复杂地形矿区地表岩移观测研究

时间：2024-07-28

曹康乐

(山西汾西矿业(集团)有限责任公司高阳煤矿，山西孝义 032306)

我国煤炭赋存条件具有较大差异，各个矿区地表地形及地貌差异也较为明显，在平原、丘陵、山区等煤矿均有分布[1～3]。在地形条件复杂的区域开采煤炭时地表变形观测往往受阻，导致测量效率低下，如何在复杂地形区域构建科学有效的地表测站，并对地表岩移观测对获取岩移参数、研究开采沉陷规律、优化井下采场布局均有重要的促进意义。

1 工程地质概况

山西某矿位于山区，地表沟壑、山丘众布，地形地貌复杂，开采范围内共计有5层煤可采，编号依次为2号、5号、9号及11号，现阶段主采5号煤层。3506回采工作面开采5号煤，厚度2.9m、埋深470～560m，该回采工作直接顶为泥岩，局部受到冲刷带影响岩性为砂、泥混合物，直接底为砂质泥岩。采用综采工艺开采，全部垮落法管理顶板。由于矿井所在区域山区，地表最大落差为360m，在地表岩移观测时存在以下主要特征[4～5]：

1)地表地形复杂、通行困难

矿井在位于山区，地形复杂，无路在地表通行时较为困难。同时在地形坡度较陡，在地表布置的测站内测量时受到自然风影响显著会给布置仪器的稳定性以及测量精度带来较大影响。加之矿区原有的高级别控制点较远，通行线路受困，也在一定程度上制约测量效率。

2)测量精度低

在测量过程中由于通视条件不好，造成转测复杂，难以保证测量精度。

3)测量效率低

采用的常规测量技术不能时实对比表岩层移动变形数据进行观测，难以全天候实时对岩移量进行监测。

2 地表岩层测站设计

2.1 角值参数选取

由于矿井前期未进行过地表岩层位移观测，具体布置的测站观测角赋值参考其他同类矿井确定，具体见表1。

表1 测站布置测角参数参考表

在布置地表测站时既要考虑地表重要构筑物变形、又要考虑岩层移动变形测量需要，因此具体布置的测站采用线型观测结合特征点观测方式，其中用以确定地表岩层移动数据的布置成两条半盆地形式。

具体布置的测站形式有网状、半盆地以及盆地测量等形式，由于3506回采工作面布置形式为不规则多边形，本着便于观测以及求和原则，具体在采面对应地表上布置两条半盆地测线，布置的测线长度以及测点位置按照表1中的角值参数确定，具体布置情况见图1、2。

图1 走向测线测量布置示意图

图2 倾向测线测量布置示意图

布置的走向测线、倾向测线长度分别为725m、600m，依据《煤矿安全规程》要求，由于采面采深在470m～560m>300m，因此布置的测点间距为25m。因此，在纵向测线、横向测线上分别按照25m距离布置30个测单、25个测点，此外在布置的两条测线最外侧各确定2个控制点，间距为50m。

2.2监测方案优选

根据选用的监测方法以及测点布置，具体提出以下三种监测方案，具体为：全自动监测方案、半自动监测方案以及人工监测方案。

1)全自动监测方案

该监测方案选用GPS测量技术，在每个测点上布置一台接收天线，多个测点共用一个GPS接收机，通过天线控制器获取监测数据。整个监测系统结构包括有基站系统、数据采集系统、数据传输系统以及野外供电系统等构成，具体系统结构见图3。

2)人工监测方案

图3 全自动监测方案

人工监测方案选用传统的水准仪、全站仪或者经纬仪等设备，通过测量人员对监测点不断观测，获取大量变形数据。

3)半自动监测方案

选用常规人工测量与GPS测量相结合方法，GPS测量具备全自动实时监测能力，将GPS测量获取到的数据作为人工监测数据的起始观测数据，既可以满足地表岩移实时监测需要，又可以在一定程度上减低设备采购成本并降低测量人员劳动强度。

为了确定较为合适的测量方案，从数据获取速度、观测便捷性、测量投入、监测江都以及预警能力放方面对各个测量方案进行比对，结果见表2。

表2 监测方案对比结果

从表2中看出，上述三种监测方案监测精度均可以满足地表岩移观测需要，但是采用人工监测方案时存在测量耗时长、测量难度大以及周期长等问题；全自动监测方案时可以提升监测效率以及人力资源，可以实时全天候对地表岩移进行监测，但是也存在监测成本高昂问题；采用半自动监测方案可以在一定程度上降低测站布置成本，同时降低测量过程中人员投入，并在一定程度上提升人工测量效率，采用该方案结合全自动测量以及人工测量两种方案优势，在测线上布置4个GPS监测站，其中两个为基准监测站、两个为变形监测站；通过采用GPS辅助人工测量方式一方面可以实现部分监测点的全方位实时监测，及时掌握地表岩移信息及后续变化趋势，为加密观测、全方位观测提供便利，并降低测量人员巡检测量频率；另一方面可以将GPS测量结果作为后续人工测量起始点，不需要将测量量与矿区较远位置控制点进行联系测量，降低后续测量数据处理以及测量过程难度，虽然成本较人工测量时稍微增加，但是观测难度及工作量却显著降低。半自动测量角相对于全自动测量而言可以满足地表岩移测量需要，并降低布置测站成本。

综合上述分析，在复杂地形条件下选用半自动测量方案可以较好的满足本次地表岩移观测需要，同时在经济、技术以及监测精度等方面均体现出一定的优势，可以满足复杂或者特殊地表变形间隙需要，简化测量过程降低观测成本。现阶段该矿已经完成地表变形监测工作，并补充总结了岩移动角，变形监测结果已经在矿井推广应用。