復(fù)雜地形礦區(qū)地表巖移觀測(cè)研究

曹康樂(lè)

(山西汾西礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司高陽(yáng)煤礦，山西 孝義 032306)

我國(guó)煤炭賦存條件具有較大差異，各個(gè)礦區(qū)地表地形及地貌差異也較為明顯，在平原、丘陵、山區(qū)等煤礦均有分布[1～3]。在地形條件復(fù)雜的區(qū)域開采煤炭時(shí)地表變形觀測(cè)往往受阻，導(dǎo)致測(cè)量效率低下，如何在復(fù)雜地形區(qū)域構(gòu)建科學(xué)有效的地表測(cè)站，并對(duì)地表巖移觀測(cè)對(duì)獲取巖移參數(shù)、研究開采沉陷規(guī)律、優(yōu)化井下采場(chǎng)布局均有重要的促進(jìn)意義。

1 工程地質(zhì)概況

山西某礦位于山區(qū)，地表溝壑、山丘眾布，地形地貌復(fù)雜，開采范圍內(nèi)共計(jì)有5層煤可采，編號(hào)依次為2號(hào)、5號(hào)、9號(hào)及11號(hào)，現(xiàn)階段主采5號(hào)煤層。3506回采工作面開采5號(hào)煤，厚度2.9m、埋深470～560m，該回采工作直接頂為泥巖，局部受到?jīng)_刷帶影響巖性為砂、泥混合物，直接底為砂質(zhì)泥巖。采用綜采工藝開采，全部垮落法管理頂板。由于礦井所在區(qū)域山區(qū)，地表最大落差為360m，在地表巖移觀測(cè)時(shí)存在以下主要特征[4～5]：

1)地表地形復(fù)雜、通行困難

礦井在位于山區(qū)，地形復(fù)雜，無(wú)路在地表通行時(shí)較為困難。同時(shí)在地形坡度較陡，在地表布置的測(cè)站內(nèi)測(cè)量時(shí)受到自然風(fēng)影響顯著會(huì)給布置儀器的穩(wěn)定性以及測(cè)量精度帶來(lái)較大影響。加之礦區(qū)原有的高級(jí)別控制點(diǎn)較遠(yuǎn)，通行線路受困，也在一定程度上制約測(cè)量效率。

2)測(cè)量精度低

在測(cè)量過(guò)程中由于通視條件不好，造成轉(zhuǎn)測(cè)復(fù)雜，難以保證測(cè)量精度。

3)測(cè)量效率低

采用的常規(guī)測(cè)量技術(shù)不能時(shí)實(shí)對(duì)比表巖層移動(dòng)變形數(shù)據(jù)進(jìn)行觀測(cè)，難以全天候?qū)崟r(shí)對(duì)巖移量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

2 地表巖層測(cè)站設(shè)計(jì)

2.1 角值參數(shù)選取

由于礦井前期未進(jìn)行過(guò)地表巖層位移觀測(cè)，具體布置的測(cè)站觀測(cè)角賦值參考其他同類礦井確定，具體見(jiàn)表1。

表1 測(cè)站布置測(cè)角參數(shù)參考表

在布置地表測(cè)站時(shí)既要考慮地表重要構(gòu)筑物變形、又要考慮巖層移動(dòng)變形測(cè)量需要，因此具體布置的測(cè)站采用線型觀測(cè)結(jié)合特征點(diǎn)觀測(cè)方式，其中用以確定地表巖層移動(dòng)數(shù)據(jù)的布置成兩條半盆地形式。

具體布置的測(cè)站形式有網(wǎng)狀、半盆地以及盆地測(cè)量等形式，由于3506回采工作面布置形式為不規(guī)則多邊形，本著便于觀測(cè)以及求和原則，具體在采面對(duì)應(yīng)地表上布置兩條半盆地測(cè)線，布置的測(cè)線長(zhǎng)度以及測(cè)點(diǎn)位置按照表1中的角值參數(shù)確定，具體布置情況見(jiàn)圖1、2。

圖1 走向測(cè)線測(cè)量布置示意圖

圖2 傾向測(cè)線測(cè)量布置示意圖

布置的走向測(cè)線、傾向測(cè)線長(zhǎng)度分別為725m、600m，依據(jù)《煤礦安全規(guī)程》要求，由于采面采深在470m～560m>300m，因此布置的測(cè)點(diǎn)間距為25m。因此，在縱向測(cè)線、橫向測(cè)線上分別按照25m距離布置30個(gè)測(cè)單、25個(gè)測(cè)點(diǎn)，此外在布置的兩條測(cè)線最外側(cè)各確定2個(gè)控制點(diǎn)，間距為50m。

2.2監(jiān)測(cè)方案優(yōu)選

根據(jù)選用的監(jiān)測(cè)方法以及測(cè)點(diǎn)布置，具體提出以下三種監(jiān)測(cè)方案，具體為：全自動(dòng)監(jiān)測(cè)方案、半自動(dòng)監(jiān)測(cè)方案以及人工監(jiān)測(cè)方案。

1)全自動(dòng)監(jiān)測(cè)方案

該監(jiān)測(cè)方案選用GPS測(cè)量技術(shù)，在每個(gè)測(cè)點(diǎn)上布置一臺(tái)接收天線，多個(gè)測(cè)點(diǎn)共用一個(gè)GPS接收機(jī)，通過(guò)天線控制器獲取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括有基站系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)以及野外供電系統(tǒng)等構(gòu)成，具體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。

2)人工監(jiān)測(cè)方案

圖3 全自動(dòng)監(jiān)測(cè)方案

人工監(jiān)測(cè)方案選用傳統(tǒng)的水準(zhǔn)儀、全站儀或者經(jīng)緯儀等設(shè)備，通過(guò)測(cè)量人員對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)不斷觀測(cè)，獲取大量變形數(shù)據(jù)。

3)半自動(dòng)監(jiān)測(cè)方案

選用常規(guī)人工測(cè)量與GPS測(cè)量相結(jié)合方法，GPS測(cè)量具備全自動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)能力，將GPS測(cè)量獲取到的數(shù)據(jù)作為人工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的起始觀測(cè)數(shù)據(jù)，既可以滿足地表巖移實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)需要，又可以在一定程度上減低設(shè)備采購(gòu)成本并降低測(cè)量人員勞動(dòng)強(qiáng)度。

為了確定較為合適的測(cè)量方案，從數(shù)據(jù)獲取速度、觀測(cè)便捷性、測(cè)量投入、監(jiān)測(cè)江都以及預(yù)警能力放方面對(duì)各個(gè)測(cè)量方案進(jìn)行比對(duì)，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 監(jiān)測(cè)方案對(duì)比結(jié)果

從表2中看出，上述三種監(jiān)測(cè)方案監(jiān)測(cè)精度均可以滿足地表巖移觀測(cè)需要，但是采用人工監(jiān)測(cè)方案時(shí)存在測(cè)量耗時(shí)長(zhǎng)、測(cè)量難度大以及周期長(zhǎng)等問(wèn)題；全自動(dòng)監(jiān)測(cè)方案時(shí)可以提升監(jiān)測(cè)效率以及人力資源，可以實(shí)時(shí)全天候?qū)Φ乇韼r移進(jìn)行監(jiān)測(cè)，但是也存在監(jiān)測(cè)成本高昂?jiǎn)栴}；采用半自動(dòng)監(jiān)測(cè)方案可以在一定程度上降低測(cè)站布置成本，同時(shí)降低測(cè)量過(guò)程中人員投入，并在一定程度上提升人工測(cè)量效率，采用該方案結(jié)合全自動(dòng)測(cè)量以及人工測(cè)量?jī)煞N方案優(yōu)勢(shì)，在測(cè)線上布置4個(gè)GPS監(jiān)測(cè)站，其中兩個(gè)為基準(zhǔn)監(jiān)測(cè)站、兩個(gè)為變形監(jiān)測(cè)站；通過(guò)采用GPS輔助人工測(cè)量方式一方面可以實(shí)現(xiàn)部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)的全方位實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，及時(shí)掌握地表巖移信息及后續(xù)變化趨勢(shì)，為加密觀測(cè)、全方位觀測(cè)提供便利，并降低測(cè)量人員巡檢測(cè)量頻率；另一方面可以將GPS測(cè)量結(jié)果作為后續(xù)人工測(cè)量起始點(diǎn)，不需要將測(cè)量量與礦區(qū)較遠(yuǎn)位置控制點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)系測(cè)量，降低后續(xù)測(cè)量數(shù)據(jù)處理以及測(cè)量過(guò)程難度，雖然成本較人工測(cè)量時(shí)稍微增加，但是觀測(cè)難度及工作量卻顯著降低。半自動(dòng)測(cè)量角相對(duì)于全自動(dòng)測(cè)量而言可以滿足地表巖移測(cè)量需要，并降低布置測(cè)站成本。

綜合上述分析，在復(fù)雜地形條件下選用半自動(dòng)測(cè)量方案可以較好的滿足本次地表巖移觀測(cè)需要，同時(shí)在經(jīng)濟(jì)、技術(shù)以及監(jiān)測(cè)精度等方面均體現(xiàn)出一定的優(yōu)勢(shì)，可以滿足復(fù)雜或者特殊地表變形間隙需要，簡(jiǎn)化測(cè)量過(guò)程降低觀測(cè)成本?，F(xiàn)階段該礦已經(jīng)完成地表變形監(jiān)測(cè)工作，并補(bǔ)充總結(jié)了巖移動(dòng)角，變形監(jiān)測(cè)結(jié)果已經(jīng)在礦井推廣應(yīng)用。

3 結(jié)束語(yǔ)

地表復(fù)雜礦井進(jìn)行地表巖移觀測(cè)時(shí)難度較大，根據(jù)礦井現(xiàn)有監(jiān)測(cè)設(shè)備基礎(chǔ)上，綜合對(duì)比不同測(cè)量方案優(yōu)缺點(diǎn)，綜合選取采用人工觀測(cè)結(jié)合GPS觀測(cè)的半自動(dòng)觀測(cè)方式，該技術(shù)方案充分發(fā)揮GPS觀測(cè)自動(dòng)化程度高以及人工觀測(cè)成本低優(yōu)勢(shì)，在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢(shì)，提升了巖移觀測(cè)效率，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了巖移的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)預(yù)警。