黃道欽，李 明，廖小康，毛建華

(1.廣西華錫集團(tuán)股份有限責(zé)任公司銅坑礦， 廣西南丹縣 547207;2.長沙礦山研究院有限責(zé)任公司， 湖南長沙 410012)

1 概述

廣西華錫集團(tuán)銅坑礦礦床自上而下分為細(xì)脈帶礦體、91#礦體和92#礦體，三大礦體有大面積重疊。該礦井1980年代投產(chǎn)，近年來產(chǎn)量均在百萬噸以上，目前細(xì)脈帶礦體已基本采完，92#礦體為主要出礦區(qū)域。由于空區(qū)上下重疊，相互影響，且空區(qū)面積較大，使礦區(qū)地表形成了多個(gè)塌陷坑，巖層移動范圍較大。

2 巖層移動監(jiān)測常用方法及原理

地下開采必然會引起巖層移動，上覆巖層會出現(xiàn)冒落帶、彎曲帶和移動帶，為監(jiān)控巖層移動情況，減少巖層移動帶來的損失，并根據(jù)監(jiān)測結(jié)果及時(shí)修改和調(diào)整采礦方法，從而確保安全生產(chǎn)，需要對巖層移動情況進(jìn)行有效監(jiān)測，并且分析其移動趨勢，目前巖層移動監(jiān)測方法主要包括GPS控制測量、全站儀測量、水準(zhǔn)儀測量、經(jīng)緯儀測量、裂隙測量等。

2.1 GPS控制測量

GPS測量是利用現(xiàn)有衛(wèi)星定位系統(tǒng)，基于載波相位測量的靜態(tài)相對定位，是目前精度最高的一種定位方式，靜態(tài)相對定位，就是將GPS接收機(jī)安置在不同的觀測站上，保持各接收機(jī)固定不動，同步觀測相同的GPS衛(wèi)星，以確定各觀測站在WGS－84坐標(biāo)系中的相對位置，其原理如圖1所示，通過衛(wèi)星定位測量與解算，得出兩個(gè)觀測點(diǎn)T1和T2間的相對向量關(guān)系，由已知點(diǎn)T1坐標(biāo)計(jì)算出未知點(diǎn)T2的坐標(biāo)。

相比于傳統(tǒng)控制測量，GPS測量具有許多優(yōu)點(diǎn)，如定位精度高;測站間無須通視;可提供三維坐標(biāo)，經(jīng)典大地測量將平面與高程采用不同方法分別施測，GPS可同時(shí)精確測定測站點(diǎn)的三維坐標(biāo);操作簡便;可全天候作業(yè)。

圖1 GPS相對定位

2.2 水準(zhǔn)儀控制測量

水準(zhǔn)測量的基本原理為利用水準(zhǔn)儀提供一條水平視線，對豎立在兩地面點(diǎn)上的水準(zhǔn)尺分別進(jìn)行瞄準(zhǔn)和讀數(shù)，從而測得兩點(diǎn)間的高差，再根據(jù)已知點(diǎn)的高程，推算出測點(diǎn)高程。水準(zhǔn)儀高程測量精度分為DS10，DS3，DS2，DS1，DS05 五種級別，水準(zhǔn)儀可分為水準(zhǔn)氣泡式和自動安平式。利用水準(zhǔn)儀測量巖層移動優(yōu)點(diǎn)是高程測量精度高，但只能測量巖層豎直方向移動，即下沉量，而不能測量水平方向移動。

2.3 全站儀控制測量

全站儀的功能比較全面，各種地面測量(導(dǎo)線測量、交會定點(diǎn)、三角高程測量)和變形觀測均可使用全站儀。

相比于水準(zhǔn)儀只能測量高程，全站儀能直接測量出測點(diǎn)的水平位移和豎直位移，測量工作簡單，當(dāng)采用三角控制測量時(shí)，具有較高的精度。同時(shí)可以采用基點(diǎn)掃描的方法，能快速掃描多個(gè)測點(diǎn)，對于精度要求不高的巖層移動監(jiān)控可以采用此方法。

測量機(jī)器人又稱自動全站儀，是一種集自動目標(biāo)識別、自動照準(zhǔn)與測距、自動目標(biāo)跟蹤、自動記錄于一體的測量平臺，其望遠(yuǎn)鏡能繞儀器的橫軸和縱軸旋轉(zhuǎn)，在豎直面180°、水平面360°的范圍內(nèi)自動尋找目標(biāo)(每個(gè)監(jiān)測點(diǎn)上均布置反射棱鏡并長期固定)，在控制器和計(jì)算器的操作下實(shí)現(xiàn)自動跟蹤和精確照準(zhǔn)反射棱鏡，從而測得各測點(diǎn)的長度和高程等信息，進(jìn)而得到測點(diǎn)隨時(shí)間的移動情況，實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測的目的，該方法適用于重要區(qū)域的監(jiān)測。

2.4 位移計(jì)測量裂縫

位移計(jì)測量裂縫，是將位移計(jì)分別固定于裂縫的兩端，隨著裂縫的發(fā)展，產(chǎn)生拉伸或收縮變形，從而得到變形量。該方法原理簡單，使用方便，并且可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)在線監(jiān)測。

3 銅坑礦巖層移動監(jiān)測與分析

由于細(xì)脈帶礦體、91#礦體、92#礦體自上而下分布，有大面積重疊，經(jīng)過多年開采，形成了眾多大小不一的空區(qū)，部分空區(qū)被廢石充填，目前正在準(zhǔn)備尾砂膠結(jié)充填，地表巖層移動范圍大，移動情況復(fù)雜，出現(xiàn)了多個(gè)塌陷坑。為保證礦山安全生產(chǎn)，需要準(zhǔn)確測量巖層移動情況，并且通過分析和預(yù)警指標(biāo)對危險(xiǎn)區(qū)域提出預(yù)警。

銅坑礦地表巖層移動監(jiān)測以GPS控制測量為主，輔以全站儀掃描測量。建立了GPS控制測量網(wǎng)，在礦區(qū)地表移動范圍之外的東南西北四個(gè)方向，共布設(shè)了4個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)和1個(gè)標(biāo)石，通過聯(lián)測礦區(qū)周圍的高等級水準(zhǔn)控制點(diǎn)，得到各基準(zhǔn)點(diǎn)和標(biāo)石的三維坐標(biāo)，在礦區(qū)內(nèi)布設(shè)了多條觀測線，作為控制測量的主線，每個(gè)月測量一次。

在水塘以東和五米橋布設(shè)了全站儀觀測基點(diǎn)，利用全站儀測量速度快的優(yōu)點(diǎn)測量局部區(qū)域內(nèi)多個(gè)測點(diǎn)，為保證測量精度，每3個(gè)月利用GPS控制測量校核全站儀基點(diǎn)是否發(fā)生移動。

銅坑礦目前需要測量的重點(diǎn)是2#水塘及周圍區(qū)域，水塘東邊有調(diào)度樓、東副井、2#豎井等重要建構(gòu)筑物。此水塘以西山頂已出現(xiàn)大量裂隙，并且裂隙范圍有擴(kuò)大的趨勢，需要加強(qiáng)監(jiān)控。結(jié)合礦山實(shí)際情況，共布置了5條監(jiān)測控制線，分別為水塘區(qū)域東西方向的A—A線、B—B線、C—C和南北方向的D—D線，礦區(qū)西邊的E—E線，具體測量控制網(wǎng)如圖2所示。

圖2 銅坑礦地表巖層移動監(jiān)測網(wǎng)布置

GPS控制網(wǎng)的布置非常重要，直接影響測量精度，理想狀態(tài)是各點(diǎn)處于等邊三角形狀態(tài)，且四周遮擋物的高度角﹤15°，但實(shí)際操作時(shí)，礦區(qū)多處于山區(qū)，南方樹木等植被較多，均會影響GPS衛(wèi)星信號的接收質(zhì)量，同時(shí)礦區(qū)有高壓線和信號接收塔等裝置，故布設(shè)網(wǎng)型時(shí)需要避開不良影響，綜合考慮。

通過分析多次測量結(jié)果，目前銅坑礦GPS大范圍控制測量精度可以達(dá)到水平誤差≤5 mm，垂直誤差≤10 mm，在小范圍內(nèi)運(yùn)用全站儀控制測量水平誤差和垂直誤差均≤10 mm，滿足測量所需精度要求，具有很高的可靠性和穩(wěn)定性。

通過對銅坑礦區(qū)地表巖層移動多年來的監(jiān)測和分析，結(jié)合《采礦設(shè)計(jì)手冊》(礦床開采卷下)對建筑物保護(hù)等級及允許變形值的規(guī)定，制定了本礦地表巖層移動預(yù)警指標(biāo)，并規(guī)定了東副井、2#豎井、辦公樓等建構(gòu)筑物的保護(hù)等級，當(dāng)測得地表巖層移動達(dá)到傾斜、最小曲率半徑和水平變形3個(gè)預(yù)警指標(biāo)中的任意一個(gè)時(shí)，進(jìn)行報(bào)警，巖層移動報(bào)警指標(biāo)見表1。

4 結(jié)論

銅坑礦建立了以GPS控制測量為主、以全站儀掃描測量為輔的巖層移動監(jiān)測網(wǎng)，充分利用了GPS控制測量精度高且測點(diǎn)間不需要通視與全站儀掃描速度快和效率高的優(yōu)點(diǎn)。在實(shí)踐中GPS大范圍控制測量精度可以達(dá)到水平誤差≤5 mm，垂直誤差≤10 mm，而全站儀在小范圍控制測量中水平誤差和垂直誤差均≤10 mm。布置了東西方向和南北方向的監(jiān)測線，結(jié)合礦山實(shí)際建立了巖層移動預(yù)警指標(biāo)，確定了東副井、2#豎井等重要建構(gòu)筑物所允許的最大變形為傾斜≤2.5 mm/m、最小曲率半徑≤20 km、水平變形≤1.5 mm/m。

表1 銅坑礦巖層移動報(bào)警指標(biāo)

［1］顧孝烈，鮑 峰，程效軍.測量學(xué)［M］.上海:同濟(jì)大學(xué)出版社，2011.

［2］蔡美峰，李長洪，李軍財(cái)，等.GPS在深凹露天礦高陡邊坡位移動態(tài)監(jiān)測中的應(yīng)用［J］.中國礦業(yè)，2004，13(9):60-64.

［3］苗勝軍，蔡美峰，夏訓(xùn)清，等.深凹露天礦GPS邊坡變形監(jiān)測［J］.北京科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，28(6):515-518.

［4］王東亮.GPS工程控制網(wǎng)網(wǎng)型設(shè)計(jì)研究［J］.煤炭技術(shù)，2010，29(5):142-143.

［5］毛建華，楊偉忠，黃道欽，等.金屬礦山巖層與地表移動研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢［J］.采礦技術(shù)，2009，9(6):13-14，35.

［6］魏緒德.礦區(qū)地面測量的高程控制網(wǎng)［J］.價(jià)值工程，2011，30(12):25.

［7］董樹兵.GPS測量在恢復(fù)礦區(qū)控制網(wǎng)中的應(yīng)用［J］.中國煤田地質(zhì)，2004，16(Z1):106-108.

［8］喬 旭，趙長福.GPS工程控制網(wǎng)的布設(shè)與研究［J］.東北測繪，2012(10):133-136，142.