礦山礦床開采錯動范圍監測方案探究

（福建省海峽水泥股份有限公司，福建 泉州 362500）

1 工程概述

地下礦山在開采之前，巖體處于原始應力平衡狀態，采動后由于形成空區，打破了原巖應力平衡，應力重新分布而達到新的平衡。在此過程中，頂板圍巖不可避免產生變形、以采空區應力大的區域為中心，向四周擴散，形成凹陷變形區域（盆地）。

當變形應力超過頂板邊幫巖層的剪力，極易造成地表沉降、塌陷，造成地質災害。地表沉降、塌陷超大壓強作用下，在礦井內形成氣流沖擊波，可能造成礦井內人員傷亡和財產損失。

2 監測依據

為防止災害和監測方便，根據地表坍塌、錯動盆地內各處移動變形量大小和演變過程特點將其劃分為未變形區、微變區、變形過渡區、拉伸滑移區、有可能的垂直沒落區。變形過渡區是安全臨界變形值，是無需維修就能保持建筑物及各種設施正常使用所允許的地表最大變形，一般為水平位移ε=±2mm/m、沉降±10mm，超過臨界變形值，有可能演變成拉伸滑移區和垂直沒落區，造成地表坍塌、錯動危害。圈定的地表坍塌、錯動范圍（滑移區和垂直沒落區）外為穩定連續變形區（未變形區、微變區、變形過渡區），因此有必要對該礦礦床開采可能坍塌、錯動范圍內建立巖體位移、沉降監測系統，預報預警巖體活動，為了礦山的安全生產和管理提供科學依據。

3 沉降位移監測方法的選擇

（1）GPS 監測方法

采用GPS 定位技術，利用接收空中衛星信號測距進行定位，具有高精度的三維定位能力，為監測地殼形變及各種工程變形提供了極為有效的手段。但運用于變形監測等高精度領域，一次性投資較大，精度受外界干擾影響大。

（2）傳統的變形監測方法

傳統的變形監測方法主要有兩大類：一是平面位移采用經緯儀導線或三角測量方法，高程用水準測量方法；二是利用全站儀導線和全站儀精密三角高程作業方法。另外還有攝影測量和物理學傳感器方法

本礦區位于戴云山脈南西段，屬中低山構造侵蝕地形。礦區內最高點海拔+1026m，最低點海拔約+683.0m，地形相對高差大，地形坡度陡（一般在10～45°）,適宜用全站儀導線和全站儀精密三角高程作業方法，并可利用原有的設備，以下按本方法布置監測方案進行探討。

4 礦區內基準網、工作基點、監測點的布置及精度的確定

本礦圈定的可能坍塌、錯動范圍66 萬平方米，南北最大寬度700 米，東西最大走向1300 米，根據礦體開采的次序、圍巖特性、地形地貌特征，監測點（1～9）的布設考慮整體區域全覆蓋下，在最易拉伸滑移、垂直沒落中心區域，重點布置，距基準點最近距離148 米（C—7），最遠距離635 米（I—4）；圈定的地表可能坍塌、錯動范圍外布設獨立閉合導線基準網（A～K），基準網導線邊11 條，平均長度432m（A～K），符合水平位移監測基準三等網的主要技術要求；監測點9 個，至少與兩個相鄰基準點通視，最大邊長493m，小于水平位移監測基準“四等網”邊長限制（≤600m）。個別和基準點無法通視的監測點，可加設工作基點與基準點和監測點通視聯測。每個基準點和監測點平面、高程基準兼用。閉合導線基準網兼作環形高程基準網。其基準網和監測點布置如下圖所示。

水平位移監測：根據中華人民共和國國家標準《工程測量規范》GB50026-2007，變形監測的指標值，是綜合了設計和相關文件施工規范已確定了的允許變形量的1/20 作為測量精度值，這樣，在允許變形范圍之內，可確保建（構）筑物安全使用，且每個周期的觀測值能反映監測體的變形情況。某礦設計給定的水平位移臨界變形值為ε=±2mm/m，監測點相對于鄰近的基準點的距離最短148 米（Lc-7），可能的最小變形量±2mm/m×148m=±296mm,按允許變形量的1/20 作為監測精度，位移監測點相對于基準點的水平位移點位中誤差=±296/20/=±14.8mm。按《工程測量》水平位移監測基準網的主要技術要求中“四等”布置水平位移監測網（四等相鄰基準點的點位中誤差±12.0mm≦±14.8mm），可滿足設計要求。

獨立閉合導線基準網可提高一級，按三等基準網施測，測角中誤差mβ=1.8”，邊長相對中誤差1/T=1/100000，平均長度432m，計算縱橫向點位中誤差m點=±L√[（mβ/ρ）2+（1/T）2]=±5.7mm，符合三等相鄰基準點的點位中誤差技術要求（±5.7mm≦三等相鄰基準點的點位中誤差±6.0mm）。

沉降監測：本礦是山區，設計文件給定礦床開采地表可能錯動沉降的變形臨界值±10mm，按《工程測量規范》GB50026-2007 變形監測按允許變形量的1/20 作為沉降監測精度指標值，精度要求高，相對高差中誤差±1.0mm以下，電磁波測距三角高程測量無法滿足所需精度，高精度水準測量在山區又不易開展，工作量大。在滿足實際監功能情況下，宜參考更接近礦床開采可能塌陷、錯動行業規范，降低沉降監測精度。

根據中華人民共和國地質礦產行業標準《滑坡、崩塌監測測量規范》DZ/T0227-2004，在等速變形、加速變形及臨滑突變等階段，形變監測點高程施測精度不宜低于垂直形變平均速率（以觀測周期為單位）的1/5～1/10，但最高也不宜超過相對最近高程基準點高程中誤差三等精度（±5.0mm）要求。礦床開采地表可能錯動的設計文件要求，沉降變形臨界值±10mm，按中華人民共和國地質礦產行業測量標準《光電測距高程導線測量規范》DZ/T0034-92 三等高程導線測量，每公里高差中數全中誤差±6mm，本監測方案基準點間距和監測點與基準點之間最長距離均不超過647m，折算最近（相鄰）高程基準點全中誤差±4.8mm（Mw=±6√0.647=±4.8mm），滿足《滑坡、崩塌監測測量規范》最低不得超過三等（±5.0mm）形變監測點高程中誤差要求（即±4.8mm≦±5.0mm）。

5 儀器設備的選擇

利用礦山原有測角2”級，距離±（2mm+2×10-6D 全站儀,新購反射高低棱鏡組、強制對中基座、變形監測觀測墩和澆筑用混凝土，可完成監測所需設備材料的購置。

表1 主要設備清單表

6 基準點、監控點的埋設

本方案基準點和監測點需同時滿足沉降基準點和位移基準點布設要求。特別注意以下事項：

（1）基準點和監測點均按變形監測觀測墩加裝強制對中基座。

（2）基準點和監測點的觀測墩應埋設在基巖層或原狀土層中，埋設深度不少于1500mm，出露地表不少于1500mm。

（3）平面監測網點宜采用帶有強制歸心裝置的觀測墩：照準標志宜采用強制對中裝置的覘牌，強制歸心時對中中誤差不得大于±0.2mm。

7 施測方法

（1）水平位移基準網測量應符合《工程測量規范》三等主要技術要求，同時應滿足方位角閉合差≤3.6√n（n 為測站數），導線全長相對閉合差≤1/55000，測距滿足下表2要求。

表2 測距的主要技術要求

監測點的水平位移測量符合《工程測量規范》水平位移監測基準網和測距主要技術四等要求，每個監測點須用鄰近兩個以上基準點設站測量，觀測值取算術平均，并應在短時間內完成。對不同期測量，宜采用相同的觀測網、觀測路線和觀測方法，且宜使用相同的測量儀器設備。

（2）水平位移閉合導線基準點兼用的高程基準點，用光電測距直返覘、高低棱鏡組施測環線高程閉合環法，與閉合導線距離一同測量，每測站用高低棱鏡組觀測兩組高差和直返覘觀測高差共4 組，每測站兩組高差之差和直返覘高差之差符合下表6，

表6 每測站兩組高差之差和直返覘往返高差

監測點高程測量與高程基準點測量等級（三等）相同，每個監測點從一個基準點導高程，與另一相鄰基準點附合，形成附合網形。

（3）施測要求

㈠施測過程注意事項

①高程導線測量須在呈象穩定、清晰的條件下進行。日出前和日落前2小時及大氣湍流嚴重、太陽中天期間不宜測量，陰天和多云天氣最佳。

②作業時，應避免在折光系數急劇變化的時間段內觀測，并盡量縮短觀測時間。直返覘的高差，應進行地球曲率和折光差的改正。

③礦區森林茂密，基準點、監測點周邊和他們之間的測量視線通過地草木，須進行干預。

㈡儀器設備及其檢校要求

已用于生產全站式速測儀測距每年應進行周期誤差檢驗和加常數和乘常數檢驗。

㈢觀測頻率和觀測周期

等速變形階段，地表形變監測點宜安排三個月或一個月復測一次。加速變形階段，形變監測點的復測周期應視情況監測，兩天～兩周復測一次。

㈣觀測作業及數據處理方法要求

閉合導線閉合差宜先角度閉合平差，再距離閉合平差，環線高程閉合差分配按距離平方倒數為權進行平差。

㈤變形預警值及預警方式

當期監測值與初期監測值比較，水平位移超過ε=±2mm/m 的75%、沉降±10mm，須報告單位技術負責人，并立即復測，加大監測頻率，位移、沉降矢量值有繼續擴大跡象，應通知撤離井下所有人員，并繼續監測，檢查地表其他異常狀況。

㈥提交成果的內容、形式、和時間要求

提交測量成果包含記錄手簿，計算過程以及每監測點位移矢量圖（水平位移矢量圖、垂直位移以月為橫軸折線圖），提交時間為每月底。

8 結語

常規的測量方法具有測量精度高，資料可靠一次性投資少等優點，可充分利用礦山原有的設備和人員，實現資源優化利用。但上述方法都需要人到現場觀測，工作量大、效率低、受氣候的影響大，特別在南方山區，樹木雜草叢生，作業十分困難，監測點與基點往往不能通視，難以實現無人值守監測等缺點。

通過監測可了解和掌握巖體變形、破壞以及垮塌的演變過程，及時捕捉塌陷災害的特征信息，為塌陷的正確分析、評價、預測、預報及治理工程等提供可靠的資料和科學依據。同時，監測結果也是檢驗巖體塌陷的控制尺度。因此，監測既是巖體變形和破壞調查、研究及防治工程的重要組成部分，又是巖體破壞、失穩災害預測預報信息獲取的一種有效手段。所以，建立安全可靠的巖體變形破壞、失穩監測系統顯得尤為重要。由于巖體工程的復雜性，巖體變形、失穩監測還需要綜合多種方法進行。