動(dòng)態(tài)測(cè)量技術(shù)在地表沉降觀測(cè)中的應(yīng)用

侯宏劍

摘 要： 隨著人類采礦活動(dòng)的日漸頻繁，地表沉降作為一種事故的危害逐漸顯現(xiàn)出來(lái)。我國(guó)作為資源和人口大國(guó)，過(guò)量的采礦和采集地下水使我國(guó)的地表沉降現(xiàn)象尤為嚴(yán)重，我國(guó)的很多人口密集地區(qū)和礦產(chǎn)區(qū)都有不同程度的地面沉降現(xiàn)象，而這其中不乏上海、北京這樣的大城市。在世界范圍內(nèi)，有超過(guò)150個(gè)國(guó)家都面臨地表沉降的困擾，其中以美國(guó)、日本、墨西哥、俄羅斯等人口密集國(guó)家和資源出口國(guó)家較為嚴(yán)重，地表沉降造成的地面塌陷事故給人們的生命安全和財(cái)產(chǎn)造成了巨大的損失，因此對(duì)于地表沉降的狀態(tài)進(jìn)行及時(shí)觀測(cè)，以防止地面塌陷事故是非常有必要的。

關(guān)鍵詞： 動(dòng)態(tài)測(cè)量技術(shù);地表沉降;觀測(cè)應(yīng)用

【中圖分類號(hào)】P235.2 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【DOI】10.12215/j.issn.1674-3733.2020.40.038

引言：隨著煤礦采深不斷加大，地表沉降范圍和烈度在一定程度上有所增加和擴(kuò)大，地表沉降帶來(lái)的環(huán)境及構(gòu)建物破壞問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重，尤其是“三下”采煤?jiǎn)栴}更為突出。為最大限度地減小損失、降低威脅，研究開(kāi)采沉降規(guī)律，為礦井開(kāi)拓部署提供決策依據(jù)尤為重要。文章通過(guò)研究當(dāng)下主流的地表沉降觀測(cè)方法，將動(dòng)態(tài)測(cè)量技術(shù)引入到地表沉降觀測(cè)中來(lái)。動(dòng)態(tài)測(cè)量技術(shù)在地表沉降觀測(cè)中的應(yīng)用取得了良好效果，為礦井開(kāi)拓部署決策提供了決策支持，為研究地表沉降提供了參考。

1 地表沉降

地表沉降（groundsurfacesettlement）是坑探工程學(xué)科中的一個(gè)專有名詞，是指因挖礦或采集地下水地面下方中空，地表巖層因失去支撐而下沉的現(xiàn)象。一般來(lái)說(shuō)，這種現(xiàn)象多出現(xiàn)在礦區(qū)的采空區(qū)或大量采集地下水的區(qū)域。除了挖礦和采集地下水之外，巖溶塌陷和密集的高層建筑的重力壓迫也是導(dǎo)致地表沉降的主要因素，我國(guó)大城市中出現(xiàn)不同程度的地表沉降有兩大原因，一是超采地下水，二是過(guò)多的密集高層建筑群的重力壓迫效應(yīng)。地表沉降對(duì)于人類生產(chǎn)活動(dòng)的危害極大，地表沉降造成的地面開(kāi)裂不但會(huì)造成建筑物的傾斜和倒塌，而且濱海城市的地表沉降還會(huì)造成海水倒灌，海水入侵會(huì)改變當(dāng)?shù)氐耐翆咏Y(jié)構(gòu)，對(duì)于當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)作業(yè)會(huì)造成嚴(yán)重的影響，然而目前世界范圍內(nèi)頻繁發(fā)生地表沉降的正是高層建筑密集的大型濱海城市，因此，及時(shí)地預(yù)防地表沉降，避免其對(duì)人類活動(dòng)造成損失是至關(guān)重要的，而及時(shí)地對(duì)地表沉降進(jìn)行觀測(cè)是防治地表沉降的第一步。

2 動(dòng)態(tài)測(cè)量技術(shù)

動(dòng)態(tài)測(cè)量技術(shù)的出現(xiàn)，極大地解放了人工測(cè)量工作量大、操作時(shí)間長(zhǎng)的束縛，在數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)計(jì)算方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用。隨著信息技術(shù)的迅速發(fā)展，動(dòng)態(tài)測(cè)量技術(shù)在方法和設(shè)備方面也更加多元。

2.1 概念

對(duì)于動(dòng)態(tài)測(cè)量的概念，至今為止，尚未有嚴(yán)格的定義。但普遍認(rèn)為，測(cè)量的對(duì)象符合以下條件即為動(dòng)態(tài)測(cè)量：①量值隨時(shí)間變化;②量值不隨時(shí)間變化，但隨空間變化（可連續(xù)或不連續(xù)），測(cè)量系統(tǒng)工作時(shí)處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài);③量值既不隨時(shí)間變化也不隨空間變化，但與被測(cè)對(duì)象有關(guān)的測(cè)量信號(hào)是變化的。

2.2 特征動(dòng)態(tài)測(cè)量具有以下特征

①時(shí)空性。測(cè)量數(shù)據(jù)為空間次參數(shù)，更能描述點(diǎn)位狀態(tài)，表現(xiàn)為時(shí)空性;②隨機(jī)性。動(dòng)態(tài)測(cè)量的數(shù)據(jù)并不一定呈現(xiàn)為一定規(guī)律，表現(xiàn)出與時(shí)間或空間有關(guān)的隨機(jī)函數(shù)，即隨機(jī)性;③相關(guān)性。目標(biāo)數(shù)據(jù)與測(cè)量對(duì)象測(cè)量時(shí)的狀態(tài)有關(guān)，也與其發(fā)展量變規(guī)律有關(guān)，表現(xiàn)出與現(xiàn)狀與未來(lái)的相關(guān)性。

2.3 主要方法

常用的動(dòng)態(tài)測(cè)量技術(shù)裝備主要有全站儀測(cè)量、攝影測(cè)定技術(shù)、激光跟蹤儀、室內(nèi)GPS技術(shù)等。

2.4 適用范圍

受巖層移動(dòng)角影響，礦井地表沉降常規(guī)測(cè)量觀測(cè)一般范圍都比較大，對(duì)于動(dòng)輒數(shù)百厘米的沉降量來(lái)說(shuō)，精確度有要求但要求并不高;而動(dòng)態(tài)測(cè)量技術(shù)集合光電探測(cè)技術(shù)、精密機(jī)械技術(shù)、計(jì)算機(jī)及控制技術(shù)、現(xiàn)代數(shù)值計(jì)算理論等于一體，對(duì)空間動(dòng)態(tài)目標(biāo)的三維坐標(biāo)進(jìn)行實(shí)施跟蹤測(cè)量，具有精度高、效率高、實(shí)時(shí)、安裝快捷、操作簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，尤其適用于大范圍精確測(cè)量。

3 實(shí)際應(yīng)用

為了將動(dòng)態(tài)測(cè)量技術(shù)實(shí)際應(yīng)用到地表沉降觀測(cè)中，筆者前往當(dāng)?shù)啬趁旱V進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，并以此為例說(shuō)明動(dòng)態(tài)測(cè)量技術(shù)在地表沉降觀測(cè)中的應(yīng)用。

（1）工程概況。該煤礦5-108工作面長(zhǎng)度約為575m，寬度約為153m，平均煤層厚度約為4m，屬于長(zhǎng)壁采煤區(qū)。采空區(qū)上方有鄉(xiāng)村、公路和山坡，這種煤礦如果發(fā)生地表沉降會(huì)對(duì)采空區(qū)上方造成較大危害，因此選擇在此煤礦進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用。

（2）觀測(cè)點(diǎn)布置。①布置原則。一般而言，煤礦采礦區(qū)的巖石移動(dòng)較為明顯，會(huì)對(duì)動(dòng)態(tài)測(cè)量的數(shù)據(jù)造成一定影響。因此在布置觀測(cè)點(diǎn)時(shí)，需遵循以下原則：地表沉降是沉降最嚴(yán)重的點(diǎn)往往位于工作面的中軸線上，因此觀測(cè)點(diǎn)應(yīng)盡可能覆蓋下沉區(qū)的中心斷面，以保證對(duì)下沉中心區(qū)的測(cè)量;觀測(cè)點(diǎn)的測(cè)量范圍應(yīng)大于地表下沉區(qū)的下沉范圍，從而確保對(duì)于地表沉降數(shù)據(jù)的收集;觀測(cè)點(diǎn)的測(cè)量設(shè)備的支撐結(jié)構(gòu)應(yīng)盡可能深埋，以保證觀測(cè)點(diǎn)測(cè)量設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。②布置范圍。根據(jù)對(duì)該煤礦的測(cè)算，共計(jì)布置了28個(gè)觀測(cè)站，每?jī)蓚€(gè)觀測(cè)站的距離約為40m，觀測(cè)點(diǎn)的代號(hào)為V，控制點(diǎn)的代號(hào)為K，控制點(diǎn)的主要作用是作為觀測(cè)的參考基礎(chǔ)，控制點(diǎn)支撐設(shè)備的埋深一般為0.5m。

（3）地表沉降觀測(cè)。地表沉降觀測(cè)的主要設(shè)備為激光跟蹤儀。激光跟蹤儀是一種以光學(xué)原理對(duì)被測(cè)量對(duì)象進(jìn)行觀測(cè)的裝置，通過(guò)對(duì)發(fā)射激光反射激光的偏差測(cè)量，使激光發(fā)射頭產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的偏轉(zhuǎn)，達(dá)到與被測(cè)量對(duì)象的平衡狀態(tài)，以此來(lái)完成對(duì)被測(cè)量對(duì)象的跟蹤效果，因而得名“激光跟蹤儀”。在本次測(cè)量中，使用激光跟蹤儀來(lái)完成對(duì)地表沉降區(qū)的動(dòng)態(tài)測(cè)量。

預(yù)設(shè)的測(cè)量時(shí)間為8個(gè)月，每隔兩個(gè)月收集一次數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)8個(gè)月的測(cè)量，測(cè)得的工作面在收尾期間的推進(jìn)距離為555m，地表最大沉降量為2643mm，第2、4個(gè)月時(shí)未見(jiàn)明顯沉降，第6、8個(gè)月時(shí)出現(xiàn)沉降。

4 總結(jié)

為了驗(yàn)證動(dòng)態(tài)測(cè)量技術(shù)在地表沉降觀測(cè)中的應(yīng)用效果，以實(shí)地測(cè)量的方式研究了動(dòng)態(tài)測(cè)量技術(shù)對(duì)煤礦采空區(qū)地表沉降的測(cè)量效果。測(cè)量結(jié)果表明，采用動(dòng)態(tài)測(cè)量技術(shù)所得出的實(shí)際結(jié)果與地表沉降的理論推算結(jié)果吻合度較好，這種動(dòng)態(tài)測(cè)量方式非常適用于對(duì)采礦區(qū)的地表沉降測(cè)量。動(dòng)態(tài)測(cè)量技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)采礦區(qū)地表的自動(dòng)化測(cè)量，對(duì)于提升測(cè)量效率、提升測(cè)量精確度和減少人工勞動(dòng)等方面有著非常大的作用，但動(dòng)態(tài)測(cè)量的數(shù)據(jù)規(guī)模較傳統(tǒng)測(cè)量法更多，因此需要專業(yè)的數(shù)據(jù)處理方式來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，而本文受制于篇幅限制，未能對(duì)此進(jìn)行說(shuō)明，期待后續(xù)的研究能夠完善此部分，使動(dòng)態(tài)測(cè)量技術(shù)真正應(yīng)用到地表沉降測(cè)量中，起到預(yù)防地面塌陷的作用，保護(hù)我國(guó)人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。

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