張本平，山 鋒，王萬平

(陜西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑與測繪工程學(xué)院，陜西 西安 710018)

隨著我國煤礦能源開采規(guī)模的不斷擴(kuò)大，礦區(qū)地表塌陷問題開始受到廣泛重視，基于GPS的地表變形監(jiān)測技術(shù)是現(xiàn)階段我國采礦企業(yè)應(yīng)對礦區(qū)地表塌陷問題的一項(xiàng)重要手段[1-2]。在長期的礦山開采過程中，礦區(qū)地表會出現(xiàn)不同程度的塌陷，需要通過數(shù)字化的觀測技術(shù)來明確礦區(qū)地表內(nèi)部的空間內(nèi)部形態(tài)，進(jìn)而將地表塌陷作為地表變化的一個(gè)參量，通過3D可視化技術(shù)展現(xiàn)地表巖體移動情況[3-5]。測繪科研工作者通過對動態(tài)定位理念的長期研究，對GPS靜態(tài)定位技術(shù)加以深化，使得GPS技術(shù)在礦區(qū)塌陷監(jiān)測方面的應(yīng)用越來越成熟[6-7]。張鵬海等[8]在測量地表巖石移動的工作中引用GPS技術(shù)，達(dá)到10 m以內(nèi)的測量精度，并通過仿真實(shí)驗(yàn)對GPS技術(shù)的應(yīng)用理論加以改進(jìn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)針對地表深陷運(yùn)動變化狀況的精確模擬；閆保旭等[9]通過GPS技術(shù)長期觀測某礦區(qū)的地表沉陷的監(jiān)測值，并利用歷史數(shù)據(jù)對地表監(jiān)測模型加以改進(jìn)，大幅提升礦區(qū)地表監(jiān)測結(jié)果的可靠性，為該礦區(qū)的開采工作提供了有效的指導(dǎo)。雖然國內(nèi)在礦山塌陷區(qū)監(jiān)測領(lǐng)域已經(jīng)出現(xiàn)較多成功應(yīng)用GPS技術(shù)的案例，但罕有對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化處理的研究[10-11]。為了進(jìn)一步擴(kuò)展GPS技術(shù)在礦區(qū)監(jiān)測工作中的應(yīng)用場景，有必要對GPS技術(shù)的應(yīng)用策略進(jìn)行深入分析，并將三維模擬技術(shù)與現(xiàn)有的數(shù)據(jù)分析技術(shù)結(jié)合起來，進(jìn)而提高數(shù)據(jù)處理質(zhì)量[12-13]。

1 儀器設(shè)備

研究針對某煤礦三礦區(qū)實(shí)施地表勘測，籌備工作內(nèi)容如下。依照項(xiàng)目方案準(zhǔn)備全站儀及輔助設(shè)備、數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)與GPS儀器設(shè)備。用于放樣的設(shè)備主要為3臺S86-T GPS接收機(jī)，用于監(jiān)測的設(shè)備主要為3臺R10 GPS接收機(jī)；根據(jù)三礦區(qū)由崩落法采礦所造成的地表塌陷監(jiān)測技術(shù)設(shè)計(jì)規(guī)程，準(zhǔn)備有地面塌陷監(jiān)測接收器、大電量對講機(jī)以及具有安全通行許可的礦用汽車。

2 監(jiān)測網(wǎng)設(shè)計(jì)

2.1 礦體界線范圍

在現(xiàn)有資料的指導(dǎo)下，工程技術(shù)人員將三礦區(qū)礦體界線為5—11行，由于該礦區(qū)1554分段至1474分段5—11行在通過充填法進(jìn)行煤炭開采后產(chǎn)生厚約80 m的充填體，1630分段至1595分段5—11行由于采用相同的開采方式也出現(xiàn)了厚約80 m的充填體。因此，研究在三礦區(qū)實(shí)施GPS監(jiān)測的基礎(chǔ)上，還依照煤礦企業(yè)工作人員提供的開采界線，于三礦區(qū)1580分段5—11行建立如圖1所示的礦體界線范圍。

圖1 監(jiān)測網(wǎng)設(shè)計(jì)方案

2.2 監(jiān)測網(wǎng)設(shè)計(jì)

基于《測繪技術(shù)設(shè)計(jì)規(guī)定》(CH/T 1004—2005)及《工程測量規(guī)范》(GB 50026—2007)、《衛(wèi)星定位城市測量技術(shù)規(guī)范》(CJJ/T 73—2010)等有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[14-16]，三礦區(qū)地表塌陷監(jiān)測范圍為東三地表1—15行，依照現(xiàn)已圈定的礦體的邊界于1—15行的每條線上設(shè)置10個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，各監(jiān)測點(diǎn)之間的距離為50 m，以滿足實(shí)施崩落采礦法的1590水平5—7行以及實(shí)施充填采礦法的1554分段至1474分段5—11行、1630分段至1595分段5—11行的開采需求。具體設(shè)計(jì)結(jié)果如圖2所示。

圖2 監(jiān)測網(wǎng)設(shè)計(jì)結(jié)果

3 外業(yè)監(jiān)測方案

基于現(xiàn)有的監(jiān)測網(wǎng)設(shè)計(jì)結(jié)果，建立如圖3所示的監(jiān)測網(wǎng)點(diǎn)分布方案，各監(jiān)測點(diǎn)分別分布于第2行14-10號—14-1號點(diǎn)、第3行13-5號—13-14號點(diǎn)、第4行12-10號—12-1號點(diǎn)、第5行11-5號—11-14號點(diǎn)、第6行10-10號—10-1號點(diǎn)、第7行9-5號至9-14號點(diǎn)點(diǎn)、第8行8-11號—8-1號點(diǎn)、第9行7-6號—7-16號點(diǎn)、第10行6-11號—6-1號點(diǎn)、第11行5-6號—5-16號點(diǎn)、第12行4-10號—4-1號點(diǎn)、第13行3-6號—3-15號點(diǎn)、第14行2-7號—2-1號點(diǎn)，總共設(shè)置有161個(gè)監(jiān)測點(diǎn)。

圖3 監(jiān)測網(wǎng)點(diǎn)布置方案

通過靜態(tài)GPS測量設(shè)計(jì)監(jiān)測三礦區(qū)地表塌陷狀況，采用點(diǎn)連接式的監(jiān)測點(diǎn)構(gòu)網(wǎng)方案，采樣間隔為2 s，其他2臺接收機(jī)分別觀測三礦區(qū)因崩落法形態(tài)所引起的地表塌陷狀況，準(zhǔn)確記錄觀測數(shù)據(jù)。垂直監(jiān)測精度為±5～±8mm，平面監(jiān)測精度為±3～±5 mm，點(diǎn)位誤差在±10 mm以內(nèi)。GPS靜態(tài)測量記錄：天氣情況為多云，采樣間隔為2 s，接收機(jī)編號為0287，時(shí)段號為7，開始記錄時(shí)間為9 h17 min，結(jié)束記錄時(shí)間為9 h 28 min，測前天線高測定平均 2.367 7 m，測后天線高測定平均為2.367 6 m。

4 數(shù)值模擬分析及基本原理

研究采用Surfer軟件來處理所采集到的監(jiān)測數(shù)據(jù)，用以輸出三礦區(qū)1590 水平與158水平因崩落法開采而產(chǎn)生的地表塌陷三維模型。該產(chǎn)品是現(xiàn)階段礦山應(yīng)用最為廣泛、模擬功能最強(qiáng)的一款數(shù)值模擬軟件，支持克里金插值、反距離加權(quán)插值等數(shù)據(jù)處理算法，可以結(jié)合崩落法、充填法的采礦條件以及三礦區(qū)巖石破碎、松軟的地質(zhì)條件來建立區(qū)巖體移動模型[17-20]。本次研究用于塌陷監(jiān)測數(shù)據(jù)數(shù)值模擬的核心算法為克里金插值法，將地表塌陷區(qū)域記為W，將地表塌陷的空間位置記為x，將地表塌陷區(qū)域變化量記為{z(x)∈w}，與z(x)相對應(yīng)的塌陷監(jiān)測點(diǎn)xi(i=1，2，…，n)處的屬性值為z(xi)(i=1，2，…，n)，將待求權(quán)系數(shù)記為λi(i=1，2，…，n)，則未監(jiān)測點(diǎn)屬性值的加權(quán)和可表示為：

(1)

式中，地表塌陷監(jiān)測點(diǎn)z(xi)之間存在一定的相關(guān)關(guān)系，這種相關(guān)性與各監(jiān)測點(diǎn)之間的相對方向和距離有關(guān)。

為了實(shí)現(xiàn)地面沉降監(jiān)測的方差最小化，計(jì)算了各監(jiān)測點(diǎn)的無偏權(quán)重系數(shù)λi(i=1，2，…，n)，若以無偏為計(jì)算前提，則可建立與待求權(quán)系數(shù)記為相關(guān)的如下方程組。

(2)

式中，C(xi，yj)為z(xi)和z(xj)的協(xié)方差函數(shù)。

5 實(shí)地監(jiān)測與三維模擬結(jié)果

5.1 實(shí)地監(jiān)測結(jié)果

經(jīng)過外業(yè)監(jiān)測作業(yè)后，于三礦區(qū)共獲取161個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的地表巖移監(jiān)測結(jié)果，其中前10個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的監(jiān)測結(jié)果見表1。

表1 三礦區(qū)各GPS監(jiān)測點(diǎn)位移測量成果

5.2 三維模擬結(jié)果

基于GPS技術(shù)對三礦區(qū)的地表塌陷狀況實(shí)施監(jiān)測，并針對所獲取的監(jiān)測結(jié)果實(shí)施數(shù)值模擬，進(jìn)而建立相應(yīng)的三維沉降模型。模型輸出結(jié)果(1期、3期、5期、7期、9期、11期)如圖4所示。針對三礦區(qū)由崩落法采礦所造成的地表塌陷重點(diǎn)區(qū)域?qū)嵤┏掷m(xù)監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)由崩落法采礦擾動引起的上覆圍巖沉降運(yùn)動呈現(xiàn)出越來越劇烈的趨勢，下沉特征十分明顯，地表塌陷沉降移動活躍，已經(jīng)形成了一個(gè)礦區(qū)地表塌陷盆地，在實(shí)施加固修復(fù)處理之前，不宜再進(jìn)行成規(guī)模的煤礦開采。

圖4 1期—11期三維沉降模型

6 塌陷區(qū)地表穩(wěn)定性分析

經(jīng)實(shí)地勘查發(fā)現(xiàn)，三礦區(qū)5行—7行間地表新增裂縫數(shù)量較多，具體形式如圖5所示，裂隙深度最高可達(dá)1 m，沿礦體走向平行排列。過去1月內(nèi)新增的裂縫幾乎全部貫通于5行—7行并產(chǎn)生明顯的塌陷區(qū)域輪廓。

圖5 近期裂縫變化

基于近1個(gè)月內(nèi)三礦區(qū)地表裂縫的變化情況，于裂縫周圍設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)，將所獲取的數(shù)據(jù)用于沉降量速率分析，監(jiān)測點(diǎn)布置方案如圖6所示。

圖6 地表巖移沉降速率監(jiān)測點(diǎn)布置方案

(1)地表點(diǎn)下沉。為了解三礦區(qū)地表塌陷地表點(diǎn)沉降趨勢，通過皮爾森Ⅲ型函數(shù)的概率積分法來對所采集到的地理位置數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，具體算法：

W(x)=a×Wmax×Lb×exp(-cl)

(3)

式中，x為地表塌陷區(qū)中地表點(diǎn)的正常高度；l為地表塌陷區(qū)下沉點(diǎn)間的距離；a、b、c為地表塌陷待計(jì)算系數(shù)，其中，a=10 323、b=4.609、c=1.587。

(4)

選定監(jiān)測點(diǎn)7-11、6-7、6-6、6-5、6-4、6-3、5-12、5-11、5-10、4-4、4-6，繪制15個(gè)周期內(nèi)的沉降速率曲線圖，繪制結(jié)果如圖7所示。經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，6-4、5-12、6-3沉降量速率變化幅度最大。

圖7 監(jiān)測點(diǎn)沉降速率曲線

根據(jù)監(jiān)測點(diǎn)沉降速率曲線可知，三礦區(qū)1590水平5—7行下沉速度最大的監(jiān)測點(diǎn)分別為6-4、5-12以及6-3。其中監(jiān)測點(diǎn)6-3的最高隆起速率和下沉速率分別為7.94 mm/d和7.96 mm/d，說明該區(qū)域存在劇烈塌陷。

(2)裂隙點(diǎn)下沉。裂隙點(diǎn)下沉所選定的主要裂隙點(diǎn)有5-10、A5、B5、B4、5-11、6-3、B13、A13、6-6、A10、B9、A8、7-11。通過GPS靜態(tài)觀測技術(shù)采集該區(qū)域的地表塌陷數(shù)據(jù)并計(jì)算沉降速率，根據(jù)計(jì)算結(jié)果繪制沉降量速率曲線圖，繪制結(jié)果如圖8所示。

圖8 裂隙點(diǎn)沉降速率曲線

根據(jù)裂隙點(diǎn)沉降速率曲線可知，在三礦區(qū)1590水平5—7行所分布的各裂隙點(diǎn)中，5-11、6-4、6-6號點(diǎn)的下沉速度最大。其中6-3號點(diǎn)的隆起速度和6-6號點(diǎn)的下沉速度分別高達(dá)22.10 mm/月和126.85 mm/月。

7 結(jié)論

根據(jù)地表裂縫監(jiān)測結(jié)果可知，三礦區(qū)1630中段曾經(jīng)通過充填法實(shí)施煤炭開采，并且采空區(qū)已形成了充填體，地下空間厚度有限，并井下空間兩兩相隔，未形成厚度、規(guī)模足夠大的空間體，地表結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定。然而，三礦區(qū)1494、1514、1534、1630中段的塌陷區(qū)域已經(jīng)形成平衡，由于1590中段正通過崩落法實(shí)施煤炭開采，1474和1610中段正通過充填法實(shí)施煤炭開采，致使該區(qū)域的地表平衡被再次打破。進(jìn)而引起1630中段采空區(qū)受到破壞，嚴(yán)重影響采空區(qū)充填體的穩(wěn)定性，造成較為劇烈的地表塌陷，從三礦區(qū)的巖體移動三維模擬結(jié)果中可以發(fā)現(xiàn)，三礦區(qū)的地表局部出現(xiàn)沉降小盆地，該模擬結(jié)果與數(shù)值分析結(jié)果相一致。