康新亮

摘 要：該文在論述礦山開采沉陷相關(guān)基本概念和GPS技術(shù)的基礎(chǔ)上，針對(duì)在山區(qū)開展地表巖移觀測(cè)工作難的問(wèn)題，結(jié)合GPS技術(shù)的的優(yōu)勢(shì)，提出采用GPS技術(shù)對(duì)山區(qū)地表沉陷進(jìn)行實(shí)時(shí)快速測(cè)量。并以具體礦區(qū)地表巖移觀測(cè)工作為例，結(jié)合工作面的地質(zhì)采礦條件和礦山測(cè)量規(guī)程的相關(guān)規(guī)定，對(duì)工作面上方觀測(cè)線進(jìn)行了設(shè)計(jì)；論述了采用GPS進(jìn)行連接測(cè)量、全面觀測(cè)和日常觀測(cè)的相關(guān)注意事項(xiàng)；最后通過(guò)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的分析，獲得了該礦區(qū)的地表巖移規(guī)律，并證實(shí)了采用GPS技術(shù)在山區(qū)進(jìn)行地表巖移觀測(cè)是完全可行的。

關(guān)鍵詞：GPS 沉陷觀測(cè) 大地高 移動(dòng)變形規(guī)律

中圖分類號(hào)：P228 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）12（c）-0065-02

西山礦區(qū)地處山區(qū)，地形條件十分復(fù)雜，使開采沉陷觀測(cè)工作難度很大，正因如此，近年來(lái)一直沒有開展礦山開采沉陷的地表巖移觀測(cè)和研究工作。隨著西山各礦區(qū)相繼進(jìn)入下組煤開采，重復(fù)采動(dòng)的影響導(dǎo)致地表破壞嚴(yán)重。由于缺乏相關(guān)觀測(cè)資料，使得煤柱留設(shè)和地表破壞引起的農(nóng)工問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重，為此，相關(guān)部門對(duì)西山礦區(qū)的地表巖移觀測(cè)工作展開了相關(guān)研究，首次在某礦使用GPS對(duì)礦區(qū)地表沉陷進(jìn)行了觀測(cè)。該文將對(duì)本次觀測(cè)進(jìn)行總結(jié)討論。

1 礦區(qū)沉陷的觀測(cè)

開采沉陷是隨時(shí)間和空間變化的復(fù)雜四維問(wèn)題[1-5]。地表移動(dòng)觀測(cè)的基本內(nèi)容是在采動(dòng)過(guò)程中，定期地、重復(fù)地測(cè)定觀測(cè)線上各測(cè)點(diǎn)在不同時(shí)期空間位置的變化?？臻g位置變化包括水平位移和高程的變化。傳統(tǒng)的測(cè)量方法是應(yīng)用全站儀測(cè)量水平坐標(biāo)，水準(zhǔn)儀測(cè)量水準(zhǔn)高程，但是水準(zhǔn)高程測(cè)量的條件是有限的，在坡度較大的礦區(qū)地表基本是無(wú)法進(jìn)行的，這樣給很多地勢(shì)陡峭的山區(qū)礦井進(jìn)行沉陷觀測(cè)帶來(lái)了很大的困難，阻礙了山區(qū)沉陷觀測(cè)工作的發(fā)展。

2 GPS定位技術(shù)

GPS平面控制網(wǎng)已經(jīng)在許多高精度的工程中得到應(yīng)用，大量的實(shí)踐數(shù)據(jù)表明了GPS平面控制網(wǎng)的精度是很高的。但是，在高程控制方面，由于轉(zhuǎn)換參數(shù)的問(wèn)題使得GPS擬合高程精度較低，不能滿足等級(jí)水準(zhǔn)測(cè)量的要求。在此基礎(chǔ)上，分析地表移動(dòng)規(guī)律研究是空間相對(duì)位移的變化，因此，采用GPS大地高計(jì)算地表點(diǎn)位移變化的相對(duì)值，其成果精度不受基準(zhǔn)面轉(zhuǎn)換的擬合誤差影響，相對(duì)精度可用于高精度形變位移的觀測(cè)，該法應(yīng)用于西山某礦地表沉陷研究，分析得出了該礦地質(zhì)采礦條件下一定的地表移動(dòng)變形規(guī)律，計(jì)算出了相關(guān)移動(dòng)變形參數(shù)，為開采沉陷工作起到了必要的作用。

3 工作面地質(zhì)采礦條件

A8101工作面地面位于從峁山北西部，屯蘭河背斜，工作面走向方向?yàn)槊簩拥膬A斜方向，煤層平均傾角<5 °，蓋山厚度176～414 m，平均厚度278m。植被發(fā)育，灌木叢生，地面標(biāo)高1159～1329 m。工作面共有20條斷層，其中在掘進(jìn)中揭露18條斷層，另外有2條斷層位于工作面內(nèi)，斷層落差H=0.9～5.5 m，其中FA8101—6斷層對(duì)回采影響極大，有4條斷層對(duì)回采影響中等，其余斷層對(duì)回采影響較小。A8101工作面開采參數(shù)如表1所示。

4 觀測(cè)站布置情況

4.1 設(shè)計(jì)原則

為了獲得準(zhǔn)確、可靠、有代表性的觀測(cè)資料，觀測(cè)站設(shè)計(jì)中，必須遵循下列原則：

（1）觀測(cè)線布設(shè)在地表移動(dòng)盆地主斷面上；

（2）選擇設(shè)站工作面，在觀測(cè)期間不受鄰近開采的影響；

（3）觀測(cè)線的長(zhǎng)度大于地表移動(dòng)的范圍；

（4）觀測(cè)站的控制點(diǎn)設(shè)在移動(dòng)盆地范圍以外，埋設(shè)要牢固。

4.2 設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇

考慮該工作面地質(zhì)采礦條件，觀測(cè)站設(shè)計(jì)參數(shù)依據(jù)《西山礦區(qū)保護(hù)煤柱設(shè)計(jì)規(guī)程》（試行）確定如下：

（1）α≤5°、100 m

（2）移動(dòng)角修正值（走向?yàn)椤鳓?，上山為△γ，下山為△β）：△?△γ=△β=20。?

（3）走向充分采動(dòng)角=55°（考慮重復(fù)采動(dòng)、覆巖性質(zhì)較軟）

（4）最大下沉角：θ=90°-0.6α=87°。

4.3 布置觀測(cè)線

觀測(cè)站共設(shè)兩條觀測(cè)線，沿工作面走向布第一條（A線），工作面傾向布第二條（B線），各觀測(cè)線的總長(zhǎng)度、分段長(zhǎng)度以及點(diǎn)間距和點(diǎn)數(shù)見表2。每條觀測(cè)線長(zhǎng)度等于工作面內(nèi)長(zhǎng)度加邊界段長(zhǎng)度。各觀測(cè)線邊界長(zhǎng)度均按下式計(jì)算：

式中，為工作面邊界開采深度（m）。

按上式計(jì)算，考慮本工作面呈刀把形，觀測(cè)B線距小開切眼的平面位置為578 m，寬切眼232 m，觀測(cè)A線位于寬工作面中心的方向。測(cè)點(diǎn)間距25 m。

5 地表移動(dòng)變形規(guī)律觀測(cè)

本次觀測(cè)使用6臺(tái)美國(guó)天寶

TrmibleR8 GPS，分別于2011年8月11號(hào)（開采前），2011年8月25日（開采前），2011年9月23號(hào)、2011年10月19號(hào)、2011年11月24號(hào)、2011年12月15號(hào)、2012年1月12號(hào)、2012年2月17號(hào)、2012年3月28號(hào)、2012年4月26號(hào)、2012年5月31號(hào)、2012年8月22號(hào)、進(jìn)行了12次觀測(cè)。最終認(rèn)為2012年8月22號(hào)觀測(cè)的數(shù)據(jù)為地表最終穩(wěn)定數(shù)據(jù)。

5.1 控制點(diǎn)連接測(cè)量

于觀測(cè)區(qū)域內(nèi)穩(wěn)定地點(diǎn)布設(shè)四個(gè)控制點(diǎn)即G1、G2、G3、G4。測(cè)量方法采用GPS靜態(tài)定位模式，基準(zhǔn)點(diǎn)選用C級(jí)控制點(diǎn)（D0703）、（D0704）及（D0711）。按規(guī)程規(guī)定的D級(jí)網(wǎng)精度標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行施測(cè)，每一時(shí)段視接收衛(wèi)星信號(hào)，采集數(shù)據(jù)不少于90 min。

5.2 全面觀測(cè)

全面測(cè)量采用GPS靜態(tài)定位模式，觀測(cè)基準(zhǔn)站布設(shè)于控制點(diǎn)上。GPS觀測(cè)采用靜態(tài)定位模式，按規(guī)程規(guī)定的D級(jí)網(wǎng)精度標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行施測(cè)，在每一測(cè)點(diǎn)上，每一時(shí)段視接收衛(wèi)星信號(hào)，一般采集數(shù)據(jù)60 min以上。在地表穩(wěn)定后，要進(jìn)行最后一次全面觀測(cè)，地表移動(dòng)穩(wěn)定的標(biāo)志是：連續(xù)6個(gè)月觀測(cè)地表各點(diǎn)的累計(jì)下沉值均小于30 mm。

5.3 日常觀測(cè)

日常觀測(cè)工作全部采用GPS觀測(cè)，直接測(cè)定觀測(cè)點(diǎn)的空間三維坐標(biāo)，通過(guò)數(shù)據(jù)處理的方法，求其移動(dòng)變形值。重復(fù)測(cè)量的時(shí)間間隔，視地表下沉的速度而定，一般是每隔10～15d觀測(cè)一次。在移動(dòng)的活躍階段（地表每月下沉值大于50 mm），還應(yīng)在下沉較大的區(qū)段，增加觀測(cè)次數(shù)，5～10d觀測(cè)一次。

6 研究結(jié)論

（1）結(jié)合礦區(qū)的地質(zhì)地貌條件，通過(guò)分析A8101工作面地表觀測(cè)數(shù)據(jù)，可知GPS大地高數(shù)據(jù)具有非常高的精度，其結(jié)果完全滿足地表移動(dòng)變形規(guī)律的分析。

（2）獲得了該礦該地質(zhì)采礦條件下地表移動(dòng)變形的角量參數(shù)，如表3所示。

（3）獲得了該礦該地質(zhì)采礦條件下地表移動(dòng)變形的概率積分預(yù)測(cè)參數(shù)，如表4所示。

參考文獻(xiàn)

[1] 崔希民，陳立武.沉陷大變形動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與力學(xué)分析[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2004：52.

[2] 黃樂亭，王金莊.地表動(dòng)態(tài)沉陷變形規(guī)律與計(jì)算方法研究[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，37（2）：211-215.

[3] 何國(guó)清，楊倫，凌賡娣，等.礦山開采沉陷學(xué)[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，1995.

[4] 郭文兵，柴華彬.煤礦開采損害與保護(hù)[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2008.

[5] 康建榮.山區(qū)采動(dòng)裂縫對(duì)地表移動(dòng)變形的影響分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2008，27（1）：59-64.