基于GNSS的益新煤礦工業(yè)廣場(chǎng)地表變形監(jiān)測(cè)研究

馬福義,張 宇,趙喜江,于文慧

(黑龍江科技大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院,哈爾濱 150022)

益新煤礦已開(kāi)采60余年[1],工業(yè)廣場(chǎng)地表變形嚴(yán)重,而豎井井筒作為礦井生產(chǎn)的中樞系統(tǒng),肩負(fù)著礦井上下運(yùn)輸、通風(fēng)、排水等重任,極易受到地表變形的影響[2]。除此之外,辦公樓、職工宿舍、煤倉(cāng)等建(構(gòu))筑物的采動(dòng)損壞也日趨嚴(yán)重,整個(gè)煤礦的安全生產(chǎn)將受到嚴(yán)重影響。而建(構(gòu))筑物受開(kāi)采影響的損壞程度主要取決于地表變形值的大小和建筑物本身抗變形能力的大小[3]。因此,為了保障礦井安全生產(chǎn),急需對(duì)工業(yè)廣場(chǎng)地表進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)研究,為采動(dòng)沉陷治理及地表變形預(yù)計(jì)提供依據(jù)。傳統(tǒng)變形監(jiān)測(cè)方法雖施測(cè)過(guò)程簡(jiǎn)單,實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)精度較高,但易受通視條件限制,耗費(fèi)大量時(shí)間及人力成本,工作效率低,且數(shù)據(jù)處理滯后,無(wú)法做到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[4-6]。高精度全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)憑借高精度、全天候、高效率、多功能、操作簡(jiǎn)便的優(yōu)勢(shì)在測(cè)繪行業(yè)得到廣泛應(yīng)用[7]。在變形監(jiān)測(cè)中,GNSS可提供實(shí)時(shí)的高采樣率變形信息,為變形災(zāi)害預(yù)警提供理想數(shù)據(jù)源[8]。本文利用GNSS實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)益新煤礦工業(yè)廣場(chǎng)地表變形進(jìn)行研究,為煤礦安全生產(chǎn)保駕護(hù)航。

1 工程概況

益新煤礦前身為新一煤礦(東山豎井),是新中國(guó)第一對(duì)豎井,為第一個(gè)五年計(jì)劃期間,前蘇聯(lián)援建中國(guó)154項(xiàng)工程之一,由蘇聯(lián)列寧格勒設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì),我國(guó)施工建成[1,9]。煤礦位于鶴崗礦區(qū)東北部,北鄰新興煤礦,南鄰南山煤礦和振興煤礦,西鄰新嶺煤礦,東鄰在建的鳥(niǎo)山煤礦,行政區(qū)屬鶴崗市東山區(qū)管轄。井田走向4.30 km,傾斜2.94 km,面積為12.65 km2,主井井筒凈徑6 m,開(kāi)采深度由礦區(qū)假定高程293.706～-250 m標(biāo)高。

2 變形監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)

2.1 監(jiān)測(cè)網(wǎng)設(shè)計(jì)

為了在保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量的前提下使監(jiān)測(cè)站得到充分利用,根據(jù)實(shí)際情況,益新煤礦工業(yè)廣場(chǎng)共布設(shè)GNSS監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)站2個(gè),即XYJZ1和XYJZ2,分別位于鶴崗礦務(wù)局辦公樓和振興礦辦公樓;監(jiān)測(cè)站共計(jì)12個(gè),即XY1～XY12,初步組成3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面。益新煤礦工業(yè)廣場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)網(wǎng)形圖,如圖1所示。

圖1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)網(wǎng)形圖Fig.1 Network shape of monitoring system

2.2 基準(zhǔn)站及監(jiān)測(cè)站的建立

根據(jù)已有資料,鶴崗礦區(qū)采用礦區(qū)獨(dú)立坐標(biāo)系統(tǒng),3°帶高斯投影,中央子午線經(jīng)度130°16′00.28″,橢球基準(zhǔn)為北京54橢球。礦區(qū)內(nèi)共有C級(jí)GNSS控制點(diǎn)6個(gè),分別為:東山北山(DSBS)、鳥(niǎo)山(NS)、十連(SL)、朱家山(ZJS)、陸連山(LLS)、雙泉嶺南山(SQLNS)。此外,為提高觀測(cè)精度,同時(shí)采用原峻德礦辦公樓III-3、二跨橋III-23兩礦區(qū)水準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行二等水準(zhǔn)測(cè)量。

根據(jù)目前所掌握的控制點(diǎn)坐標(biāo),采用D級(jí)GNSS靜態(tài)控制法,首先分別采用兩期基線、坐標(biāo)較差、平均間隙法和尺度比參數(shù)分析法對(duì)起算控制點(diǎn)的兼容性進(jìn)行檢驗(yàn),選取穩(wěn)定性最好、最可靠的SL、SQLNS為起算點(diǎn)進(jìn)行二維約束平差,解算出地表變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的2個(gè)基準(zhǔn)站坐標(biāo),解算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)站坐標(biāo)Table 1 Coordinates of monitoring reference station

益新煤礦監(jiān)測(cè)站共12座,自2018年8月1日開(kāi)始運(yùn)行,監(jiān)測(cè)站外形及分布如圖2所示。

圖2 監(jiān)測(cè)站外形及分布Fig.2 Shape and distribution of monitoring stations

3 數(shù)據(jù)采集及分析

3.1 數(shù)據(jù)獲取

益新煤礦工業(yè)廣場(chǎng)地表變形監(jiān)測(cè)于2018年8月1日起,以XYJZ1、XYJZ2兩個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)為起算點(diǎn)。為防止其他監(jiān)測(cè)點(diǎn)的觀測(cè)誤差平差到另外的監(jiān)測(cè)點(diǎn)上,系統(tǒng)采用獨(dú)立基線網(wǎng)平差分別解算各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo),對(duì)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)每期南北方向移動(dòng)值X、東西方向移動(dòng)值Y、平面移動(dòng)值S和沉降值H的累計(jì)變化量、單期變化量及移動(dòng)方向進(jìn)行了數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。本文統(tǒng)計(jì)分析的觀測(cè)數(shù)據(jù)截止到2018年12月2日,以周為單位分為18期,監(jiān)測(cè)點(diǎn)第5周變化量統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。

表2 第5周監(jiān)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)變化Table 2 Coordinates of monitoring points in week 5

3.2 可靠性分析

選取2018年8月5日至2018年11月25日的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),計(jì)算X、Y、S和H的累計(jì)變化值,并計(jì)算x軸、y軸和h軸的坐標(biāo)差mx、my和mh,評(píng)定解算精度,解算結(jié)果見(jiàn)表3。

解算中誤差平均值均滿足《建筑變形測(cè)量規(guī)范》中三等變形測(cè)量精度指標(biāo),因此可以判斷解算精度是可靠的。

為進(jìn)一步驗(yàn)證監(jiān)測(cè)系統(tǒng)高程測(cè)量的可靠性,將井塔監(jiān)測(cè)站點(diǎn)和相應(yīng)的塔底沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)的二等水準(zhǔn)所測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,如表4所示。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和二等水準(zhǔn)所測(cè)高差差異量在10 mm內(nèi),因此可以判斷系統(tǒng)高程解算質(zhì)量可靠。

表4 監(jiān)測(cè)站高程可靠性分析Table 4 Elevation reliability analysis of monitoring stations

3.3 數(shù)據(jù)分析

三等變形測(cè)量相鄰兩期監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形分析可通過(guò)比較相鄰兩期的變形量與測(cè)量的極限誤差來(lái)進(jìn)行。當(dāng)變形量小于測(cè)量極限誤差時(shí),可認(rèn)為該監(jiān)測(cè)點(diǎn)在此期間沒(méi)有變形或變形不顯著,反之則發(fā)生變形,取二倍中誤差為極限誤差[10]。根據(jù)表3經(jīng)計(jì)算可得出,觀測(cè)期內(nèi)X分量及Y分量的極限誤差為2.4 mm,平面移動(dòng)值S的極限誤差為3.4 mm,H分量的極限誤差為2.2 mm。

3.3.1移動(dòng)分量變形統(tǒng)計(jì)分析

為形象分析工業(yè)廣場(chǎng)各監(jiān)測(cè)站的總體變形,在此對(duì)ΔX、ΔY、ΔH及ΔS四個(gè)分量分別進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。各監(jiān)測(cè)站南北(X)方向移動(dòng)值如圖3所示。在南北方向上,XY2、XY8的移動(dòng)值不超過(guò)極限誤差2.4 mm;XY4、XY5、XY6、XY7的移動(dòng)值略大于極限誤差;其余監(jiān)測(cè)站均遠(yuǎn)超極限誤差,在南北方向上均發(fā)生了移動(dòng)。工業(yè)廣場(chǎng)保護(hù)煤柱邊界線東北部的XY3、XY11的移動(dòng)量均大于10 mm,變形量最大為48.7 mm。

圖3 南北方向移動(dòng)值Fig.3 Movement value in the north and south direction

各監(jiān)測(cè)站東西(Y)方向上移動(dòng)值如圖4所示。在Y方向上,12個(gè)監(jiān)測(cè)站的移動(dòng)值均大于極限誤差2.4 mm。除工業(yè)廣場(chǎng)東部XY10外,其余各站均向東移動(dòng);北側(cè)小煤礦監(jiān)測(cè)線上的XY1、XY2、XY3、XY11的累計(jì)移動(dòng)量均超過(guò)10 mm,移動(dòng)量最大測(cè)點(diǎn)為XY11,累計(jì)向東移動(dòng)40.1 mm。

圖4 東西方向移動(dòng)值Fig.4 Movement value in the east and west direction

綜合X方向和Y方向移動(dòng)量,得到各監(jiān)測(cè)站平面移動(dòng)值S的變化,如圖5所示。各監(jiān)測(cè)站的平面移動(dòng)量S均大于極限誤差3.4 mm,平均移動(dòng)值為16.7 mm。移動(dòng)值最大測(cè)點(diǎn)為位于東北側(cè)泰源煤礦開(kāi)采邊界和保護(hù)煤柱之間的XY3和XY11,最大水平移動(dòng)值為63.1 mm。工業(yè)廣場(chǎng)內(nèi)部的XY5、XY7、XY8、XY9的移動(dòng)量較小。

圖5 平面移動(dòng)值Fig.5 Plane movement value

各監(jiān)測(cè)站豎直方向上沉降值及部分監(jiān)測(cè)站沉降時(shí)間序列,如圖6和圖7所示。在H方向上,12個(gè)監(jiān)測(cè)站沉降值均大于極限誤差(2.2 mm),累計(jì)沉降平均值21.1 mm。工業(yè)廣場(chǎng)內(nèi)部的XY5、XY9、XY12沉降量均小于10 mm;位于新副井井塔頂部的XY7監(jiān)測(cè)點(diǎn)累計(jì)下沉20.5 mm;東北部監(jiān)測(cè)站XY1、XY2、XY3、XY6、XY11沉降量較大,最大沉降量達(dá)69.8 mm。

圖6 沉降值統(tǒng)計(jì)Fig.6 Subsidence statistics

圖7 部分監(jiān)測(cè)站沉降時(shí)間序列Fig.7 Time series of subsidence of some monitoring stations

統(tǒng)計(jì)所有監(jiān)測(cè)站周沉降數(shù)據(jù)以便于精準(zhǔn)分析觀測(cè)周期內(nèi)各監(jiān)測(cè)站協(xié)同沉降情況及單站沉降趨勢(shì),選取偶數(shù)觀測(cè)周進(jìn)行統(tǒng)計(jì),結(jié)果如圖8所示。從總體來(lái)看,各監(jiān)測(cè)站基本同步下沉。除東北側(cè)監(jiān)測(cè)站XY3、XY11仍具有持續(xù)下沉趨勢(shì)外,其余各站下沉趨勢(shì)趨于平穩(wěn)。

圖8 偶數(shù)觀測(cè)周監(jiān)測(cè)站沉降值Fig.8 Subsidence of monitoring stations in even observation weeks

3.3.2整體變形分析

為了進(jìn)一步從整體上分析工業(yè)廣場(chǎng)變形情況,本文根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),結(jié)合工業(yè)廣場(chǎng)平面圖,以四參數(shù)糾正19級(jí)分辨率影像為背景,繪制出地表下沉值及下沉速率等值線圖、地表移動(dòng)值及移動(dòng)矢量圖、地表下沉3D模型及沉降趨勢(shì)圖,得到礦區(qū)獨(dú)立坐標(biāo)系下的圖。以累計(jì)下沉量2 mm為等高距得到累計(jì)下沉等值線圖,以周下沉速率0.1 mm/周為等高距得到下沉速率等值線圖,如圖9所示。綜合來(lái)看,地表下沉值與下沉速率等值線基本相符,工業(yè)廣場(chǎng)整體同步下沉。選煤廠XY9附近區(qū)域下沉量小,XY1、XY12、XY4連線以東下沉逐漸加劇;此外,新副井周邊區(qū)域下沉量也較大,應(yīng)引起關(guān)注。井塔附近的沉降速率在-0.6 mm/周至-1.0 mm/周之間;自選煤廠起向其東北方向下沉速率明顯遞增,XY11監(jiān)測(cè)站附近區(qū)域下沉速率達(dá)到-3.8 mm/周。

圖9 地表下沉值及下沉速率等值線圖Fig.9 Contour map of surface subsidence and subsidence rate

根據(jù)益新煤礦地表各監(jiān)測(cè)點(diǎn)累計(jì)下沉量繪制出可直觀反映地表累積的3D模型及沉降趨勢(shì)圖,如圖10所示。從整體下沉趨勢(shì)來(lái)看,工業(yè)廣場(chǎng)中心區(qū)域下沉不明顯,西側(cè)下沉以新副井為中心,東北部區(qū)域向隆源煤礦邊界和采空區(qū)一側(cè)下沉量較大。

圖10 地表下沉3D模型及沉降趨勢(shì)圖Fig.10 3D model of surface subsidence and subsidence trend

以水平移動(dòng)1 mm等高距繪制出水平移動(dòng)等值線圖,基于監(jiān)測(cè)站分布及移動(dòng)值繪制出地表移動(dòng)矢量圖,見(jiàn)圖11。益新煤礦工業(yè)廣場(chǎng)地表水平移動(dòng)等值線與下沉等值線大致相符,除西南側(cè)XY8、XY7及XY6向東南方向移動(dòng)外,其余向東北方向移動(dòng),且東北部區(qū)域移動(dòng)量較大。

圖11 水平移動(dòng)矢量圖Fig.11 Horizontal movement vector diagram

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)益新礦工業(yè)廣場(chǎng)自2018年8月1日至2018年11月2日的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,得出以下結(jié)論:

1)益新煤礦工業(yè)廣場(chǎng)地表出現(xiàn)以新副井和東北角為中心的雙中心變形。其中,東北角變形量較大,位于東北角的XY11監(jiān)測(cè)站向東北方向水平位移63.1 mm,沉降69.8 mm。

2)在豎直方向,工業(yè)廣場(chǎng)總體呈現(xiàn)下沉趨勢(shì),平均累計(jì)下沉21.14 mm。小煤礦開(kāi)采邊界至工業(yè)廣場(chǎng)保護(hù)煤柱邊界之間區(qū)域下沉量較大,XY11監(jiān)測(cè)站區(qū)域最大下沉量達(dá)69.8 mm,并有持續(xù)下沉趨勢(shì)。

3)水平方向上的移動(dòng)基本遵循沉降規(guī)律,新副井周邊區(qū)域以其為中心移動(dòng);工業(yè)廣場(chǎng)北側(cè)緊鄰小煤礦開(kāi)采邊界區(qū)域向東北方向移動(dòng),其中XY3累計(jì)移動(dòng)量達(dá)37.8 mm,XY11累計(jì)移動(dòng)量達(dá)40.1 mm。