二等水準測量在礦區(qū)沉降形變監(jiān)測中的應用

馮國慶

（江蘇科信巖土工程勘察有限公司，江蘇 南京 210000）

礦區(qū)沉降形變是由于地下深部資源開發(fā)，導致臨空巖層受力結構發(fā)生變化，進而引起上覆巖層彎曲變形、破裂、甚至塌陷等一系列工程地質現(xiàn)象。礦山開采區(qū)地表沉降形變普遍存在，但過度的形變可能導致上覆巖層塌陷，造成生命財產(chǎn)安全損失等[1]。因此，加強礦區(qū)開采區(qū)地表沉降形變監(jiān)測至關重要，常用的方法有InSAR技術、GPS技術等[2]。本文以二等水準測量技術為研究對象，分析該技術在礦區(qū)沉降形變監(jiān)測中的應用效果。

1 研究區(qū)概況

礦區(qū)地形地貌屬于地山丘陵地區(qū)，區(qū)內地形復雜多變，總體上具有北東高、南西低的趨勢，礦區(qū)見一條常年性地表河流自北東向南西流出礦區(qū)。礦區(qū)以銅金礦產(chǎn)為主，開采歷史較悠久，形成了大量的地下開采空洞，地表沉降形變問題日益嚴重。為了更好的服務于礦山建設，本文選擇二等水準測量技術對礦區(qū)進行沉降監(jiān)測。

2 監(jiān)測方法及布設原則

2.1 監(jiān)測方法概述

二等水準測量技術采用的高程基準為1985國家高程基準，監(jiān)測儀器采用數(shù)字水準儀。本次監(jiān)測主要針對礦區(qū)范圍內分布的42個水準點多年來采集的高程數(shù)據(jù)進行對比分析，進而分析礦區(qū)不同區(qū)域的沉降規(guī)律、沉降量等[3]。在觀測之前，對數(shù)字水準儀進行校對和檢核處理，以及觀測過程中對氣候條件等的選擇均嚴格按照相應標準規(guī)范執(zhí)行，對于超差監(jiān)測區(qū)域進行了重測或者補測工作。在使用水準儀之前均使用儀器自帶的i角測定程序進行測定，并存儲在儀器中，若所測i角結果與上次測量結果大于3分以上，需要重新測量，直至i角在誤差范圍內位置。

2.2 監(jiān)測點位選擇

水準點的選擇是影響監(jiān)測結果準確性和可靠性的基礎，因此，水準點的選擇必需選擇在地基穩(wěn)定的區(qū)域，不易將水準點布設在沉降區(qū)內，防治水準點沉降量較大而導致監(jiān)測結果錯誤。此外，水準點必需選擇在視野開闊的區(qū)域和有利于保存的區(qū)域。對于基巖水準點來說，應該選擇在基巖露頭上，也可以選擇在高架橋墩等部位[3]。監(jiān)測點是分析礦區(qū)沉降形變規(guī)律的基礎，應該均勻分布在監(jiān)測范圍內，為不同區(qū)域沉降形變規(guī)律分析奠定基礎。在水準測量點以及監(jiān)測點布設過程中，應該選擇兩個已知的高程點作為起始點和檢核點，本次根據(jù)礦區(qū)地形地貌以及植被覆蓋狀況，在監(jiān)測礦區(qū)共布設水準點16個，監(jiān)測點共26個。

3 數(shù)據(jù)處理與分析

3.1 監(jiān)測結果

本文匯總了2016年至2019年期間的監(jiān)測數(shù)據(jù)，包括已知點、水準點和監(jiān)測點的數(shù)據(jù)，由于本文匯總監(jiān)測數(shù)據(jù)量大，因此本文僅選擇部分監(jiān)測數(shù)據(jù)，并采用自定義坐標系統(tǒng)表達（表1）。其中，已知點標注為“T”，監(jiān)測點標準為“C”。

表1 研究區(qū)部分監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

C4 115.312 115.322 115.318 115.317 C5 104.294 104.301 104.296 104.297 C6 104.865 104.873 104.868 104.869 C7 111.428 111.434 111.429 111.434 C8 96.621 96.621 96.607 96.608

3.2 研究區(qū)沉降規(guī)律分析

本次統(tǒng)計的監(jiān)測數(shù)據(jù)時間跨度較長，由于其他外在因素的影響，個別監(jiān)測點遭到破壞，為了不影響最終的監(jiān)測精度，本文將破壞的監(jiān)測點相應的監(jiān)測數(shù)據(jù)舍去，保留了監(jiān)測點位完好的監(jiān)測數(shù)據(jù)，共獲得38個監(jiān)測點的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行了沉降規(guī)律分析。以已知的兩個水準點為起始值進行坐標系統(tǒng)的換算，將自定義坐標換算至相應要求的統(tǒng)一坐標系統(tǒng)下，并對不同年限所獲得的數(shù)據(jù)進行分析，總結不同時間段內礦區(qū)地表沉降規(guī)律的變化狀況。根據(jù)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，自2016年至2019年，沉降量最大的部位位于礦區(qū)中東部，且沉降量較大的區(qū)域呈漏斗狀，反映了該區(qū)域巖層的應力狀況變化較大，對應于2016年之前已經(jīng)存在的開采空洞區(qū)，但是該區(qū)域的沉降速率卻相對較小，可能是開采之前應力平衡被打破后隨著長時間應力結構的變化逐漸趨于新的應力平衡所致；而2016年之后形成的開空區(qū)上部地表沉降量相對較小，但是沉降速率卻大于2016年之前形成開空區(qū)上部地表沉降的速率，說明該部分區(qū)域的應力結構從初始打破平衡向下一步平衡狀況趨近。對監(jiān)測區(qū)域沉降量統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，礦區(qū)最大沉降可達52 mm，最小沉降量為3mm，沉降量大于50mm的區(qū)域占據(jù)總沉降區(qū)的1.2%，沉降量介于30mm～50mm之間的區(qū)域占據(jù)總沉降面積的10.8%，沉降量介于10mm～30mm的區(qū)域占據(jù)總沉降面積的20.7%，沉降量介于0mm～10mm的區(qū)域占總沉降面積的67.3%。通過沉降規(guī)律分析，礦區(qū)地表沉降形變總體上不大，屬于較穩(wěn)定型，但局部區(qū)域沉降量較大，應防止塌陷等問題出現(xiàn)，井下巷道以及開空區(qū)應及時回填，防止冒頂?shù)仁鹿拾l(fā)生。

4 結語

綜上所述，二等水準測量技術在礦區(qū)沉降形變監(jiān)測中取得了較好的監(jiān)測效果，根據(jù)某礦區(qū)沉降形變監(jiān)測實例，獲得礦區(qū)最大沉降量可達52 mm，最小沉降量為3mm，其中沉降量介于0mm～10mm的區(qū)域占總沉降面積的67.3%，總體上認為礦區(qū)地表沉降不大，屬于較穩(wěn)定型。此外，沉降量最大的區(qū)域與2016年之前形成的采空區(qū)耦合性較好，說明本次的監(jiān)測結果是可靠的，能夠反映礦區(qū)的實際形變規(guī)律。因此，二等水準測量技術在礦區(qū)地表沉降形變監(jiān)測中具有較好的應用效果，能夠推廣使用。