礦井沉降測(cè)量方案優(yōu)化設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究

李周杰

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)大斗溝煤業(yè)有限公司， 山西 大同 037000）

隨著對(duì)井下煤炭資源的不斷開(kāi)采，由于采煤活動(dòng)而引發(fā)的地表沉降問(wèn)題日益突出，山西某煤礦在開(kāi)采期間，為了確保井下的安全性，對(duì)地表沉降情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，根據(jù)測(cè)量結(jié)果制定可行的控制方案[1-3]。礦區(qū)目前主要采用水準(zhǔn)儀來(lái)進(jìn)行地表沉降監(jiān)測(cè)及測(cè)量，這種方法的測(cè)量精度高，但監(jiān)測(cè)范圍小、效率低，不能對(duì)整個(gè)礦區(qū)進(jìn)行監(jiān)測(cè)[4]。因此，提出一種優(yōu)化的掃描儀地表沉降測(cè)量方案。

1 地質(zhì)概況

山西某礦的礦井核定年生產(chǎn)能力為8.0 Mt，現(xiàn)開(kāi)采的3 號(hào)煤層厚度為8.27～10.41 m，平均厚度為9.13 m。在開(kāi)采煤層時(shí)，采用長(zhǎng)壁綜合化機(jī)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(zhǎng)度為4 313.3 m，在傾向方向上的長(zhǎng)度為299.1 m。由于開(kāi)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(kāi)采過(guò)程中，由于巖體結(jié)構(gòu)松散，巖體力學(xué)性質(zhì)不均勻，極易發(fā)生地表沉陷。

2 測(cè)量方案

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

根據(jù)礦井的沉降測(cè)量要求，在測(cè)量區(qū)域內(nèi)設(shè)定三個(gè)控制基準(zhǔn)點(diǎn)。在礦井與運(yùn)輸公路的交叉口設(shè)置第一個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，便于進(jìn)行聯(lián)合測(cè)量；在測(cè)量區(qū)域相鄰的未沉降處設(shè)置第二和第三個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，便于架設(shè)設(shè)備，進(jìn)而進(jìn)行測(cè)量。三個(gè)控制基準(zhǔn)點(diǎn)之間布設(shè)地表沉降測(cè)量線，在布設(shè)測(cè)線時(shí)，走向和傾斜觀測(cè)線各布設(shè)1 條，確保測(cè)線垂直或平行于煤層走向，其中，傾向觀測(cè)線布設(shè)在淺部開(kāi)采區(qū)域超出工作面200～300 m 處，及深部開(kāi)采區(qū)域超出工作面400～600 m 處。在測(cè)量線上每隔30 m 布設(shè)一個(gè)測(cè)量點(diǎn)，此次測(cè)量共布設(shè)5 條走向觀測(cè)線，4 條傾向觀測(cè)線，設(shè)計(jì)測(cè)量點(diǎn)約600 個(gè)，觀測(cè)點(diǎn)布置示意圖如圖1 所示。為了提高沉降測(cè)量的精度和效率，同時(shí)采用外業(yè)測(cè)量和內(nèi)業(yè)測(cè)量[9-11]。

圖1 觀測(cè)點(diǎn)布置示意圖

2.1 外業(yè)測(cè)量

在第二、三個(gè)控制基準(zhǔn)點(diǎn)上安裝三維激光掃描全站儀，從外側(cè)向內(nèi)側(cè)對(duì)掃描區(qū)域進(jìn)行沉降監(jiān)測(cè)掃描，這樣可以對(duì)沉降區(qū)域進(jìn)行全面掃描，利用云端對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合。由于掃描的距離遠(yuǎn)，在實(shí)際測(cè)量時(shí)，測(cè)量精度會(huì)受到影響，按照布設(shè)的測(cè)量路線，沿工作面走向和傾向方向，測(cè)量地表的坐標(biāo)和高程數(shù)據(jù)，在測(cè)量的過(guò)程中，測(cè)量點(diǎn)可以與測(cè)量方向有一點(diǎn)偏差，但需確保誤差在10 m 以?xún)?nèi)，在過(guò)煤層邊界煤柱和采區(qū)煤柱時(shí)，在煤柱兩側(cè)150 m 內(nèi)加大測(cè)量點(diǎn)。

2.2 內(nèi)業(yè)測(cè)量

依據(jù)航空測(cè)量的地形圖，對(duì)其進(jìn)行掃描、糾正和拼接，得到底表電子底圖[12]。按照實(shí)際測(cè)量點(diǎn)位，在電子底圖上量取地面的原始高程，與實(shí)際測(cè)量高程進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算出高程差值，即為地表沉降量。地表沉降的沉降量計(jì)算數(shù)據(jù)如下頁(yè)表1 所示。

表1 沉降量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

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

式中：W0是采動(dòng)條件下地表最大沉降值；m 是煤層開(kāi)采厚度。

由公式可以看出，沉降系數(shù)與沉降的最大沉降量和煤層開(kāi)采厚度有關(guān)。

3 成果分析

通過(guò)分析，在某煤礦內(nèi)布設(shè)9 條測(cè)量剖面線，總長(zhǎng)為17.9 km，施工測(cè)量點(diǎn)559 個(gè)，測(cè)點(diǎn)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(dòng)后，地表的沉降系數(shù)為0.8～0.9，受上覆煤層的影響，開(kāi)采工作面的深部地表仍然處于移動(dòng)期，沉降系數(shù)為0.2～0.4，符合地表沉降規(guī)律。根據(jù)沉降等值線分布情況，對(duì)比井下采煤厚度以及保護(hù)煤柱數(shù)據(jù)，東翼采區(qū)地表出現(xiàn)兩個(gè)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(shù)為0.53～0.98，最大沉降量為19 m。西翼采區(qū)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(shí)，沉降系數(shù)為0.88～1.03，最大沉降量為20 m。

根據(jù)測(cè)量線的沉降數(shù)據(jù)可以看出，在工作面深部區(qū)域，地表的沉降量和沉降系數(shù)在逐步減小，保護(hù)煤柱地表沉降量未發(fā)生明顯變化。在采煤厚度為3～10 m時(shí)，地表沉降量變化較小。

4 結(jié)論

1）采用三維激光掃描全站儀進(jìn)行沉降測(cè)量的方案能根據(jù)礦井的實(shí)際地質(zhì)情況進(jìn)行測(cè)量，滿足測(cè)量精度要求，測(cè)量精度高、穩(wěn)定性好。

2）通過(guò)對(duì)沉降量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，結(jié)果表明，在深部開(kāi)采區(qū)域，地表的沉降量和沉降系數(shù)逐步減小，保護(hù)煤柱地表的沉降量未發(fā)生明顯變化。