礦井沉降測量方案優化設計與應用研究

李周杰

（晉能控股煤業集團大斗溝煤業有限公司， 山西 大同 037000）

隨著對井下煤炭資源的不斷開采，由于采煤活動而引發的地表沉降問題日益突出，山西某煤礦在開采期間，為了確保井下的安全性，對地表沉降情況進行實時監測，根據測量結果制定可行的控制方案[1-3]。礦區目前主要采用水準儀來進行地表沉降監測及測量，這種方法的測量精度高，但監測范圍小、效率低，不能對整個礦區進行監測[4]。因此，提出一種優化的掃描儀地表沉降測量方案。

1 地質概況

山西某礦的礦井核定年生產能力為8.0 Mt，現開采的3 號煤層厚度為8.27～10.41 m，平均厚度為9.13 m。在開采煤層時，采用長壁綜合化機械采煤方法，管理頂板采用全部垮落方法[5-6]，工作面在走向方向上的長度為4 313.3 m，在傾向方向上的長度為299.1 m。由于開采工作面上覆的巖層較厚，巖體主要由砂巖和粉砂巖組成，局部夾雜少量的泥巖和沖積物，在開采過程中，由于巖體結構松散，巖體力學性質不均勻，極易發生地表沉陷。

2 測量方案

為了精確測量礦井的地表沉降效果，在進行測量時，采用具有自動定位和激光云掃描功能的三維激光掃描全站儀[7-8]，將測量數據進行存儲、拼接等處理后，直接上傳云端進行自動處理。三維激光掃描全站儀使用的傳感器掃描范圍能達到2 km，掃描速度最大為1 200 點/s，可以很好地將掃描速度、掃描距離和掃描精度有機地結合在一起。

根據礦井的沉降測量要求，在測量區域內設定三個控制基準點。在礦井與運輸公路的交叉口設置第一個基準點，便于進行聯合測量；在測量區域相鄰的未沉降處設置第二和第三個基準點，便于架設設備，進而進行測量。三個控制基準點之間布設地表沉降測量線，在布設測線時，走向和傾斜觀測線各布設1 條，確保測線垂直或平行于煤層走向，其中，傾向觀測線布設在淺部開采區域超出工作面200～300 m 處，及深部開采區域超出工作面400～600 m 處。在測量線上每隔30 m 布設一個測量點，此次測量共布設5 條走向觀測線，4 條傾向觀測線，設計測量點約600 個，觀測點布置示意圖如圖1 所示。為了提高沉降測量的精度和效率，同時采用外業測量和內業測量[9-11]。

圖1 觀測點布置示意圖

2.1 外業測量

在第二、三個控制基準點上安裝三維激光掃描全站儀，從外側向內側對掃描區域進行沉降監測掃描，這樣可以對沉降區域進行全面掃描，利用云端對數據進行整合。由于掃描的距離遠，在實際測量時，測量精度會受到影響，按照布設的測量路線，沿工作面走向和傾向方向，測量地表的坐標和高程數據，在測量的過程中，測量點可以與測量方向有一點偏差，但需確保誤差在10 m 以內，在過煤層邊界煤柱和采區煤柱時，在煤柱兩側150 m 內加大測量點。

2.2 內業測量

依據航空測量的地形圖，對其進行掃描、糾正和拼接，得到底表電子底圖[12]。按照實際測量點位，在電子底圖上量取地面的原始高程，與實際測量高程進行對比，計算出高程差值，即為地表沉降量。地表沉降的沉降量計算數據如下頁表1 所示。

表1 沉降量數據統計表

為了盡可能減小測量誤差，消除人為地表擾動的影響，在計算出的地表沉降量中取3～4 個最大沉降量，再取平均值后得到最大沉降量，并計算沉降系數[13]，其公式為：

式中：W0是采動條件下地表最大沉降值；m 是煤層開采厚度。

由公式可以看出，沉降系數與沉降的最大沉降量和煤層開采厚度有關。

3 成果分析

通過分析，在某煤礦內布設9 條測量剖面線，總長為17.9 km，施工測量點559 個，測點的平均沉降量為5.98 m，地表沉降量分布如圖2 所示。

圖2 地表沉降量分布圖

在礦井充分采動后，地表的沉降系數為0.8～0.9，受上覆煤層的影響，開采工作面的深部地表仍然處于移動期，沉降系數為0.2～0.4，符合地表沉降規律。根據沉降等值線分布情況，對比井下采煤厚度以及保護煤柱數據，東翼采區地表出現兩個不相連的塌陷坑，面積分別為0.493 km2和0.285 km2，地表沉降主要集中在煤層等高線300～400 m 處，沉降量為11～18 m，煤層厚度為12～20 m，沉降系數為0.53～0.98，最大沉降量為19 m。西翼采區地表沉降主要集中在煤層等高線300～450 m 處，沉降量為12～19 m，煤層厚度為12～20 m時，沉降系數為0.88～1.03，最大沉降量為20 m。

根據測量線的沉降數據可以看出，在工作面深部區域，地表的沉降量和沉降系數在逐步減小，保護煤柱地表沉降量未發生明顯變化。在采煤厚度為3～10 m時，地表沉降量變化較小。

4 結論

1）采用三維激光掃描全站儀進行沉降測量的方案能根據礦井的實際地質情況進行測量，滿足測量精度要求，測量精度高、穩定性好。

2）通過對沉降量進行監測，結果表明，在深部開采區域，地表的沉降量和沉降系數逐步減小，保護煤柱地表的沉降量未發生明顯變化。