基于動態(tài)測量的煤礦地表開采沉降觀測研究

朱天宇

摘 要：在煤炭開采的過程中地表部分會受到采掘活動的影響而出現(xiàn)沉降現(xiàn)象，進(jìn)而給地面構(gòu)筑物的整體結(jié)構(gòu)安全帶來較大的風(fēng)險隱患，因此必須要加強煤礦地表開采沉降觀測。觀測人員應(yīng)積極應(yīng)用動態(tài)測量等先進(jìn)的測量技術(shù)，合理選擇測量設(shè)備，充分利用各種軟件系統(tǒng)來提高數(shù)據(jù)處理能力，從而準(zhǔn)確掌握沉降變化情況，保證煤礦以及周邊地區(qū)的人員和財產(chǎn)安全。

關(guān)鍵詞：動態(tài)測量;煤礦開采;地表沉降;觀測研究

1 引言

煤炭是我國的重要能源基礎(chǔ)，但是在煤礦開采的過程中由于受煤層條件以及開采技術(shù)等多種印度的影響，在地表部分往往會產(chǎn)生沉降現(xiàn)象，而一旦沉降量超過允許的范圍時就會對其地面各種構(gòu)筑物造成較大的影響，因此必須高度重視煤礦開采過程中的沉降觀測工作。觀測人員應(yīng)根據(jù)煤礦開采的環(huán)境以及作業(yè)特點，合理布設(shè)觀測點，并積極應(yīng)用先進(jìn)的觀測設(shè)備對沉降情況進(jìn)行動態(tài)測量，同時還要對觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)的處理分析，以便準(zhǔn)確掌握沉降規(guī)律，從而為煤礦的生產(chǎn)作業(yè)以及周邊區(qū)域社會經(jīng)濟生活的正常開展提供更加可靠的安全保障。

2 煤礦地表開采沉降觀測中的動態(tài)測量

2.1 概述動態(tài)測量涵義

所謂動態(tài)測量主要指的是其測量研究對象將隨著時間的變化而產(chǎn)生值域范圍的變化，或者測量研究對象在時間維度上的值域雖然是相對固定的，不過其在空間維度上存在變化，因此需要通過測量技術(shù)來對其進(jìn)行動態(tài)測量分析。此外，即使測量對象在空間以及時間維度上的值域均為恒定，但其測量系統(tǒng)信號存在變化時，也需要采用相應(yīng)的測量技術(shù)來進(jìn)行觀測分析。當(dāng)測量研究對象滿足以上條件中的1個時，就可以被成為動態(tài)測量[1]。因此動態(tài)測量的主要特征就是測量系統(tǒng)是在運動條件下進(jìn)行測量的。在動態(tài)測量中通常需要測量目標(biāo)的幾何量，而空間參數(shù)能夠使幾何量數(shù)據(jù)的處理更加合理便捷，所以動態(tài)測量表現(xiàn)出時空性特征。同時在動態(tài)測量的過程中瓦崗位會受到各種外界因素的影響，因此測量數(shù)據(jù)結(jié)果往往表現(xiàn)為隨機函數(shù)形式。而動態(tài)測量由于是在運動條件下進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，所以測量數(shù)據(jù)不僅和其現(xiàn)時狀態(tài)具有關(guān)聯(lián)性，與其前后狀態(tài)變化也密切相關(guān)。此外，由于動態(tài)測量始終處在一個相對運動狀態(tài)下，并要通過相關(guān)的數(shù)學(xué)方式來描述測量結(jié)果與測量狀態(tài)之間的關(guān)系，因此動態(tài)測量也具有動態(tài)性特征。

2.2 常用的動態(tài)測量技術(shù)設(shè)備

在煤礦地表開采沉降觀測中，動態(tài)測量已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)由。而隨著測量技術(shù)的不斷發(fā)展，動態(tài)測量技術(shù)設(shè)備的類型越來越多元化，較好的適應(yīng)了不同應(yīng)用場景的動態(tài)測量要求。在煤礦地表開采沉降觀測實踐中，GPS、全站儀、激光跟蹤儀以及數(shù)字?jǐn)z影等技術(shù)設(shè)備是目前比較常用的大范圍動態(tài)測量儀器。其中數(shù)字?jǐn)z測技術(shù)能夠?qū)?0m范圍煤進(jìn)行較為精確的測量，其測量精度在1/10萬左右，該類型設(shè)備比較便于攜帶，且能夠在非接觸條件下完成高精度的批量測量，但是其單次測量范圍相對較小，在施測過程中比較容易受到環(huán)境因素的影響。GPS動態(tài)測量技術(shù)能夠快速完成多任務(wù)的動態(tài)測量工作，但是其在施測過程中為了保證發(fā)射器的穩(wěn)定性，對交會角度有一定的要求[2]。而全站儀測量技術(shù)雖然能夠?qū)^大范圍進(jìn)行動態(tài)測量，但該技術(shù)設(shè)備的自動化程度相對較低。與以上動態(tài)測量技術(shù)設(shè)備相比，激光跟蹤儀不僅具有較高的測量精度和動態(tài)性能，而且受外界因素的影響也比較小，因此在煤礦地表開采沉降觀測中被廣泛應(yīng)用。

3 煤礦地表開采沉降觀測中動態(tài)測量的實踐應(yīng)用

3.1 某煤礦基本情況

某煤礦主要采用的是走向長臂采煤方式，其作業(yè)面寬度為160m，長度為600m，煤層平均厚度為2.4m，而地面標(biāo)高在+20m到+23m左右。在開采區(qū)域上方有公路以及農(nóng)田存在，且臨近區(qū)域有零散民居存在。根據(jù)該煤礦的實際情況，在該基于動態(tài)測量的煤礦地表開采沉降觀測中采用動態(tài)測量方式，并利用激光跟蹤儀等測量設(shè)備作為主要觀測儀器。

3.2 合理布設(shè)觀測點

在本次基于動態(tài)測量的煤礦地表開采沉降的動態(tài)測量中，近井點的導(dǎo)入采用的是三等國家高程控制點，且埋深應(yīng)控制在0.5m左右，以保證基點可靠穩(wěn)定且能夠滿足測量精度要求。由于該煤礦具有采深較大的特點，云南次在布設(shè)觀測點時應(yīng)采取等距布設(shè)方法，且觀測點間距應(yīng)控制在40m左右。布設(shè)指應(yīng)沿作業(yè)面走向布設(shè)觀測點12個，觀測線1條，并要其傾向方向上設(shè)置觀測線5條，在各觀測線上還應(yīng)設(shè)點6個，以確保沉降觀測全面準(zhǔn)確。

3.3 沉降觀測數(shù)據(jù)的處理分析

該煤礦在一年的回采過程中對地面沉降進(jìn)行了持續(xù)性的動態(tài)測量，采集了大量沉降變化觀測數(shù)據(jù)。通過對觀測數(shù)據(jù)的初步分析發(fā)現(xiàn)，初次來壓發(fā)生在作業(yè)面開始采掘作業(yè)后的約12d。在經(jīng)過了11個月左右的開采作業(yè)后，推進(jìn)總長度為700m左右，而在此期間沉降量累積值為560mm左右。工作人員進(jìn)一步采用Origin等數(shù)據(jù)分析軟件來對各觀測點所獲取的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析處理。在計算分析過程中，將+20m作為地表高程值以便于計算。工作人員在分析軟件系統(tǒng)內(nèi)輸入所有觀測數(shù)據(jù)，有軟件系統(tǒng)根據(jù)預(yù)設(shè)公式來完成觀測區(qū)域?qū)?yīng)坐標(biāo)等的計算，并自動進(jìn)行坐標(biāo)圖以及3D沉降視圖的繪制。通過三維視圖可以直觀的發(fā)現(xiàn)在V11點位置的沉降值最大，因此對其對應(yīng)煤層進(jìn)行調(diào)查分析，發(fā)生該處煤層存在DF111正斷層1處，其傾角達(dá)到53o左右，且高差約為6m，因此導(dǎo)致該點沉降明顯。

3.4 該煤礦地表開采沉降觀測動態(tài)測量結(jié)果

通過對該煤礦開采過程中沉降量的動態(tài)測量發(fā)現(xiàn)，由于其沉降量的最大值已經(jīng)超過了560mm，明顯超出相關(guān)規(guī)范的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，因此其導(dǎo)致地表建筑發(fā)生坍塌以及開裂風(fēng)險的幾率較高，所以應(yīng)對作業(yè)面上方對應(yīng)位置的構(gòu)筑物采取加固甚至搬遷措施，以確保其結(jié)構(gòu)安全，避免造成人員和財產(chǎn)的重大損失[3]。同時在該煤礦的開采過程中，隨著采掘作業(yè)的不斷推進(jìn)，所有觀測點所測得的沉降量值均出現(xiàn)了相應(yīng)增加的情況，其中沉降量在開采初期的增加比較明顯，之后沉降差出現(xiàn)了逐步縮小的現(xiàn)象，且沉降變形呈現(xiàn)了日趨穩(wěn)定的趨勢。通過對該煤礦基于動態(tài)測量的煤礦地表開采總體沉降情況的動態(tài)測量可以得知，斷層是影響沉降總量的重要因素，所有在煤礦開采以及沉降分析中都必須高度重視斷層這一要素。在動態(tài)測量技術(shù)的實踐中，觀測人員需充分結(jié)合監(jiān)測范圍以及煤礦開采的實際情況來合理選擇觀測設(shè)備，這樣才能充分發(fā)揮動態(tài)測量技術(shù)的應(yīng)有的作用。此外，通過對基于動態(tài)測量的煤礦地表開采沉降的動態(tài)測量實踐發(fā)現(xiàn)，通過應(yīng)用激光追蹤儀等相關(guān)動態(tài)測量技術(shù)設(shè)備能夠有效提高數(shù)據(jù)采集的全面性和準(zhǔn)確性，從而為后續(xù)的分析研究提供了可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。而動態(tài)測量技術(shù)的配套軟件系統(tǒng)能夠自動完成三維視圖的構(gòu)建，對地表沉降情況進(jìn)行可視化呈現(xiàn)，不僅減輕了工作人員的勞動強度，而且能夠為煤礦的沉降控制以及地質(zhì)災(zāi)害的防治等提供更加全面直觀的參考依據(jù)。

4 結(jié)語

煤礦地表開采沉降觀測是保證煤礦以及其周邊地區(qū)地面建筑以及各種構(gòu)筑物安全的重要關(guān)節(jié)，因此在沉降觀測中應(yīng)積極應(yīng)用動態(tài)測量等先進(jìn)的觀測技術(shù)，合理布設(shè)觀測點，確保數(shù)據(jù)采集的全面性和準(zhǔn)確性。同時工作人員還應(yīng)利用相關(guān)的數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)對觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)的分析和判斷，以準(zhǔn)確掌握沉降規(guī)律，并為沉降控制等提供可靠的參考依據(jù)，從而防止沉降超限而誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害，促進(jìn)我國煤礦開采的可持續(xù)發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]薛紅杰.煤礦開采地面沉陷變形預(yù)測及防治對策[J].能源與節(jié)能，2020（3）：14-17.

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[3]陳智.動態(tài)測量在礦井地表開采沉降觀測中的應(yīng)用[J].中國金屬通報，2018（4）：149+151.