全站儀在煤礦地表位移移動規律監測中的應用

趙 倩

（1.山西省煤炭職工培訓中心，山西 太原 030012；2.山西省煤炭職業中等專業學校，山西 太原 030012）

引言

煤炭開采為國民經濟增長帶來了強大的發展動力，與此同時煤礦開采還會造成環境破壞、生態平衡被破壞等問題，其中較為顯著的問題為煤礦開采所引起的地表塌陷、地表產生裂縫導致耕地被破壞、居民建筑物變形倒塌以及地下水流失等[1]。煤炭儲藏所在地地質條件相對復雜，由于對其開采沉陷規律研究不充分無法對其提出有效的治理方案、治理措施。因此，需提升對煤礦地表位移移動規律的監測精度和監測效率，為后續開采和塌陷治理提供依據。本文將采用GPS 結合全站儀的聯合作業方式對煤礦地表位移的移動規律進行監測。

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，對應的地形條件相對復雜，周圍主要以山區為主，并伴有相對平坦的河流，而且該煤礦綜采工作面的走向為南北走向，在工作面走向方向上有多個村莊。通過對亭南煤礦目前開采狀態下地表位移移動規律的監測，旨在為后續該煤礦的回采方案和塌陷治理提供強有力的基礎和依據。該煤礦的基本情況描述如下：

1）地質條件：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、4 號，本文以其中4 號煤層所屬工作面地表的移動規律進行監測。該煤層工作面頂板的主要成分為深灰色泥巖和砂質泥巖；4 號煤層工作面偽頂的主要成分為砂巖，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泥巖，該類巖層遇水后容易膨脹，常導致底鼓現象的發生[2]。

2）工作面布置情況：4 號煤層所屬的204 工作面為南北走向，其走向總長度為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，采用全部垮落法對工作面頂板進行管理。204工作面地表起伏較大，其地表整體走勢為南北兩端高、中間低，4 號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測需求，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包括有TCA2003、TC1800 和NET2100。綜合考慮上述三種型號全站儀的精度、抗干擾能力以及成本價格等因素，最終選擇NET2100的全站儀對煤礦地表位移的移動規律進行監測。根據監測需求，為其分別配置如表1 所示的反射片。

表1 反射片技術參數

2.2 全站儀觀測站的設計

地表移動觀測站除了布置觀測站外還需結合現場實際情況地表移動參數進行重新選取。根據204工作面的現場情況，為其地表位移觀測站設計兩條觀察線，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，在結合204 工作面現場實際情況包括河床、村莊布置情況，總共為其設置四條觀測線布置全站儀，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域，該觀測線能夠準確記錄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停采線之間的區域，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線相垂直。

結合204 工作面所配置的移動觀測站的布置情況，設計如表2 所示的地表移動計算參數。

表2 204 工作面地表位移監測計算參數

3 全站儀觀測方案的設計

地表位移移動規律觀測方案設計的關鍵原則為在保證觀測數精度的基礎上，要盡可能地減少作業人員的勞動強度，即應兼容觀測精度和觀測效率的問題。為此，本工程將采用GPS 結合全站儀的方式對礦區開采沉陷工作進行監測[4]。目前，204 工作面所在區域已經配置有4 個高級控制點，編號分別為K01、K03、E10 和E19，其相對位置如圖1 所示：

圖1 204 工作面區域目前已配置高級控制點相對位置

如圖1 所示，K01 和K03 為GPS 數據平差處理的固定點；E10 和E19 為對評查精度的控制。結合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，而且所布置觀測站主要出于上山或下山的位置。根據煤礦地表位移測量規程的規定，要求測量平面點位的誤差控制在10 mm，GPS 全站儀對應所組成的觀測網如圖2 所示。

圖2 204 工作面地表的GPS 全站儀觀測網

4 地表監測數據的分析

按照上述所述的觀測方案和觀察線布置情況對監測設備進行布置后，分別取四次觀測值，本節主要對1-8 觀測線所采集的四次數據進行分析，并繪制如圖3 所示的曲線。

圖3 1—8 號觀測點下沉曲線

如圖3 所示，從1 號位置到8 號位置對應地表的下沉量處于遞減的變化趨勢，而且隨著時間的推移各個觀測點地表位移的下沉量均在增加。其中，四次觀測結束后1 號位置的下沉量最大為0.154 m；8號位置的下沉量最小為0.085 m。導致上述結果的主要原因在于：1 號觀測站到8 號觀測站是呈現下坡形態布置的，在下坡應壓力的作用下給地表一個向上的分量，從而導致對應的地表下沉量減小[5]。

5 結論

1）為兼顧地表位移監測精度和監測效率，采用GPS 全站儀對其地表位移移動規律進行監測，并結合地表實際情況為其布置四條觀測線和四個高級控制點。

2）基于該觀測方案所獲取的數據為指導相鄰工作面的開采、本工作面的回采以及后期對礦區塌陷問題的治理提供強有力的依據。