基于動態測量的煤礦地表開采沉降觀測研究

朱天宇

摘 要：在煤炭開采的過程中地表部分會受到采掘活動的影響而出現沉降現象，進而給地面構筑物的整體結構安全帶來較大的風險隱患，因此必須要加強煤礦地表開采沉降觀測。觀測人員應積極應用動態測量等先進的測量技術，合理選擇測量設備，充分利用各種軟件系統來提高數據處理能力，從而準確掌握沉降變化情況，保證煤礦以及周邊地區的人員和財產安全。

關鍵詞：動態測量;煤礦開采;地表沉降;觀測研究

1 引言

煤炭是我國的重要能源基礎，但是在煤礦開采的過程中由于受煤層條件以及開采技術等多種印度的影響，在地表部分往往會產生沉降現象，而一旦沉降量超過允許的范圍時就會對其地面各種構筑物造成較大的影響，因此必須高度重視煤礦開采過程中的沉降觀測工作。觀測人員應根據煤礦開采的環境以及作業特點，合理布設觀測點，并積極應用先進的觀測設備對沉降情況進行動態測量，同時還要對觀測數據進行科學的處理分析，以便準確掌握沉降規律，從而為煤礦的生產作業以及周邊區域社會經濟生活的正常開展提供更加可靠的安全保障。

2 煤礦地表開采沉降觀測中的動態測量

2.1 概述動態測量涵義

所謂動態測量主要指的是其測量研究對象將隨著時間的變化而產生值域范圍的變化，或者測量研究對象在時間維度上的值域雖然是相對固定的，不過其在空間維度上存在變化，因此需要通過測量技術來對其進行動態測量分析。此外，即使測量對象在空間以及時間維度上的值域均為恒定，但其測量系統信號存在變化時，也需要采用相應的測量技術來進行觀測分析。當測量研究對象滿足以上條件中的1個時，就可以被成為動態測量[1]。因此動態測量的主要特征就是測量系統是在運動條件下進行測量的。在動態測量中通常需要測量目標的幾何量，而空間參數能夠使幾何量數據的處理更加合理便捷，所以動態測量表現出時空性特征。同時在動態測量的過程中瓦崗位會受到各種外界因素的影響，因此測量數據結果往往表現為隨機函數形式。而動態測量由于是在運動條件下進行數據采集，所以測量數據不僅和其現時狀態具有關聯性，與其前后狀態變化也密切相關。此外，由于動態測量始終處在一個相對運動狀態下，并要通過相關的數學方式來描述測量結果與測量狀態之間的關系，因此動態測量也具有動態性特征。

2.2 常用的動態測量技術設備

在煤礦地表開采沉降觀測中，動態測量已經得到了廣泛的應由。而隨著測量技術的不斷發展，動態測量技術設備的類型越來越多元化，較好的適應了不同應用場景的動態測量要求。在煤礦地表開采沉降觀測實踐中，GPS、全站儀、激光跟蹤儀以及數字攝影等技術設備是目前比較常用的大范圍動態測量儀器。其中數字攝測技術能夠對10m范圍煤進行較為精確的測量，其測量精度在1/10萬左右，該類型設備比較便于攜帶，且能夠在非接觸條件下完成高精度的批量測量，但是其單次測量范圍相對較小，在施測過程中比較容易受到環境因素的影響。GPS動態測量技術能夠快速完成多任務的動態測量工作，但是其在施測過程中為了保證發射器的穩定性，對交會角度有一定的要求[2]。而全站儀測量技術雖然能夠對較大范圍進行動態測量，但該技術設備的自動化程度相對較低。與以上動態測量技術設備相比，激光跟蹤儀不僅具有較高的測量精度和動態性能，而且受外界因素的影響也比較小，因此在煤礦地表開采沉降觀測中被廣泛應用。

3 煤礦地表開采沉降觀測中動態測量的實踐應用

3.1 某煤礦基本情況

某煤礦主要采用的是走向長臂采煤方式，其作業面寬度為160m，長度為600m，煤層平均厚度為2.4m，而地面標高在+20m到+23m左右。在開采區域上方有公路以及農田存在，且臨近區域有零散民居存在。根據該煤礦的實際情況，在該基于動態測量的煤礦地表開采沉降觀測中采用動態測量方式，并利用激光跟蹤儀等測量設備作為主要觀測儀器。

3.2 合理布設觀測點

在本次基于動態測量的煤礦地表開采沉降的動態測量中，近井點的導入采用的是三等國家高程控制點，且埋深應控制在0.5m左右，以保證基點可靠穩定且能夠滿足測量精度要求。由于該煤礦具有采深較大的特點，云南次在布設觀測點時應采取等距布設方法，且觀測點間距應控制在40m左右。布設指應沿作業面走向布設觀測點12個，觀測線1條，并要其傾向方向上設置觀測線5條，在各觀測線上還應設點6個，以確保沉降觀測全面準確。

3.3 沉降觀測數據的處理分析

該煤礦在一年的回采過程中對地面沉降進行了持續性的動態測量，采集了大量沉降變化觀測數據。通過對觀測數據的初步分析發現，初次來壓發生在作業面開始采掘作業后的約12d。在經過了11個月左右的開采作業后，推進總長度為700m左右，而在此期間沉降量累積值為560mm左右。工作人員進一步采用Origin等數據分析軟件來對各觀測點所獲取的數據信息進行分析處理。在計算分析過程中，將+20m作為地表高程值以便于計算。工作人員在分析軟件系統內輸入所有觀測數據，有軟件系統根據預設公式來完成觀測區域對應坐標等的計算，并自動進行坐標圖以及3D沉降視圖的繪制。通過三維視圖可以直觀的發現在V11點位置的沉降值最大，因此對其對應煤層進行調查分析，發生該處煤層存在DF111正斷層1處，其傾角達到53o左右，且高差約為6m，因此導致該點沉降明顯。

3.4 該煤礦地表開采沉降觀測動態測量結果

通過對該煤礦開采過程中沉降量的動態測量發現，由于其沉降量的最大值已經超過了560mm，明顯超出相關規范的技術標準，因此其導致地表建筑發生坍塌以及開裂風險的幾率較高，所以應對作業面上方對應位置的構筑物采取加固甚至搬遷措施，以確保其結構安全，避免造成人員和財產的重大損失[3]。同時在該煤礦的開采過程中，隨著采掘作業的不斷推進，所有觀測點所測得的沉降量值均出現了相應增加的情況，其中沉降量在開采初期的增加比較明顯，之后沉降差出現了逐步縮小的現象，且沉降變形呈現了日趨穩定的趨勢。通過對該煤礦基于動態測量的煤礦地表開采總體沉降情況的動態測量可以得知，斷層是影響沉降總量的重要因素，所有在煤礦開采以及沉降分析中都必須高度重視斷層這一要素。在動態測量技術的實踐中，觀測人員需充分結合監測范圍以及煤礦開采的實際情況來合理選擇觀測設備，這樣才能充分發揮動態測量技術的應有的作用。此外，通過對基于動態測量的煤礦地表開采沉降的動態測量實踐發現，通過應用激光追蹤儀等相關動態測量技術設備能夠有效提高數據采集的全面性和準確性，從而為后續的分析研究提供了可靠的數據基礎。而動態測量技術的配套軟件系統能夠自動完成三維視圖的構建，對地表沉降情況進行可視化呈現，不僅減輕了工作人員的勞動強度，而且能夠為煤礦的沉降控制以及地質災害的防治等提供更加全面直觀的參考依據。

4 結語

煤礦地表開采沉降觀測是保證煤礦以及其周邊地區地面建筑以及各種構筑物安全的重要關節，因此在沉降觀測中應積極應用動態測量等先進的觀測技術，合理布設觀測點，確保數據采集的全面性和準確性。同時工作人員還應利用相關的數據處理軟件系統對觀測數據進行科學的分析和判斷，以準確掌握沉降規律，并為沉降控制等提供可靠的參考依據，從而防止沉降超限而誘發地質災害，促進我國煤礦開采的可持續發展。

參考文獻：

[1]薛紅杰.煤礦開采地面沉陷變形預測及防治對策[J].能源與節能，2020（3）：14-17.

[2]陳二龍.基于動態測量的煤礦地表開采沉降觀測研究[J].煤礦現代化，2019（4）：140-142.

[3]陳智.動態測量在礦井地表開采沉降觀測中的應用[J].中國金屬通報，2018（4）：149+151.