采空區(qū)變形監(jiān)測技術(shù)分析

賈向前

（山西省水利水電勘測設(shè)計研究院，山西 太原 030024）

1 概述

山西省萬家寨引黃工程北干線1號隧洞大梁水庫以下部分洞段通過煤礦開采區(qū)，部分采空區(qū)接近洞線，甚至在洞線下方，這些密集的煤礦采空區(qū)位于朔州市平魯區(qū)。引黃北干線1號隧洞下段始于大梁水庫地下泵站，至馬鞍山七里河一側(cè)出洞，洞長45 km。從2005年10月—2014年9月對煤礦采空區(qū)地表進(jìn)行了變形監(jiān)測。

2 監(jiān)測方法

國內(nèi)常見的監(jiān)測是對建筑物等的局部性、范圍較小的變形監(jiān)測，其變形原因有自然條件和建筑物本身兩方面。一般采用全站儀和光學(xué)水準(zhǔn)儀，利用常規(guī)大地測量方法進(jìn)行監(jiān)測。全站儀變形監(jiān)測在小范圍內(nèi)可滿足水平位移變形監(jiān)測的要求，但觀測精度不均勻。隨著邊長的增加，精度逐漸降低，而且需要工作基點與監(jiān)測點通視，這樣就不能滿足大范圍變形監(jiān)測的需要。應(yīng)用GPS技術(shù)可遠(yuǎn)距離傳遞三維坐標(biāo)，不會產(chǎn)生誤差積累，可大大提高成果精度。

該采空區(qū)范圍較大，地形起伏變化，相對高差較大，障礙較多，通視困難，且基準(zhǔn)點監(jiān)測點分布不均，若用常規(guī)方法，相鄰邊長較差大，圖形強度弱。為保證觀測精度，減少工作量，平面工作基點網(wǎng)和監(jiān)測網(wǎng)采用靜態(tài)GPS進(jìn)行水平位移變形監(jiān)測。

工作基點和監(jiān)測點分兩級布設(shè)：一是工作基點網(wǎng)，二是監(jiān)測網(wǎng)。崔家?guī)X礦的采空區(qū)范圍已基本查清，需進(jìn)行垂直位移監(jiān)測和水平位移監(jiān)測；對二鋪二礦、二鋪一礦、安太堡聯(lián)營礦等進(jìn)行垂直位移監(jiān)測。

3 限差要求

本作業(yè)監(jiān)測控制網(wǎng)與引黃獨立坐標(biāo)系和高程基準(zhǔn)相統(tǒng)一，工作基點、監(jiān)測點觀測精度要求達(dá)到二等平面控制和二等水準(zhǔn)規(guī)定。水平位移測量監(jiān)測點的點位中誤差為±6.0 mm，地表變形垂直監(jiān)測點的高程中誤差為±2.0 mm，復(fù)測最大限差為（m為中誤差），超過這個值可視為點位存在位移。

4 垂直位移變形監(jiān)測

垂直變形監(jiān)測使用Trimble DiNi電子水準(zhǔn)儀（標(biāo)稱精度±0.3 mm/km），標(biāo)尺使用兩幅條碼式銦瓦水準(zhǔn)標(biāo)尺，工作基點的觀測和監(jiān)測點的監(jiān)測均采用二等水準(zhǔn)精度進(jìn)行。

4.1 技術(shù)依據(jù)

垂直位移監(jiān)測網(wǎng)依據(jù)《實施方案》進(jìn)行作業(yè)，往返較差閉合差限差，檢測已測高差較差限差（n代表測站數(shù)）。

4.2 作業(yè)方法

水準(zhǔn)路線采用閉合路線往返監(jiān)測，每周期采用相同的監(jiān)測路線和監(jiān)測方法，固定的儀器和設(shè)備，固定的監(jiān)測人員。

測站監(jiān)測限差：基輔分劃所測高差的差0.6 mm，數(shù)字水準(zhǔn)儀兩次讀數(shù)所測高差的差執(zhí)行基輔分劃所測高差之差的限差。

4.3 內(nèi)業(yè)計算

外業(yè)高差和概略高程表的編算只進(jìn)行水準(zhǔn)標(biāo)尺長度誤差改正和水準(zhǔn)標(biāo)尺溫度改正，計算到高差中數(shù)；閉合差改正計算采用南方測繪公司的平差易軟件進(jìn)行嚴(yán)密平差。

4.4 精度統(tǒng)計

以起算點ⅡCJ01組成一個二等水準(zhǔn)閉合線路，ⅡCJ03作校核，線路長22 km，閉合差限差各周期閉合差均小于限差。每千米高差偶然中誤差，各周期均小于規(guī)范規(guī)定±1 mm。每監(jiān)測周期各線路閉合差，各周期均小于規(guī)范規(guī)定的限差要求

監(jiān)測點環(huán)水準(zhǔn)線路每千米高差偶然中誤差，各周期均小于規(guī)范允許每千米高差中誤差±1 mm。垂直監(jiān)測線路的每千米全中誤差規(guī)范，計算公式為MW=±，全中誤差MW小于規(guī)范規(guī)定的±2 mm。監(jiān)測點平差計算最大改正數(shù)，各周期均小于±1 mm。監(jiān)測點各條線路最弱點點位中誤差，各周期均小于±2 mm。

5 水平位移變形監(jiān)測

水平位移變形監(jiān)測使用南方測繪儀器公司9600型靜態(tài)GPS進(jìn)行，儀器標(biāo)稱精度5 mm+3 ppm。GPS測量采用靜態(tài)GPS測量，每一同步環(huán)觀測兩個時段，每個時段時間120 min。

5.1 技術(shù)依據(jù)

水平位移監(jiān)測網(wǎng)技術(shù)要求：相鄰基準(zhǔn)點的點位中誤差±6 mm，平均邊長2 km，最弱邊相對中誤差≤1/350 000。

5.2 內(nèi)業(yè)計算

GPS數(shù)據(jù)處理采用南方GPSPRO隨機處理軟件。新建工程選取自定義坐標(biāo)系統(tǒng)，即采用引黃準(zhǔn)1954北京坐標(biāo)系，增加觀測數(shù)據(jù)，解算基線。待基線解算合格后，檢查同步環(huán)、異步環(huán)和重復(fù)基線，進(jìn)行平差處理，包括三維自由網(wǎng)平差、二維約束平差、高程擬合等。

5.3 水平工作基點監(jiān)測

水平工作基點的觀測以Ⅱ北干13和ⅡSJ01為起算，共監(jiān)測6個點，包括Ⅱ北干13，Ⅱ北干12，ⅡSJ01，ⅡSJ03，ⅡSJ04，ⅡSJ06。

5.4 水平位移監(jiān)測點監(jiān)測

每周期使用儀器和工作基點相同，兩臺（或三臺）在工作基點上，其余在監(jiān)測點上，觀測兩個時段。如果繼續(xù)觀測，在起始點上的儀器不動，其余儀器再遷站進(jìn)行其他監(jiān)測點的測量。

水平位移監(jiān)測點僅在崔家?guī)X礦布設(shè)，共布設(shè)61個水平位移監(jiān)測點。

5.5 邊長檢測

邊長檢測是對GPS測量成果的檢核，采用標(biāo)稱精度1 mm+1 ppm的徠卡2"全站儀進(jìn)行。檢測邊邊長采用往返觀測，天頂距觀測采用中絲法對向觀測。

全站儀電磁波測距邊先經(jīng)過氣象改正、加乘常數(shù)改正，然后化算為水平距離，水平距離再歸算到1 300 m測區(qū)平均高程面，最后投影到高斯平面上。

6 工作基點和監(jiān)測點點位變動情況

自2005年布設(shè)萬家寨引黃工程北干線采空區(qū)變形監(jiān)測工作基點和監(jiān)測點以來，由于采空區(qū)位于平魯工礦區(qū)范圍內(nèi)，該地區(qū)工程建設(shè)項目較多，測區(qū)部分工作基點和監(jiān)測點已被破壞，其中垂直監(jiān)測點縮減為5條線路：二鋪二礦2條，二鋪一礦1條，崔家?guī)X礦2條。

已變動點垂直工作基點、監(jiān)測點沉降高程差值均是與2005年10月（首次）高程的差值。二鋪二礦、二鋪一礦與首次比較，該采空區(qū)監(jiān)測點變化不大；崔家?guī)X礦與首次比較，約58個點超出（或曾經(jīng)超出）允許誤差±5.6 mm范圍。

已變動點水平工作基點、監(jiān)測點水平位移坐標(biāo)差，差值均是與首次坐標(biāo)的差值。截至2014年9月，有17個點的點位誤差超出允許誤差±17 mm，這些點的高程也全部下沉，說明這些點及其周圍存在一定沉降和位移。

結(jié)合已下沉崔家?guī)X垂直監(jiān)測點曲線圖，從37次垂直監(jiān)測中看出，沉降值變化大都隨季節(jié)、溫度變化呈波浪式變化，但個別點存在突變情況。

6.1 變形情況

第一，在2006年監(jiān)測中發(fā)現(xiàn)18個點下沉是在2006年6月和8月之間發(fā)生的，根據(jù)監(jiān)測點變形情況和監(jiān)測點布置圖可以看出所有點均為下沉，除個別點在煤礦采空區(qū)周圍外，其他點均在煤礦采空區(qū)范圍之內(nèi)。點位下沉發(fā)生在2006年第三次和第四次之間，這個期間正值雨季，雨水較多，下沉是個突變過程，有12個監(jiān)測點集中在崔家?guī)X礦最西邊的采空區(qū)，有3個點在崔家?guī)X礦南邊1號隧洞出口附近。

第二，在2007年8月和12月的監(jiān)測中發(fā)現(xiàn)，工作基點ⅡSJ07平面位置和垂直位置有較大變動，該點位于東易煤礦附近，觀測墩周圍30 m外有多條寬度、深度不一的裂縫。

第三，在2010年3月和6月周期垂直監(jiān)測中發(fā)現(xiàn)，靠近引黃生活區(qū)建設(shè)營地的采空區(qū)一帶有較大的變形，地面有較大范圍的裂縫，裂縫均勻分布，最大寬度約5 cm，長度延伸較長，基本為南北走向，地面及房屋發(fā)生裂縫，致使該營地被迫搬遷，原引黃1號隧洞生活區(qū)營地被列為采空區(qū)危險區(qū)域。該區(qū)域位于崔家?guī)X采空區(qū)以西地區(qū)，離洞線中軸100 m左右。

第四，2013年12月和2014年9月發(fā)現(xiàn)崔家?guī)X礦新增垂直監(jiān)測點ZJ14等11個點有一定的下沉，這些點均位于引黃輸水洞線之上。

6.2 變動原因分析

從監(jiān)測成果分析來看，經(jīng)多年監(jiān)測，4個采空區(qū)變形量基本較小，處于相對穩(wěn)定狀態(tài)。發(fā)生變化的僅有崔家?guī)X礦這塊區(qū)域，考慮發(fā)生大的變化區(qū)域到洞軸線較遠(yuǎn)，影響暫時不大，但仍需對其進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測。

采空區(qū)土質(zhì)是濕陷性黃土，受季節(jié)氣溫、雨季雨量、凍土消融等因素影響，另外個別監(jiān)測點的埋設(shè)位置不可避免地靠近運煤鐵路、公路，引起一定變形，但這種變形是局部變形引起的，并非采空區(qū)整體沉降變形。在2012年和2013年冬季進(jìn)行的采空區(qū)灌漿治理工程也可能對監(jiān)測點造成擾動。

由于測區(qū)部分工作基點和監(jiān)測點不可避免地遭到破壞，基準(zhǔn)點的破壞影響其穩(wěn)定性評價，監(jiān)測點破壞不能準(zhǔn)確反映采空區(qū)變化范圍，對整個監(jiān)測工程的連續(xù)性和完整性造成了一定影響。

7 結(jié)語

國內(nèi)外煤礦采空區(qū)的變形監(jiān)測在礦井采礦沉陷變形及邊坡、壩體穩(wěn)定中大都采用全站儀或測量機器人進(jìn)行變形觀測，且范圍較小，精度不高，局限性較大。在高寒地區(qū)惡劣氣候等作業(yè)條件下，采用GPS和數(shù)字水準(zhǔn)方法，對地下已形成的煤礦采空區(qū)殘余變形進(jìn)行水平變形和垂直變形觀測，并采用地表與地下巖移監(jiān)測相互結(jié)合的方式，達(dá)到了較高精度。本采空區(qū)地表變形監(jiān)測技術(shù)為在采空區(qū)進(jìn)行同類工程監(jiān)測設(shè)計提供借鑒意義，對在同類采空區(qū)建設(shè)的工程穩(wěn)定性評價具有重大的參考價值。