全站儀中間法在采煤沉陷區域地表移動觀測中的應用

申慧峰

（霍州煤電集團河津薛虎溝煤業有限責任公司， 山西 運城 044000）

引言

在對采煤沉陷地表移動觀測過程中，通過對開采沉陷進行準確預測，可采取有效的采煤沉陷防護措施，是開展“三下”采煤活動的技術基礎和保護礦山地質環境的重點。傳統觀測方法是在采掘過程中對觀測點進行定期觀測，進而研究地表移動變形的大小及變形規律，然而，在高潛水位地區，采煤沉陷造成潛水位上升，在沉陷盆地內形成積水，積水區域內的地表移動觀測點遭到破壞導致觀測數據的缺失，破壞其完整性，數據分析結果不能完整體現地表移動變形規律。全站儀中間法因其不需要觀測點間互相通視，操作靈活，測量效率高，特別是在山區以及導線點不易架設儀器等區域得到廣泛應用。

1 全站儀中間法工作原理

全站儀中間法基本原理是將全站儀安置在已知點和待測點間，對已知點和待測點分別進行三角高程測量，然后根據水準儀高程測量方法進行已知點到待測點的高程傳遞，如圖1所示。

圖1 全站儀中間法工作原理

基于差分原理進行高程傳遞，已知點和待測點間無需通視，不需要量取儀器高，消除了儀器誤差對高程觀測精度的影響，減弱了大氣折光和地球曲率誤差對觀測精度的影響。根據全站儀中間法的基本原理，在已知點A和待測點B間點O位置安置全站儀，測得傾斜距離s1和s2，豎直角α1和α2，量取棱鏡高V1和V2，可得已知點和待測點間高差h見公式[1-2]：

式中:k1和k2分別為OA和OB間的大氣折光系數；R為地球曲率半徑，R＝6 371 km，則OA和OB間的大氣折光誤差分別為和

根據誤差傳播理論，全站儀中間法的高差中誤差主要與測距中誤差mD、豎直角中誤差mα、大氣折光系數中誤差mk、前后視距離差mΔD相關，除此之外，高差測量精度還與距離、豎直角的大小有關。所以，在使用全站儀中間法的時候，在滿足前后視距離相等情況下，全站儀盡量安置在前后視的中垂線附近，選擇較小的豎直角。

圖2 地表移動觀測點位布設

2 觀測點布設方法及預處理

1）在傳統觀測線側方布置觀測點。采用全站儀中間法觀測，要求沉陷積水區域每個點位觀測都需要按照觀測距離變化重新選擇后視點和儀器架設位置，而沉陷積水可能對觀測路線及點位都造成影響。綜合考慮，在傳統觀測線側方合理位置布置觀測點，如圖2所示。走向線側方布置觀測點K，根據采煤沉陷預計結果，點位K應當選擇在能夠盡量同時滿足沉陷積水區域內所有地表移動觀測點的觀測條件，點位位置在滿足觀測條件基礎上，盡量布置在采動影響范圍外。

2）積水區域內觀測點預處理。為獲取沉陷積水區域內地表移動觀測數據，必須對積水區域影響范圍內的觀測點進行預處理，即在原有觀測點位上安設一定高度的觀測標尺，觀測標尺與觀測點位間以螺紐進行連接，方便標尺的安置和取下。標尺上設置相應的高度測量刻度，刻度劃在滿足視距觀測精度的條件下，應當使刻度精確到厘米，標尺必須保證豎直。

3 地表移動觀測方法

采煤造成的地表移動變形是一個影響過程，沉陷預計結果只是對采煤活動造成的地表移動的最終體現，根據預計結果確定需要進行預處理觀測點位的個數及預處理方案。因此，在某一時間截點，受沉陷積水影響的觀測點位不一定達到最大值。沉陷積水對地表移動觀測點位的影響主要分為三個階段，如圖3所示。

圖3 地表移動觀測點受地表移動沉陷積水影響過程圖

1）階段一：采煤活動造成上覆巖層變形波及地面，地表沉陷深度未波及潛水位埋深，沉陷盆地內未形成積水，觀測點位沒有受到沉陷積水影響。

2）階段二：隨著采煤活動繼續，地表沉陷不斷加深，地表沉陷深度波及潛水位埋深，沉陷盆地內積水范圍隨著采煤活動的繼續不斷擴大，受到沉陷積水影響的點位不斷增加，但未達到最大值。

3）階段三：采煤活動停止或地表沉陷達到充分采動狀態，沉陷積水區域也趨于穩定，受沉陷積水影響的觀測點位數量達到最大值。此時，進行預處理的觀測點位均采用全站儀中間法進行數據采集。為了消除采煤沉陷對K點造成的采動影響，每次沉陷積水影響范圍內的地表移動觀測，必須首先以控制點A、B和C點為起點，對K點位置進行重新測量，方能進行施測。

4 觀測數據處理

采用全站儀中間法代替傳統三角高程測量方法，對積水區地表觀測點進行實時高程觀測。全站儀設置在已知點K和觀測點Gi中間位置T，將已知點K定義為后視點，Gi定義為前視點，Gi點初始坐標為（x0，y0，H0），Gi點第m次觀測坐標定義為（xm，ym，Hm），KT方向方位角為αKT，第m次觀測已知點K高程值為HK，第m次觀測T點坐標為（xT，yT，HT）。方法布置要求，前后視距離盡可能相等，前后視大氣折光系數k1和k2定義為取值相等，地球半徑R取值6 371 km，如圖4所示。

圖4 全站儀中間法地表移動觀測示意圖

地表觀測點Gi在第m次地表移動觀測，觀測數據主要包括:觀測右方向夾角β，后視點高度V1，后視、前視斜距s1和s2，后視、前視豎直角 θ1和 θ2，前視水準尺讀數h尺，前視積水面位置水準尺讀數h尺i。地表觀測點Gi第m次地表移動觀測結果包括：移動值數據包括水平移動數據（umx，umy）和下沉值wm地表觀測點Gi，位置積水高度hm積。

4.1 觀測點位水平移動數據處理

水平移動觀測方法是通過對地表觀測點Gi第m次地表移動觀測時間截點水平移動量（umx，umy）獲取數據，主要是該時間截點Gi水平坐標值的獲取。受到沉陷積水的影響，初始觀測值為觀測標識中心觀測數據，觀測點發生傾斜和移動Gi，點坐標值的計算應當考慮傾斜和移動對坐標傳遞造成的影響，水平移動計算公式如下:

4.2 觀測點位沉陷數據處理

Gi點的第m次下沉量計算的關鍵在于Gi點觀測瞬間的高程值的求取，按照高程傳播理論，下沉量的獲取在于K點和Gi點間高差hm的計算。全站儀中間法高程測量，應當獲取前后視位置的觀測標識高V1和V2，沉陷積水區域內的Gi，點觀測時間截點的觀測標識高，定義為瞬間觀測標識中心距離Gi點的垂直高度，下沉量計算公式如下:

5 應用效果

5.1 觀測分析

針對薛虎溝礦2-106工作面地面巖移觀測為例，對全站儀中間法在采煤沉陷觀測中的應用進行精度分析。2-106工作面位于薛虎溝礦東南部，該區域地勢平坦，開采山西組2號煤，開采均厚3.9 m，煤層傾角9°左右，平均采深380 m，平均潛水位埋深為2.5 m。工作面近走向布置，可采區域走向長約450 m，傾向260 m，平均推進速度為2.81m/d。走向線布工作測點42個，編號為39—80（其中70點丟失），測點間距約20 m，測線西側設控制點3個，編號為D、E、F，點間距約 45 m，測線長度為 940 m，在走向觀測線側方布置全站儀中間法觀測點K，如圖5所示。

圖5 工作面走向觀測站平面布置圖

根據采煤沉陷預計結果，工作面回采會造成沉陷積水，積水范圍影響包括62—80地表移動觀測點。為驗證全站儀中間法觀測成果精度，選擇回采進尺240 m左右進行的全面觀測，經過一段時間，62—80點均發生變形，但沉陷區未積水。

5.2 觀測數據對比分析

地表移動觀測點分別采用常規觀測方法和全站儀中間法進行觀測，其中常規觀測方法選擇5導線測量和水準支線往返測量。選擇的儀器設備為徠卡TCR1202，測角精度2＂，有棱鏡測距精度為1 mm+1.5×10-6Dmm，免棱鏡測距精度為2 mm+2×10-6Dmm，其中D為被測量距離，NA20水準儀，施測按四等水準測量的精度要求進行。通過計算，將62～80點坐標與高程差值基本上都在10 mm以內，僅有78點高程差值為15 mm，坐標差值之間存在很強的規律性，即每個點位的X、Y偏差相同，但坐標值誤差與高程值誤差之間沒有規律可循。

6 結論

采煤沉陷積水區域區域地表觀測數據是基于觀測點上布置的一定高度觀測標識獲取的。受采動影響，觀測標識發生傾斜和下沉，地表移動觀測數據的傳遞應當考慮觀測標識與原有垂直方向間存在的傾斜和下沉值，建立模型計算。同時，在布置觀測點時，應對觀測標識與垂直方向的傾斜差進行測量，降低誤差。