紅樹梁煤礦首采面智能巖移觀測站設(shè)計研究

張 建

(準(zhǔn)格爾旗宏豐運銷有限責(zé)任公司紅樹梁煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017100)

大多數(shù)礦山開采沉陷監(jiān)測依然采用傳統(tǒng)的觀測方法，即采用全站儀測平面坐標(biāo)，電子水準(zhǔn)儀觀測高程，在地形起伏較小的平原區(qū)其平面和高程均可達(dá)到毫米級，但對于地形起伏較大的丘陵和山區(qū)，采用傳統(tǒng)觀測方法不僅觀測十分困難而且效率極低[1-3]。

近年來隨著北斗/GPS技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，在開采沉陷觀測領(lǐng)域也在嘗試其應(yīng)用研究，中國礦業(yè)大學(xué)、河南理工大學(xué)等高校，研究在地表巖移觀測站關(guān)鍵位置布設(shè)2～4組(以三個獨立GPS接收機為一組)自動實時監(jiān)測點，以求取概率積分法采動過程中的超前影響角、下沉速度、時間等動態(tài)參數(shù)，該方法雖然部分提高了觀測效率，但因采用多組獨立的北斗/GPS雙頻接收機，特別野外無電的情況下，需采用太陽能光伏供電，占地大、布設(shè)困難，費用高，一般是傳統(tǒng)觀測站造價的2～4倍，且其他絕大部分測點仍采用傳統(tǒng)方法設(shè)點與觀測，從而實現(xiàn)觀測站部分自動化監(jiān)測。近年來隨著北斗/GPS一機多天線技術(shù)的發(fā)展，性價比及精度的不斷提高，在水庫大壩、橋梁、邊坡等監(jiān)測進(jìn)行了應(yīng)用研究，取得了良好的效果[4-7]；但將北斗/GPS一機多天線技術(shù)研究應(yīng)用于煤礦巖移觀測站智能觀測，在國內(nèi)還屬空白，該項技術(shù)研究與應(yīng)用，可實現(xiàn)巖移觀測站的自動化、無人化和智能化，并隨著北斗/GPS、5G技術(shù)、云計算技術(shù)的發(fā)展，智能巖移觀測站建站及監(jiān)測運營成本還將進(jìn)一步降低，具有廣闊的發(fā)展空間和良好的應(yīng)用推廣前景。

1 首采工作面基礎(chǔ)地質(zhì)條件

1.1 首采工作面自然概況

紅樹梁煤礦位于鄂爾多斯高原東北部，地形總體趨勢是西北高、東南低，地貌為黃土丘陵切割類型，黃河從井田東側(cè)由北向南流過，受黃河支流房塔溝向源侵蝕的影響，區(qū)內(nèi)的“V”字型沖溝十分發(fā)育，呈樹枝狀分布，形成溝壑縱橫、峁梁散布、支離破碎的地形特點。

紅樹梁首采工作面對應(yīng)地表起伏較大，最大高差在130m左右，如圖1所示。

圖1 紅樹梁煤礦首先工作面井上下對照

1.2 首采面地質(zhì)采礦條件

紅樹梁煤礦建設(shè)規(guī)模為5.0Mt/a，設(shè)計將井田劃分為一個主水平和兩個輔助水平，其中主水平主要開采6號煤組，主水平標(biāo)高為+978m(為副斜井見6號煤落底標(biāo)高)。在4號煤設(shè)置第一輔助水平，主要開采4號煤；在5號煤設(shè)置第二輔助水平，主要開采5號煤。

礦井初期布置一個6號煤盤區(qū)，一個回采工作面保證礦井設(shè)計生產(chǎn)能力。首采盤區(qū)為6號煤一盤區(qū)。首采工作面是位于井底附近的6102工作面，其走向長1237m，傾斜長260m，傾角2°～14°，煤層自然厚度3.25～12.70m，平均厚度為7.25m，采用綜采放頂煤開采，全部陷落法管理頂板，設(shè)計機采高度為3.5m，放煤高度平均為3.75m，采放比平均為1∶1.07；放煤高度最大為9.2m，采放比最大為1∶2.6。地面標(biāo)高+1058～1178m，最大落差120m；根據(jù)首采面上方BK-8、BK-15、BK-22、BK-25四個鉆孔資料計算分析，6煤層煤層埋深75～130m，平均102m。第四系、第三系平均厚40m，6煤層上覆基巖厚度平均為62m。首采面含煤地層為石炭二疊紀(jì)，地層由新至老分別為：

1)第四系、第三系：主要由風(fēng)積沙、黃土、第三系磚紅色粘土巖組成。

2)二疊系山西組：主要由中、粗粒砂巖、高嶺質(zhì)泥巖、粉砂巖、炭質(zhì)泥巖、砂質(zhì)泥巖組成。

3)石炭系太原組、本溪組：主要由高嶺質(zhì)泥巖、中、粗粒砂巖、細(xì)砂、粉砂巖、煤、炭質(zhì)泥巖、砂質(zhì)泥巖組成；主采煤層六煤層就賦存于太原組上部。

2 巖移觀測站設(shè)計參數(shù)選取與計算

2.1 移動角選取

該工作面為首采面，其移動角參數(shù)只能參照鄰近和國內(nèi)類似的礦區(qū)地表移動觀測站實測數(shù)據(jù)綜合分析確定，考慮到該首采面含煤地層為石炭二迭系，近水平煤層，且有一定厚度的第四、三系松散覆蓋層，最終分析確定巖移觀測站設(shè)計角量參數(shù)為：沖積層移動角45、走向、上山及下山移動角65°。

2.2 觀測線長度計算

首采工作面采深相對較淺，工作面沿走向和傾向方向均達(dá)到充分采動，因此本次觀測站采用走向和傾向方向設(shè)置半盆地移動觀測線方式，其走向和傾向半盆地測線長度計算：

Lz=h·cot(φ-Δφ)+(H-h)·cot(δ-Δδ)

Lq·上=h·cot(φ-Δφ)+(H-h)·cot(γ-Δγ)

Lq·下=h·cot(φ-Δφ)+(H-h)·cot(β-Δβ)

式中，Lz為走向觀測線終采線或切眼外側(cè)長度，m；Lq·上為上山觀測線開采邊界外側(cè)長度，m；Lq·下為下山觀測線開采邊界外側(cè)長度，m；h為松散沖積層平均厚度，m；H為開采煤層平均采深，m；φ、δ、γ、β為沖積層、走向、上山、下山移動角，(°)；Δφ、Δδ、Δγ、Δβ為計算觀測線長度煤礦測量規(guī)程調(diào)整值，參見《煤礦測量規(guī)程》表44。

本次取值為φ=45°，δ=γ=β=65°，Δφ=5°，Δδ=Δγ=Δβ=20°，依據(jù)h=40m、H=102m，分別求得Lz=110m、Lq·上=110m、Lq·下=110m。

3 智能觀測方法及巖移觀測站設(shè)計研究

3.1 智能觀測方法研究

巖移觀測方法近30年來發(fā)展很快，20世紀(jì)80年代采用水準(zhǔn)測量高程，鋼尺量邊及經(jīng)緯儀測角求取平面變形；之后發(fā)展至今，水準(zhǔn)測量由光學(xué)水準(zhǔn)發(fā)展為高精度自動觀測電子水準(zhǔn)儀，測角量邊發(fā)展為全站儀和全自動機器人；與此同時隨著GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)的發(fā)展及應(yīng)用，特別是我國自主組網(wǎng)北斗系統(tǒng)的成功應(yīng)用，為全面應(yīng)用全球衛(wèi)星定位技術(shù)解決大地測量問題提供新的高可靠、高精度、智能化觀測方法[8-11]。

紅樹粱礦首采面地面為黃土丘陵地形，沖溝十分發(fā)育；采用傳統(tǒng)的走向和傾向線布置，因受地形限制無法實現(xiàn)，必須采用沿現(xiàn)有農(nóng)村道路進(jìn)行布設(shè)，根據(jù)上述觀測線長度計算，將測點布置在沉陷影響區(qū)域以外適當(dāng)距離，以準(zhǔn)確捕捉到開采沉陷邊界，求得邊界角；考慮到首采面走向和傾向長度均大于1.4H，已達(dá)充分采動，且煤層近水平，因此可考慮僅設(shè)置走向和傾向半盆地測線各一條，即可滿足規(guī)程相關(guān)要求。本次采用近走向和傾向方向沿農(nóng)村小路布設(shè)方式(見圖1)，由于道路坡陡、彎曲，通視條件較差，傳統(tǒng)水準(zhǔn)及全站儀測量，測點布置受限，觀測難度大，耗時又耗力；采用北斗/GPS靜態(tài)觀測，投入設(shè)備和人員多，一次觀測費用高，且無法獲得連續(xù)、實時、高精度三維觀測數(shù)據(jù)，特別是高程精度很難達(dá)到毫米級精度要求，難已獲得采動過程中的開采沉陷變形規(guī)律。

綜上分析研究，本次選用北斗/GPS一機多天線實時觀測技術(shù)，進(jìn)行首采面巖移觀測站設(shè)計走向和傾向共用一個雙頻GPS基準(zhǔn)點，走向和傾向分別設(shè)置一機6天線兩組雙頻GPS接收機，測點天線間距20～25m。

3.2 基于一機多天線技術(shù)的巖移觀測站設(shè)計研究

一機多天線技術(shù)是將一臺北斗/GPS接收機與多個天線相結(jié)合，在不改變已有GPS接收機結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過一個增設(shè)的GPS信號分時器連接開關(guān)，將多個天線與同一臺接收機連接，實現(xiàn)一臺接收機監(jiān)測多個測點三維變形的目的。一般一臺接收機可帶4～16個天線，但天線與接收機間信號傳輸受距離的限制，一般隨距離增加GPS信號衰減明顯；試驗研究表明，采用低損耗電纜或者光纖傳輸，最大間距一般控制在100m以內(nèi)；若要再增加距離，則需增設(shè)GPS信號放大器。根據(jù)巖移觀測站設(shè)計規(guī)程，測點間距在20～30m，同時考慮到一個測點天線要連續(xù)觀測2h以上，才能通過后臺大數(shù)據(jù)處理，獲得毫米級三維觀測精度，因而一機多天線以控制在一機帶12個天線為宜；也即一組一機多天線接收機，可觀測200m范圍；巖移觀測線長度一般在400～800m，巖移觀測站采用該技術(shù)可采用4～8組接收機即可實現(xiàn)所有觀測點的實時監(jiān)測，同時一個觀測站只需設(shè)1～2個基準(zhǔn)點控制點，無需象過去傳統(tǒng)測量觀測站需設(shè)置4～8個控制點。一機多天線獲得的觀測數(shù)據(jù)，通過4G或5G網(wǎng)絡(luò)，傳至GPS專業(yè)監(jiān)測大數(shù)云平臺，通過數(shù)據(jù)處理獲得所需要的變形值，同時還可根據(jù)需要設(shè)置相應(yīng)的報警值，所測成果可通過網(wǎng)絡(luò)傳輸給指定的用戶終端手機或電腦，實現(xiàn)巖移觀測站的智能監(jiān)測。按照目前GPS一機多天線購置價格，一個觀測站建站費用在30～50萬元，包括兩年的運營費用。隨著北斗/GPS、5G技術(shù)、云計算技術(shù)的發(fā)展，巖移觀測站建站及監(jiān)測運營成本還將進(jìn)一步降低。一機多天線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 一機多天線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.3 一機多天線監(jiān)測精度

經(jīng)過多次試驗研究，一機多天線精度與觀測頻率相關(guān)[12-15]，某公司提供的一機多天線，在觀測條件良好的情況下，不同測量頻率的測量精度見表1。

表1 一機多天線精度表 ×10-3m

4 紅樹梁首采工作面智能巖移觀測站設(shè)計

根據(jù)紅樹梁礦首采面地質(zhì)采礦條件和地面地形情況，選擇采用沿胡蘆村村道設(shè)置半傾向觀測線，測線長260～300m，選擇布設(shè)一機帶6天線北斗/GPS雙頻接收機兩組，測點天線間距20m～30m，測線及測點布設(shè)詳見圖1。走向觀測線設(shè)為半盆地線，布設(shè)于終采線上方，沿山中小路布設(shè)，同樣布設(shè)一機帶6天線北斗/GPS雙頻接收機兩組，測點天線間距20～30m，測線長260～300m(見圖1)。在不受采動影響區(qū)設(shè)觀測站基準(zhǔn)點(控制點)兩個，位于傾向觀測線西端。基準(zhǔn)點及一機6天線接收機均為雙頻，自帶光伏板電源，以保證接收機長期供電。四臺北斗/GPS雙頻接收機實時接收的數(shù)據(jù)，通過4G互聯(lián)網(wǎng)傳至監(jiān)測云平臺，經(jīng)過專業(yè)軟件的數(shù)據(jù)處理與分析，獲得各測點的三維實測數(shù)據(jù)，并將實時成果發(fā)給客戶指定終端手機和計算機上，實現(xiàn)無人、自動、智能觀測與數(shù)據(jù)計算分析。

5 結(jié) 語

1)紅樹梁煤礦地貌為黃土丘陵切割類型，溝谷縱橫，常規(guī)觀測站觀測點布設(shè)和觀測難度大、效率相對較低，采用北斗/GPS一機多天線技術(shù)，可實現(xiàn)巖移觀測站無人化、自動化、智能化觀測與數(shù)據(jù)分析，降低了觀測難度，提高了觀測效率和觀測精度。

2)北斗/GPS一機多天線技術(shù)設(shè)置的智能巖移觀測站，可獲得連續(xù)、實時、高精度三維觀測數(shù)據(jù)，是常規(guī)觀測站無法實現(xiàn)和獲得的，為進(jìn)一步研究采動過程中的開采沉陷變形規(guī)律奠定了基礎(chǔ)。

3)北斗/GPS一機多天線智能巖移觀測站，目前其觀測站設(shè)置及運營成本已與常規(guī)觀測站基本持平，今后隨著北斗/GPS、5G技術(shù)、云計算技術(shù)的發(fā)展，巖移觀測站建站及監(jiān)測運營成本還將進(jìn)一步降低，北斗/GPS一機多天線智能巖移觀測站將具有更廣闊的發(fā)展空間和良好的應(yīng)用推廣前景。