基于動(dòng)態(tài)測量的煤礦地表開采沉降觀測研究

陳二龍

（陽泉煤業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司二礦地質(zhì)測量部，山西 陽泉 045008）

0 引 言

因各種原因限制，充填開采在我國尚未普及，全部垮落法管理頂板仍是主流，但隨著煤炭資源不斷向深部開采，高強(qiáng)度的采掘工作引起的地表沉降問題日益嚴(yán)重，對地表的建構(gòu)筑物、公路、鐵路等構(gòu)成了威脅，為了最大限度地保護(hù)礦區(qū)地面村莊、交通設(shè)施、建筑、水體等不受地表沉降損害，研究煤礦開采引起的地表沉降移動(dòng)規(guī)律顯得尤為必要。

目前，研究地表沉降規(guī)律及其參數(shù)的傳統(tǒng)方法是建立地表移動(dòng)觀測站進(jìn)行現(xiàn)場觀測，通過現(xiàn)場觀測獲得大量的數(shù)據(jù)資料，然后對這些數(shù)據(jù)加以分析處理，獲得地表移動(dòng)和變形規(guī)律及其參數(shù)，再將獲得的地表移動(dòng)規(guī)律及參數(shù)應(yīng)用到解決開采沉降及“三下”采煤實(shí)踐問題中去。

1 動(dòng)態(tài)測量理論

1.1 基本定義

關(guān)于動(dòng)態(tài)量的定義，截止目前尚未有統(tǒng)一的科學(xué)論斷。但普遍被接受和認(rèn)同的是，只要被測量對象滿足以下四個(gè)條件其中任意一個(gè)，即為可被定義為動(dòng)態(tài)測量。

1）研究對象的值域范圍在時(shí)間上是變化的；

2）研究對象的值域在時(shí)間上是一定的，但在空間上是變化的，而測量設(shè)備或系統(tǒng)是在動(dòng)態(tài)情況下對研究對象進(jìn)行測量；

3）研究對象的值域在時(shí)間和空間上都恒定不變，但與研究對象相關(guān)的測量系統(tǒng)信號(hào)是變化的。

1.2 基本特征

動(dòng)態(tài)測量目前尚無統(tǒng)一定義，但在測量的全過程中，測量系統(tǒng)必須處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，這種認(rèn)識(shí)是一致的。動(dòng)態(tài)測量具有以下四個(gè)基本特征：

1）空間性。大多數(shù)情況下，幾何量測量使用空間參數(shù)更方面于數(shù)據(jù)處理，且更加合理，因此，動(dòng)態(tài)測量具有時(shí)空性。

2）隨機(jī)性。動(dòng)態(tài)測量總是存在各種外界干擾，其數(shù)據(jù)或結(jié)果、甚至被測目標(biāo)總表現(xiàn)為時(shí)間的隨機(jī)函數(shù)。

3）相關(guān)性。因測量處于動(dòng)態(tài)過程，測量數(shù)據(jù)除了與其當(dāng)下狀態(tài)有關(guān)，還與此刻前一時(shí)間的狀態(tài)變有關(guān)。

4）動(dòng)態(tài)性。對于測量的整個(gè)動(dòng)態(tài)過程中，動(dòng)態(tài)測量系統(tǒng)一直處于不固定的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，而這個(gè)過程要借助于方程來建立研究對象相關(guān)測量信息與測量系統(tǒng)輸出測量結(jié)果數(shù)據(jù)之間的關(guān)系或動(dòng)態(tài)測量系統(tǒng)內(nèi)部生成的狀態(tài)方程來完成描述，所以動(dòng)態(tài)測量表現(xiàn)出動(dòng)態(tài)性。

2 動(dòng)態(tài)測量方法選擇

動(dòng)態(tài)測量技術(shù)自其出現(xiàn)以來，以其獨(dú)有的數(shù)據(jù)優(yōu)勢，已在許多實(shí)踐中得到廣泛應(yīng)用，并且隨著當(dāng)前計(jì)量技術(shù)的迅速發(fā)展，逐步呈現(xiàn)出多元化趨勢，主要體現(xiàn)在動(dòng)態(tài)測量的方式方法、設(shè)備以及應(yīng)用場景等多個(gè)方面。目前，常見的大范圍動(dòng)態(tài)測量技術(shù)及設(shè)備主要有全站儀、數(shù)字?jǐn)z影、激光跟蹤儀、iGPS等，其設(shè)備參數(shù)及優(yōu)缺點(diǎn)對比見表1。

表1 大范圍動(dòng)態(tài)測量技術(shù)設(shè)備參數(shù)比較

根據(jù)以上對比分析，結(jié)合實(shí)際，本次選用激光跟蹤儀動(dòng)態(tài)測量技術(shù)完成地表沉降觀測。

3 工程實(shí)踐

3.1 工程概況

山西某礦10903工作面為走向長壁法采煤，全部垮落法管理頂板，工作面長620m，寬160m，平均煤厚2.4m。煤田區(qū)域上方均為農(nóng)田、荒地及鄉(xiāng)村道路，以南200m是零散民居，便于開展觀測研究。地面標(biāo)高+20.5m～+23m之間，工作面標(biāo)高在-750m～-785m之間。

3.2 測點(diǎn)布置

地表沉降觀測點(diǎn)采用國家三等高程控制點(diǎn)導(dǎo)入的近井點(diǎn)，埋入凍土深度以下0.5m，在保證測量精度的同時(shí)，也確保基點(diǎn)的穩(wěn)定可靠，與地表同步移動(dòng)。因此處采深較大，設(shè)計(jì)采用40m等間距布置測點(diǎn)，沿走向布置1條觀測線12個(gè)觀測點(diǎn)（V），沿傾向布置5條觀測線（A、B、C、D、E），每條觀測線 6個(gè)點(diǎn)，共計(jì) 42個(gè)測點(diǎn)，具體布置如圖1所示。

圖1 工作面及測點(diǎn)布置圖

3.3 數(shù)據(jù)處理

歷經(jīng)近一年的回采及后續(xù)不間斷的觀測，得到了大量數(shù)據(jù)。觀測數(shù)據(jù)顯示，工作面開始推進(jìn)后12天初次來壓，經(jīng)11個(gè)月，工作面收尾，期間共推進(jìn)700m，累計(jì)最大下沉量562mm，各測點(diǎn)累計(jì)下沉量統(tǒng)計(jì)見表2。

表2 各測點(diǎn)累計(jì)下沉量統(tǒng)計(jì)表

數(shù)據(jù)處理采用Originlab公司出品的Origin分析繪圖軟件來完成，借助于Origin軟件強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析及繪圖功能來完成后期數(shù)據(jù)處理分析。為便于計(jì)算，地表高程以+20m代入計(jì)算，經(jīng)過處理，將觀測點(diǎn)導(dǎo)入軟件得出對應(yīng)坐標(biāo)圖（見圖2），得出觀測區(qū)域的三維沉降視圖（見圖3）。

圖2 觀測點(diǎn)坐標(biāo)模擬圖

圖3 觀測區(qū)域三維沉降視圖

最大沉降點(diǎn)出現(xiàn)在V11點(diǎn)處，經(jīng)分析，該處對應(yīng)煤層位置存在一處高差6米、傾角53°的DF111正斷層，使得總體沉降量增大。

4 結(jié)束語

地表沉降現(xiàn)場觀測研究對于保護(hù)地表建構(gòu)筑物、水體、公路鐵路具有重要意義，在充分了解了本礦區(qū)開采沉降規(guī)律的前提下，可以更合理的優(yōu)化工作面及巷道布置，為更合理的“三下”采煤預(yù)案提供了參考。經(jīng)過一年多的現(xiàn)場觀測及分析研究，對深部開采引起的地表變形進(jìn)行了詳細(xì)分析。

1）最大沉降量達(dá)到562mm，劇烈程度已完全可以引起建筑物開裂甚至坍塌，如遇工作面對應(yīng)上方存在建構(gòu)筑物的，應(yīng)提前做出搬遷或加固等預(yù)案。

2）各測點(diǎn)沉降量隨著開采進(jìn)行而逐漸增大，前期沉降量比較大，隨后沉降差逐漸減小，沉降變形逐漸趨于穩(wěn)定。

3）斷層對于沉降總量有一定影響，在分析開采區(qū)域整體沉降時(shí)，斷層是必須考慮的因素。

4）動(dòng)態(tài)測量技術(shù)在研究地表沉陷問題上是可行的，激光跟蹤儀動(dòng)態(tài)測量技術(shù)的應(yīng)用極大地減少了人的工作量，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性也大大提高，對于后續(xù)研究具有重要意義，設(shè)備選擇應(yīng)根據(jù)所需監(jiān)測范圍研究決定。三維視圖的建立使得對地表沉陷的描述更加直觀全面，對于后期預(yù)案制定、決策部署提供直觀參考。