煤礦水平開(kāi)采地表變形監(jiān)測(cè)與分析

李玉

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán) 地測(cè)勘探公司，山西 大同 037003）

1 概 況

煤峪口礦井田東西寬度為6 200 m，南北長(zhǎng)度為8 500 m，井田面積為35.12 km2，井田內(nèi)可開(kāi)采煤層的埋深為357 m，目前，礦井的生產(chǎn)能力為11 Mt/a，服務(wù)年限為23.8 a。為了解工作面因開(kāi)采引起的地表變形規(guī)律，建立地表變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)采集數(shù)據(jù)和分析處理得到工作面的地表變形參數(shù)，為井下防治水和防水煤柱留設(shè)等提供重要依據(jù)[1]。

煤峪口礦14 號(hào)煤層的煤層平均厚度為2.35 m，煤層厚度變化較小，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，局部含有1～3層夾矸，巖性為泥巖，局部含有粉砂巖，煤層傾斜角度為15°。在回采范圍內(nèi)，煤層的總體構(gòu)造呈單斜構(gòu)造，在工作面內(nèi)出現(xiàn)多條小型斷層，幾乎不影響正常開(kāi)采。目前，采空區(qū)面積為6.7 km2，工作面有1 處地面塌陷，面積為3.89 km2，裂縫約90條，嚴(yán)重威脅安全生產(chǎn)。

2 地表變形監(jiān)測(cè)方法

2.1 動(dòng)態(tài)觀測(cè)站布設(shè)

根據(jù)工作面的地質(zhì)概況和地表塌陷參數(shù)，沿工作面走向和傾向方向布設(shè)2 條地表移動(dòng)觀測(cè)站，共布設(shè)控制點(diǎn)12 個(gè)、監(jiān)測(cè)點(diǎn)115 個(gè)，觀測(cè)站布設(shè)如圖1 所示。在距工作面中心線下方36 m 的位置，沿工作面走向布設(shè)長(zhǎng)度為2 100 m 的監(jiān)測(cè)線，其中監(jiān)測(cè)點(diǎn)71 個(gè)；在距切眼480 m，與工作面走向垂直的位置，沿工作面傾向布設(shè)長(zhǎng)度為1 320 m 的監(jiān)測(cè)線，其中監(jiān)測(cè)點(diǎn)44 個(gè)。每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)間的距離為30 m，在監(jiān)測(cè)線的兩端，分別布設(shè)2 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)和1個(gè)控制點(diǎn)。動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的測(cè)量頻率為1 月/次，根據(jù)1 個(gè)監(jiān)測(cè)周期獲取的監(jiān)測(cè)點(diǎn)移動(dòng)數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)地描述地表的變形情況[2]。

圖1 觀測(cè)站示意Fig.1 Observation station indication

2.2 實(shí)時(shí)觀測(cè)站布設(shè)

由于14 號(hào)煤層地形復(fù)雜，采用常規(guī)監(jiān)測(cè)方法較困難，為了掌握特征點(diǎn)的動(dòng)態(tài)變化，采用多通道拉繩變形位移監(jiān)測(cè)技術(shù)[3]，實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)測(cè)塌陷區(qū)特征點(diǎn)的變形位移情況。在工作面傾向的兩端分別布設(shè)1 號(hào)和2 號(hào)拉繩變形位移監(jiān)測(cè)儀，其中，1 號(hào)變形位移監(jiān)測(cè)儀主要用來(lái)監(jiān)測(cè)地勢(shì)相對(duì)平坦區(qū)域的地表裂縫變形位移情況，2 號(hào)變形監(jiān)測(cè)儀主要是用來(lái)監(jiān)測(cè)山坡的裂縫變形位移情況。每套監(jiān)測(cè)儀上都安裝3 支變形量傳感器，監(jiān)測(cè)特征點(diǎn)的變形量，其中1 支監(jiān)測(cè)垂直沉降變形量，2 支監(jiān)測(cè)水平裂縫拉張變形量，測(cè)量時(shí)按照6 h/次的采集數(shù)據(jù)頻率進(jìn)行，通過(guò)測(cè)量數(shù)據(jù)來(lái)掌握塌陷區(qū)的變形情況。

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

采用動(dòng)態(tài)觀測(cè)站進(jìn)行測(cè)量時(shí)，平面位置測(cè)量采用GNSS 靜態(tài)相對(duì)定位技術(shù)，高程測(cè)量采用三等水準(zhǔn)方法[4]。在測(cè)量系統(tǒng)和GNSS 系統(tǒng)之間建立平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)模型和高程轉(zhuǎn)換系統(tǒng)模型，采用RTK 技術(shù)建立連續(xù)運(yùn)行位置參考站CORS，對(duì)監(jiān)測(cè)的平面位置進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量，采用VRS 技術(shù)為位置測(cè)量系統(tǒng)提供平面坐標(biāo)和高程系統(tǒng)框架。采用3 套GNSS RTK 系統(tǒng)接收機(jī)，2 臺(tái)流動(dòng)站進(jìn)行平面位置測(cè)量，在測(cè)量時(shí)進(jìn)行2 次獨(dú)立觀測(cè)，如果2 次的差值在允許精度范圍內(nèi)，取平均值后得到測(cè)量結(jié)果，對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，要求全面監(jiān)測(cè)的平面點(diǎn)位中誤差小于±2.0 cm，最弱點(diǎn)的高程中誤差小于±1.2 mm。

通過(guò)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，沿工作面傾向的1~4 號(hào)、8~10 號(hào)和20~21 號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)是垂直沉降變形量和水平位移變形量集中位置，其中9 號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的垂直沉降變形最大，累計(jì)的垂直沉降量為30 mm；3 號(hào)、9號(hào)和21 號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水平位移變形最大，累計(jì)的水平變形量分別為41、35 和41 mm。工作面走向的14-17 號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)基本沒(méi)有沉降，水平位移變形量較小。

3.2 拉繩變形監(jiān)測(cè)儀數(shù)據(jù)分析

將1 號(hào)拉繩變形監(jiān)測(cè)儀布置在工作面的西北端，地處二級(jí)階地邊緣處，由于地表整體比較平坦，采用監(jiān)測(cè)儀進(jìn)行6 個(gè)月的監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖2 所示，可以看出，這個(gè)區(qū)域的地表變形相對(duì)穩(wěn)定，地表垂直沉降監(jiān)測(cè)變形量為9 mm，水平裂縫拉張變形量分別為2 mm 和3 mm，地表處于快速蠕變的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)果與動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)結(jié)果基本一致。

圖2 1 號(hào)拉繩變形監(jiān)測(cè)儀數(shù)據(jù)曲線Fig.2 Data curve of No.1 rope drawing deformation monitor

將2 號(hào)拉繩變形監(jiān)測(cè)儀布置在工作面的東南端，地處塌陷區(qū)的一級(jí)階地和二級(jí)階地連接處，上方是采空區(qū)，采用監(jiān)測(cè)儀進(jìn)行6 個(gè)月的監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分布如圖3 所示，可以看出，整個(gè)區(qū)域的地表變形比較嚴(yán)重，區(qū)域內(nèi)垂直沉降變形量高達(dá)34 mm，水平裂縫拉張變形量分別為16 mm 和28 mm，在6～8 月時(shí)，地表處于蠕變的狀態(tài)，在9 月后，地表變形加速，水平裂縫拉裂的變形速率分別為0.28 mm/d 和0.45 mm/d，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)果與動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)結(jié)果基本一致。

4 結(jié) 論

針對(duì)煤峪口礦工作面因開(kāi)采引起的地表變形，根據(jù)工作面地質(zhì)條件差異引起的地表塌陷，結(jié)合傳統(tǒng)的動(dòng)態(tài)測(cè)量技術(shù)和拉繩變形實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)，對(duì)塌陷區(qū)特征點(diǎn)的三維變形情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

（1） 采用動(dòng)態(tài)的RKT 測(cè)量技術(shù)，可以獲得整個(gè)區(qū)域的地表變形情況；采用拉繩變形實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)，能夠掌握特征點(diǎn)的三維變形情況，改進(jìn)監(jiān)測(cè)的效果。

（2） 通過(guò)數(shù)據(jù)分析，可以看出，在工作面的西北端，地表變形比較穩(wěn)定，在工作面的東南端，地表垂直和水平變形比較嚴(yán)重，垂直沉降變形量為34 mm，水平裂縫拉張變形量分別為16 mm 和28 mm。通過(guò)動(dòng)態(tài)觀測(cè)和實(shí)時(shí)觀測(cè)，可以準(zhǔn)確獲取地表的變形參數(shù)，為后續(xù)的研究積累經(jīng)驗(yàn)。