趙 倩

（1.山西省煤炭職工培訓(xùn)中心，山西 太原 030012；2.山西省煤炭職業(yè)中等專業(yè)學(xué)校，山西 太原 030012）

引言

煤炭開采為國(guó)民經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)帶來了強(qiáng)大的發(fā)展動(dòng)力，與此同時(shí)煤礦開采還會(huì)造成環(huán)境破壞、生態(tài)平衡被破壞等問題，其中較為顯著的問題為煤礦開采所引起的地表塌陷、地表產(chǎn)生裂縫導(dǎo)致耕地被破壞、居民建筑物變形倒塌以及地下水流失等[1]。煤炭?jī)?chǔ)藏所在地地質(zhì)條件相對(duì)復(fù)雜，由于對(duì)其開采沉陷規(guī)律研究不充分無法對(duì)其提出有效的治理方案、治理措施。因此，需提升對(duì)煤礦地表位移移動(dòng)規(guī)律的監(jiān)測(cè)精度和監(jiān)測(cè)效率，為后續(xù)開采和塌陷治理提供依據(jù)。本文將采用GPS 結(jié)合全站儀的聯(lián)合作業(yè)方式對(duì)煤礦地表位移的移動(dòng)規(guī)律進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

1 亭南煤礦工程概況

本文以亭南煤礦為例開展研究，該煤礦的地表起伏較大，對(duì)應(yīng)的地形條件相對(duì)復(fù)雜，周圍主要以山區(qū)為主，并伴有相對(duì)平坦的河流，而且該煤礦綜采工作面的走向?yàn)槟媳弊呦?，在工作面走向方向上有多個(gè)村莊。通過對(duì)亭南煤礦目前開采狀態(tài)下地表位移移動(dòng)規(guī)律的監(jiān)測(cè)，旨在為后續(xù)該煤礦的回采方案和塌陷治理提供強(qiáng)有力的基礎(chǔ)和依據(jù)。該煤礦的基本情況描述如下：

1）地質(zhì)條件：該煤礦總的煤層平均厚度為63.92m，最大煤層厚度為105.24 m，目前可供開采的煤層有1 號(hào)、4 號(hào)，本文以其中4 號(hào)煤層所屬工作面地表的移動(dòng)規(guī)律進(jìn)行監(jiān)測(cè)。該煤層工作面頂板的主要成分為深灰色泥巖和砂質(zhì)泥巖；4 號(hào)煤層工作面?zhèn)雾數(shù)闹饕煞譃樯皫r，并與部分煤層相接觸；底板的主要成分為泥巖，其具體類型為鋁土層；偽底的主要成分為炭質(zhì)泥巖，該類巖層遇水后容易膨脹，常導(dǎo)致底鼓現(xiàn)象的發(fā)生[2]。

2）工作面布置情況：4 號(hào)煤層所屬的204 工作面為南北走向，其走向總長(zhǎng)度為2 170 m，工作面寬度為200 mm，目前所采用的開采方式為一次全采高開采法，采用全部垮落法對(duì)工作面頂板進(jìn)行管理。204工作面地表起伏較大，其地表整體走勢(shì)為南北兩端高、中間低，4 號(hào)煤層的埋藏范圍位于地下475～693 m之間，而且所埋藏煤層的平均傾角為2°。

2 全站儀的選型與布置

2.1 全站儀的選型

為滿足煤礦地表位移的監(jiān)測(cè)需求，要求所選型全站儀的精度為±1″，分辨率為0.1″。工程中常選用的全站儀的型號(hào)包括有TCA2003、TC1800 和NET2100。綜合考慮上述三種型號(hào)全站儀的精度、抗干擾能力以及成本價(jià)格等因素，最終選擇NET2100的全站儀對(duì)煤礦地表位移的移動(dòng)規(guī)律進(jìn)行監(jiān)測(cè)。根據(jù)監(jiān)測(cè)需求，為其分別配置如表1 所示的反射片。

表1 反射片技術(shù)參數(shù)

2.2 全站儀觀測(cè)站的設(shè)計(jì)

地表移動(dòng)觀測(cè)站除了布置觀測(cè)站外還需結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況地表移動(dòng)參數(shù)進(jìn)行重新選取。根據(jù)204工作面的現(xiàn)場(chǎng)情況，為其地表位移觀測(cè)站設(shè)計(jì)兩條觀察線，其中一條沿著工作面走向布置，另一條與工作面走向方向垂直。同時(shí)，在結(jié)合204 工作面現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況包括河床、村莊布置情況，總共為其設(shè)置四條觀測(cè)線布置全站儀，分別如下：

1）1—8 線：位于204 工作面切眼南部275 m的位置，并且布置于工作面的主斷面的半盆地；

2）9—38 線：位于204 工作面的切眼端，并將其布置于工作面走向的北部陡坡區(qū)域，該觀測(cè)線能夠準(zhǔn)確記錄204 工作面地表河谷位置的開采影響邊界；

3）66—106 線：位于204 工作面的中間位置與已經(jīng)停采線之間的區(qū)域，并且布置于工作面的主斷面的半盆地；

4）107—117 線：位于204 工作面的中間位置，并且與布置于工作面主斷面半盆地的觀測(cè)線相垂直。

結(jié)合204 工作面所配置的移動(dòng)觀測(cè)站的布置情況，設(shè)計(jì)如表2 所示的地表移動(dòng)計(jì)算參數(shù)。

表2 204 工作面地表位移監(jiān)測(cè)計(jì)算參數(shù)

3 全站儀觀測(cè)方案的設(shè)計(jì)

地表位移移動(dòng)規(guī)律觀測(cè)方案設(shè)計(jì)的關(guān)鍵原則為在保證觀測(cè)數(shù)精度的基礎(chǔ)上，要盡可能地減少作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，即應(yīng)兼容觀測(cè)精度和觀測(cè)效率的問題。為此，本工程將采用GPS 結(jié)合全站儀的方式對(duì)礦區(qū)開采沉陷工作進(jìn)行監(jiān)測(cè)[4]。目前，204 工作面所在區(qū)域已經(jīng)配置有4 個(gè)高級(jí)控制點(diǎn)，編號(hào)分別為K01、K03、E10 和E19，其相對(duì)位置如圖1 所示：

圖1 204 工作面區(qū)域目前已配置高級(jí)控制點(diǎn)相對(duì)位置

如圖1 所示，K01 和K03 為GPS 數(shù)據(jù)平差處理的固定點(diǎn)；E10 和E19 為對(duì)評(píng)查精度的控制。結(jié)合204 工作面地表起伏較大以及整體形狀為兩端高、中間低的趨勢(shì)，而且所布置觀測(cè)站主要出于上山或下山的位置。根據(jù)煤礦地表位移測(cè)量規(guī)程的規(guī)定，要求測(cè)量平面點(diǎn)位的誤差控制在10 mm，GPS 全站儀對(duì)應(yīng)所組成的觀測(cè)網(wǎng)如圖2 所示。

圖2 204 工作面地表的GPS 全站儀觀測(cè)網(wǎng)

4 地表監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析

按照上述所述的觀測(cè)方案和觀察線布置情況對(duì)監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行布置后，分別取四次觀測(cè)值，本節(jié)主要對(duì)1-8 觀測(cè)線所采集的四次數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并繪制如圖3 所示的曲線。

圖3 1—8 號(hào)觀測(cè)點(diǎn)下沉曲線

如圖3 所示，從1 號(hào)位置到8 號(hào)位置對(duì)應(yīng)地表的下沉量處于遞減的變化趨勢(shì)，而且隨著時(shí)間的推移各個(gè)觀測(cè)點(diǎn)地表位移的下沉量均在增加。其中，四次觀測(cè)結(jié)束后1 號(hào)位置的下沉量最大為0.154 m；8號(hào)位置的下沉量最小為0.085 m。導(dǎo)致上述結(jié)果的主要原因在于：1 號(hào)觀測(cè)站到8 號(hào)觀測(cè)站是呈現(xiàn)下坡形態(tài)布置的，在下坡應(yīng)壓力的作用下給地表一個(gè)向上的分量，從而導(dǎo)致對(duì)應(yīng)的地表下沉量減小[5]。

5 結(jié)論

1）為兼顧地表位移監(jiān)測(cè)精度和監(jiān)測(cè)效率，采用GPS 全站儀對(duì)其地表位移移動(dòng)規(guī)律進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并結(jié)合地表實(shí)際情況為其布置四條觀測(cè)線和四個(gè)高級(jí)控制點(diǎn)。

2）基于該觀測(cè)方案所獲取的數(shù)據(jù)為指導(dǎo)相鄰工作面的開采、本工作面的回采以及后期對(duì)礦區(qū)塌陷問題的治理提供強(qiáng)有力的依據(jù)。