠密,以后觀測過程中,根據(jù)變形量的變化情況以及遇到的特殊因素,可適當增加或減少觀測次數(shù),見表1。不同觀測周期宜采用相同圖形、觀測路線和觀測方法,使用同一儀器設(shè)備,在相同的條件下觀測。

表1 變形監(jiān)測網(wǎng)監(jiān)測頻率(月)Table 1 Monitoring frequency of defor mation monitoring network(months)

2 采空區(qū)變形監(jiān)測方案布置

2.1 監(jiān)測范圍

根據(jù)采空區(qū)分布和現(xiàn)狀地質(zhì)條件,主要以渠道通過部位的移動盆地中心區(qū)和邊緣區(qū)變形監(jiān)測、采空區(qū)變形的敏感部位(巷道上方)變形監(jiān)測,分析采空區(qū)剩余變形對總干渠建筑物穩(wěn)定性的影響。

2.2 監(jiān)測線、監(jiān)測點的布點原則

監(jiān)測線結(jié)合總干渠渠道的工程布置,結(jié)合礦層走向、開采方法及上覆地層產(chǎn)狀,宜平行和垂直煤礦層走向成直線布置,其長度應(yīng)超過地表移動變形的范圍。

觀測線上觀測點的間距應(yīng)大致相等,根據(jù)禹州礦區(qū)渠段的煤層開采深度,結(jié)合總干渠工程特點,觀測點間距按100～200 m。觀測地表變形的同時,應(yīng)觀測地表裂縫、陷坑等的變形情況。

2.3 監(jiān)測網(wǎng)設(shè)計精度

變形監(jiān)測網(wǎng)平面等級為三等、垂直等級為二等。主要技術(shù)指標見表2。

表2 變形監(jiān)測網(wǎng)主要精度指標[3]Table 2 The main precision index of defor mation monitoring network

2.4 監(jiān)測點的布置

變形監(jiān)測網(wǎng)點根據(jù)需要宜分為基準點和變形監(jiān)測點兩級布置,基準點宜選在變形影響區(qū)域之外穩(wěn)定可靠的位置,變形監(jiān)測點宜選擇在渠道通過的移動盆地中心區(qū)、邊緣區(qū)及采空區(qū)變形的敏感部位。

本次共需埋設(shè)水平觀測基準點4座,垂直觀測基準點3座,平面變形監(jiān)測點5座,垂直變形監(jiān)測點33座。禹州礦區(qū)段變形監(jiān)測網(wǎng)點布置見圖2。

2.5 平面位移監(jiān)測基準點、平面位移監(jiān)測點埋設(shè)

平面位移基準點、監(jiān)測點應(yīng)使用帶強制歸心裝置的觀測裝置。為了避免地表人類活動及降雨等影響,擴大底盤下布置4根鋼筋混凝土樁,見圖3。

圖2 禹州礦區(qū)變形監(jiān)測基準網(wǎng)及變形監(jiān)測點布置示意圖Fig.2 Schematic diagram of layout of control network and points for deformation monitoring in Yuzhou mining area

圖3 平面位移監(jiān)測點設(shè)計(單位:mm)Fig.3 Monitoring points design of horizontal displacement(unit:mm)

點位選擇還應(yīng)滿足下列要求:便于安置接收設(shè)備和操作;視場內(nèi)障礙物的高度角<15°;離電視臺、電臺、微波站等大功率無線發(fā)射源的距離>200 m,離高壓線、微波無線電信號距離>50 m,附近不應(yīng)有強烈反射衛(wèi)星信號的大面積水域、大型建筑物以及熱源等,通視條件好,方便后續(xù)聯(lián)測。

2.6 垂直位移監(jiān)測基準點、垂直位移監(jiān)測點埋設(shè)

垂直位移監(jiān)測基準點避開交通干道主路、地下管線、倉庫堆棧、水源地、河岸、松軟填土、滑坡地段、機器震動區(qū)以及其他可能使標石、標志易遭腐蝕和破壞的地方,宜采用混凝土基本水準標石,埋設(shè)于地下。

由于大部分變形監(jiān)測點在耕地中,考慮到觀測墩保護相當困難,遭到破壞后將使變形數(shù)據(jù)不連續(xù),影響變形分析,因而垂直變形監(jiān)測點埋設(shè)參考垂直位移監(jiān)測基準點的尺寸埋設(shè)(見圖4)。

變形監(jiān)測點的標志埋設(shè)后,應(yīng)達到穩(wěn)定后方可開始觀測,穩(wěn)定期應(yīng)根據(jù)觀測要求和地質(zhì)條件確定,不宜少于15 d。

3 采空區(qū)變形監(jiān)測

使用的平面坐標系統(tǒng)宜為1954年北京坐標系1°帶成果,高程系統(tǒng)宜采用1985年國家高程基準。

圖4 垂直位移監(jiān)測點設(shè)計(單位:m)Fig.4 Monitoring points design of vertical displacement(unit:m)

起算點為長江空間信息技術(shù)工程有限公司最新復(fù)測的“南水北調(diào)中線一期工程干線(除京石段)首級施工控制網(wǎng)”成果,每期觀測的起算值應(yīng)使用初始成果。

3.1 監(jiān)測基準網(wǎng)的布設(shè)與聯(lián)測方案

3.1.1 垂直位移監(jiān)測基準網(wǎng)的布設(shè)與聯(lián)測方案

根據(jù)測區(qū)基本情況,設(shè)置一處基準網(wǎng)。先布設(shè)附合水準線路,起閉二等水準點,將高程引至基準網(wǎng)的任一標石,然后在每一基準網(wǎng)實測閉合水準線路,聯(lián)測其它兩個標石,建立垂直位移監(jiān)測基準網(wǎng)。

3.1.2 水平位移監(jiān)測基準網(wǎng)的布設(shè)與聯(lián)測方案

水平位移監(jiān)測基準網(wǎng)須一次布網(wǎng),設(shè)立4座平面標石獨立成網(wǎng),與南水北調(diào)C級GPS點聯(lián)測,構(gòu)成水平位移監(jiān)測基準網(wǎng)。

3.2 水平位移監(jiān)測網(wǎng)測量

3.2.1 接收機使用

水平位移測量采用GPS方法進行。首次觀測和周期觀測均采用8臺Leica GX 1230型雙頻靜態(tài)GPS接收機進行觀測。

Leica GX 1230為雙頻(L1、L2)各12通道GPS,標稱靜態(tài)水平精度為5 mm+1×10-6,采用長時間觀測、Leica Geo Office軟件解算后水平精度可達3 mm+0.5×10-6。

3.2.2 GPS觀測

觀測作業(yè)時,根據(jù)觀測點的間距和交通情況,兼顧二等水準測量安排,編制觀測計劃,按計劃進行調(diào)度。

GPS觀測,在每個沉陷段宜采用邊連接形式傳遞、構(gòu)網(wǎng),兩端連接高等級GPS標石。天線高的量取精確至1 mm(須左右各量取一次取平均值)。

3.2.3 觀測技術(shù)要求(見表3)

表3 GPS觀測主要技術(shù)要求Table 3 The main technical requirements of GPS observation

3.2.4 基線解算

起算點的單點定位時間,不宜少于30 min,解算成果應(yīng)采用雙差固定解,利用隨機配備的商用軟件進行處理。精度應(yīng)滿足下列要求:同一時段觀測值數(shù)據(jù)剔除率不宜>10%;復(fù)測基線的長度較差為按實際平均邊長計算的相應(yīng)級別規(guī)定的精度,單位mm。

3.2.5 GPS網(wǎng)平差

平差處理軟件采用Leica Geo Office軟件。GPS控制網(wǎng)的已知點均使用高等級成果。首先以各網(wǎng)內(nèi)一點的三維坐標為起算數(shù)據(jù)進行三維無約束平差,目的是進行粗差分析,以發(fā)現(xiàn)粗差并消除影響,其結(jié)果客觀地反映了整個GPS網(wǎng)的內(nèi)部符合精度;然后在網(wǎng)內(nèi)聯(lián)測的點中,以一點為掛靠點,至另一點的方位角為掛靠方向進行二維平差,邊長投影到場地設(shè)計工程面上。

對不符合要求的成果應(yīng)及時重測或補測。起算點的單點定位時間,不宜少于30 min,解算成果應(yīng)采用雙差固定解,利用隨機配備的商用軟件進行處理。

GPS控制網(wǎng)的無約束平差應(yīng)在WGS-84坐標系統(tǒng)下進行三維無約束平差,并提供各觀測點的三維坐標、各基線向量三個坐標差觀測值的改正數(shù)、基線長度、基線方位及相關(guān)的精度信息等。

GPS控制網(wǎng)的約束平差應(yīng)在國家坐標系統(tǒng)下進行二維約束平差,對于已知坐標、記錄或方位,可以強制約束或加權(quán)約束,約束點間的邊長相對中誤差應(yīng)<1∶80 000;平差結(jié)果應(yīng)輸出觀測點在獨立坐標系統(tǒng)中的二維坐標、基線向量改正數(shù)、基線長度、基線方位角等,以及相關(guān)精度信息;約束平差的最弱邊相對中誤差應(yīng)<1∶80 000。

3.3 垂直位移監(jiān)測網(wǎng)測量

3.3.1 儀器的選用

使用美國天寶Dini12電子水準儀(觀測精度0.3 mm,最小顯示0.01 mm,測距范圍1.5～100 m,15′內(nèi)自動補償,安平精度0.2″),配因瓦條碼標尺進行。

3.3.2 水準觀測

垂直位移監(jiān)測開始前,首先要進行基準點間的校核,符合要求后方可進行垂直位移監(jiān)測。每個沉陷段可根據(jù)測區(qū)情況,布設(shè)一個或多個閉合水準線路,起閉同一基準點,往返連測其它變形監(jiān)測點。水準路線一旦確定,以后復(fù)測應(yīng)使用同一類型的儀器和轉(zhuǎn)點尺承,沿同一路線,按原觀測順序連測相應(yīng)觀測點。

由于大部分測段在耕地中,土質(zhì)疏松,普通尺墊不能滿足精度要求,為此,宜選用優(yōu)質(zhì)鋼材特制的尺樁,重量宜超過5.7 kg。

3.4 巖體內(nèi)部變形監(jiān)測

采用多點位移計、沉降儀測斜儀等,通過布設(shè)深孔埋入地層。

采空區(qū)典型地段在中心和邊緣布設(shè)監(jiān)測斷面,設(shè)4～6個多點位移計監(jiān)測孔,在靠近采空區(qū)邊緣設(shè)1～2個測斜儀監(jiān)測孔,在其它合適位置布設(shè)一定數(shù)量的沉降儀,監(jiān)測孔深度控制到渠底板或建筑物底板以下70 m范圍內(nèi)。觀測次數(shù)第一年按半月1次,以后每月1次,特殊時期(如地震等)則增加觀測次數(shù)。

4 結(jié)論

(1)禹州煤礦采空區(qū)停采的時間較長、煤礦當初開采時沒有監(jiān)測資料,地表沉陷洼地不顯著,根據(jù)國內(nèi)外現(xiàn)有的工程經(jīng)驗判斷,采空區(qū)的初始期—活躍期階段已經(jīng)結(jié)束,現(xiàn)在布置的監(jiān)測方案側(cè)重于采空區(qū)殘余變形以及采空區(qū)關(guān)鍵部位的復(fù)活信息。

(2)變形監(jiān)測網(wǎng)的布置應(yīng)結(jié)合煤礦采空區(qū)資料和渠道工程建筑物的特點,考慮施工前、施工期和運行初期不同階段的技術(shù)要求,并能夠滿足長期觀測的需要。

(3)變形監(jiān)測網(wǎng)布設(shè)的原則與要求要與工程相適應(yīng)?；鶞庶c、監(jiān)測點的標型結(jié)構(gòu)、埋設(shè)措施要合理,選用的儀器設(shè)備要先進,監(jiān)測精度、周期、實施方案和數(shù)據(jù)處理方法滿足規(guī)范要求。

[1] 國家煤炭工業(yè)局.建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程[S].北京:煤炭工業(yè)出版社,2004.

[2] 孫忠弟,等.高速公路采空區(qū)(空洞)勘察設(shè)計與施工治理手冊[S].北京:人民交通出版社,2005.

[3] GB500026—2007,工程測量規(guī)范[S].

(責任編輯:胡立智)

Discussion on Deformation Monitoring Scheme of Goaf in Yuzhou

LI Yongxin
(Henan Water&Power Consulting Engineering Co.,L td.,Zhengzhou,Henan450003)

Deformation monitoring of canal reach in goaf is one of the important technical problems for Middle route South-to-North water transfer project,this paper introduces deformation monitoring scheme of goaf in Yuzhou,describes the monitoring of horizontal displacement and vertical displacement,principle and requirement of layout of deformation monitoring ne twork within the rock mass,typomorphic characteristics and burying measures of reference points and monitoring points.Technical requirements for different stageswere considered,which couldmeet the requirementsof longter m observation.

goaf;deformation monitoring;horizontal displacement;vertical displacement

TV68;TD853.391+.2

A

1671-1211(2010)05-0531-04

2010-07-13;改回日期:2010-09-04

李永新(1970-),男,高級工程師,注冊土木工程師(巖土),水文地質(zhì)與工程地質(zhì)專業(yè),從事水文地質(zhì)與工程地質(zhì)方面的工作。E-mail:liyongxin1970@126.com