黃道欽，李 明，廖小康，毛建華

(1.廣西華錫集團(tuán)股份有限責(zé)任公司銅坑礦， 廣西南丹縣 547207;2.長沙礦山研究院有限責(zé)任公司， 湖南長沙 410012)

1 概述

廣西華錫集團(tuán)銅坑礦礦床自上而下分為細(xì)脈帶礦體、91#礦體和92#礦體，三大礦體有大面積重疊。該礦井1980年代投產(chǎn)，近年來產(chǎn)量均在百萬噸以上，目前細(xì)脈帶礦體已基本采完，92#礦體為主要出礦區(qū)域。由于空區(qū)上下重疊，相互影響，且空區(qū)面積較大，使礦區(qū)地表形成了多個塌陷坑，巖層移動范圍較大。

2 巖層移動監(jiān)測常用方法及原理

地下開采必然會引起巖層移動，上覆巖層會出現(xiàn)冒落帶、彎曲帶和移動帶，為監(jiān)控巖層移動情況，減少巖層移動帶來的損失，并根據(jù)監(jiān)測結(jié)果及時修改和調(diào)整采礦方法，從而確保安全生產(chǎn)，需要對巖層移動情況進(jìn)行有效監(jiān)測，并且分析其移動趨勢，目前巖層移動監(jiān)測方法主要包括GPS控制測量、全站儀測量、水準(zhǔn)儀測量、經(jīng)緯儀測量、裂隙測量等。

2.1 GPS控制測量

GPS測量是利用現(xiàn)有衛(wèi)星定位系統(tǒng)，基于載波相位測量的靜態(tài)相對定位，是目前精度最高的一種定位方式，靜態(tài)相對定位，就是將GPS接收機(jī)安置在不同的觀測站上，保持各接收機(jī)固定不動，同步觀測相同的GPS衛(wèi)星，以確定各觀測站在WGS－84坐標(biāo)系中的相對位置，其原理如圖1所示，通過衛(wèi)星定位測量與解算，得出兩個觀測點T1和T2間的相對向量關(guān)系，由已知點T1坐標(biāo)計算出未知點T2的坐標(biāo)。

相比于傳統(tǒng)控制測量，GPS測量具有許多優(yōu)點，如定位精度高;測站間無須通視;可提供三維坐標(biāo)，經(jīng)典大地測量將平面與高程采用不同方法分別施測，GPS可同時精確測定測站點的三維坐標(biāo);操作簡便;可全天候作業(yè)。

圖1 GPS相對定位

2.2 水準(zhǔn)儀控制測量

水準(zhǔn)測量的基本原理為利用水準(zhǔn)儀提供一條水平視線，對豎立在兩地面點上的水準(zhǔn)尺分別進(jìn)行瞄準(zhǔn)和讀數(shù)，從而測得兩點間的高差，再根據(jù)已知點的高程，推算出測點高程。水準(zhǔn)儀高程測量精度分為DS10，DS3，DS2，DS1，DS05 五種級別，水準(zhǔn)儀可分為水準(zhǔn)氣泡式和自動安平式。利用水準(zhǔn)儀測量巖層移動優(yōu)點是高程測量精度高，但只能測量巖層豎直方向移動，即下沉量，而不能測量水平方向移動。

2.3 全站儀控制測量

全站儀的功能比較全面，各種地面測量(導(dǎo)線測量、交會定點、三角高程測量)和變形觀測均可使用全站儀。

相比于水準(zhǔn)儀只能測量高程，全站儀能直接測量出測點的水平位移和豎直位移，測量工作簡單，當(dāng)采用三角控制測量時，具有較高的精度。同時可以采用基點掃描的方法，能快速掃描多個測點，對于精度要求不高的巖層移動監(jiān)控可以采用此方法。

測量機(jī)器人又稱自動全站儀，是一種集自動目標(biāo)識別、自動照準(zhǔn)與測距、自動目標(biāo)跟蹤、自動記錄于一體的測量平臺，其望遠(yuǎn)鏡能繞儀器的橫軸和縱軸旋轉(zhuǎn)，在豎直面180°、水平面360°的范圍內(nèi)自動尋找目標(biāo)(每個監(jiān)測點上均布置反射棱鏡并長期固定)，在控制器和計算器的操作下實現(xiàn)自動跟蹤和精確照準(zhǔn)反射棱鏡，從而測得各測點的長度和高程等信息，進(jìn)而得到測點隨時間的移動情況，實現(xiàn)在線監(jiān)測的目的，該方法適用于重要區(qū)域的監(jiān)測。

2.4 位移計測量裂縫

位移計測量裂縫，是將位移計分別固定于裂縫的兩端，隨著裂縫的發(fā)展，產(chǎn)生拉伸或收縮變形，從而得到變形量。該方法原理簡單，使用方便，并且可以實現(xiàn)多點在線監(jiān)測。

3 銅坑礦巖層移動監(jiān)測與分析

由于細(xì)脈帶礦體、91#礦體、92#礦體自上而下分布，有大面積重疊，經(jīng)過多年開采，形成了眾多大小不一的空區(qū)，部分空區(qū)被廢石充填，目前正在準(zhǔn)備尾砂膠結(jié)充填，地表巖層移動范圍大，移動情況復(fù)雜，出現(xiàn)了多個塌陷坑。為保證礦山安全生產(chǎn)，需要準(zhǔn)確測量巖層移動情況，并且通過分析和預(yù)警指標(biāo)對危險區(qū)域提出預(yù)警。

銅坑礦地表巖層移動監(jiān)測以GPS控制測量為主，輔以全站儀掃描測量。建立了GPS控制測量網(wǎng)，在礦區(qū)地表移動范圍之外的東南西北四個方向，共布設(shè)了4個基準(zhǔn)點和1個標(biāo)石，通過聯(lián)測礦區(qū)周圍的高等級水準(zhǔn)控制點，得到各基準(zhǔn)點和標(biāo)石的三維坐標(biāo)，在礦區(qū)內(nèi)布設(shè)了多條觀測線，作為控制測量的主線，每個月測量一次。

在水塘以東和五米橋布設(shè)了全站儀觀測基點，利用全站儀測量速度快的優(yōu)點測量局部區(qū)域內(nèi)多個測點，為保證測量精度，每3個月利用GPS控制測量校核全站儀基點是否發(fā)生移動。

銅坑礦目前需要測量的重點是2#水塘及周圍區(qū)域，水塘東邊有調(diào)度樓、東副井、2#豎井等重要建構(gòu)筑物。此水塘以西山頂已出現(xiàn)大量裂隙，并且裂隙范圍有擴(kuò)大的趨勢，需要加強(qiáng)監(jiān)控。結(jié)合礦山實際情況，共布置了5條監(jiān)測控制線，分別為水塘區(qū)域東西方向的A—A線、B—B線、C—C和南北方向的D—D線，礦區(qū)西邊的E—E線，具體測量控制網(wǎng)如圖2所示。

圖2 銅坑礦地表巖層移動監(jiān)測網(wǎng)布置

GPS控制網(wǎng)的布置非常重要，直接影響測量精度，理想狀態(tài)是各點處于等邊三角形狀態(tài)，且四周遮擋物的高度角﹤15°，但實際操作時，礦區(qū)多處于山區(qū)，南方樹木等植被較多，均會影響GPS衛(wèi)星信號的接收質(zhì)量，同時礦區(qū)有高壓線和信號接收塔等裝置，故布設(shè)網(wǎng)型時需要避開不良影響，綜合考慮。

通過分析多次測量結(jié)果，目前銅坑礦GPS大范圍控制測量精度可以達(dá)到水平誤差≤5 mm，垂直誤差≤10 mm，在小范圍內(nèi)運(yùn)用全站儀控制測量水平誤差和垂直誤差均≤10 mm，滿足測量所需精度要求，具有很高的可靠性和穩(wěn)定性。

通過對銅坑礦區(qū)地表巖層移動多年來的監(jiān)測和分析，結(jié)合《采礦設(shè)計手冊》(礦床開采卷下)對建筑物保護(hù)等級及允許變形值的規(guī)定，制定了本礦地表巖層移動預(yù)警指標(biāo)，并規(guī)定了東副井、2#豎井、辦公樓等建構(gòu)筑物的保護(hù)等級，當(dāng)測得地表巖層移動達(dá)到傾斜、最小曲率半徑和水平變形3個預(yù)警指標(biāo)中的任意一個時，進(jìn)行報警，巖層移動報警指標(biāo)見表1。

4 結(jié)論

銅坑礦建立了以GPS控制測量為主、以全站儀掃描測量為輔的巖層移動監(jiān)測網(wǎng)，充分利用了GPS控制測量精度高且測點間不需要通視與全站儀掃描速度快和效率高的優(yōu)點。在實踐中GPS大范圍控制測量精度可以達(dá)到水平誤差≤5 mm，垂直誤差≤10 mm，而全站儀在小范圍控制測量中水平誤差和垂直誤差均≤10 mm。布置了東西方向和南北方向的監(jiān)測線，結(jié)合礦山實際建立了巖層移動預(yù)警指標(biāo)，確定了東副井、2#豎井等重要建構(gòu)筑物所允許的最大變形為傾斜≤2.5 mm/m、最小曲率半徑≤20 km、水平變形≤1.5 mm/m。

表1 銅坑礦巖層移動報警指標(biāo)

［1］顧孝烈，鮑 峰，程效軍.測量學(xué)［M］.上海:同濟(jì)大學(xué)出版社，2011.

［2］蔡美峰，李長洪，李軍財，等.GPS在深凹露天礦高陡邊坡位移動態(tài)監(jiān)測中的應(yīng)用［J］.中國礦業(yè)，2004，13(9):60-64.

［3］苗勝軍，蔡美峰，夏訓(xùn)清，等.深凹露天礦GPS邊坡變形監(jiān)測［J］.北京科技大學(xué)學(xué)報，2006，28(6):515-518.

［4］王東亮.GPS工程控制網(wǎng)網(wǎng)型設(shè)計研究［J］.煤炭技術(shù)，2010，29(5):142-143.

［5］毛建華，楊偉忠，黃道欽，等.金屬礦山巖層與地表移動研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢［J］.采礦技術(shù)，2009，9(6):13-14，35.

［6］魏緒德.礦區(qū)地面測量的高程控制網(wǎng)［J］.價值工程，2011，30(12):25.

［7］董樹兵.GPS測量在恢復(fù)礦區(qū)控制網(wǎng)中的應(yīng)用［J］.中國煤田地質(zhì)，2004，16(Z1):106-108.

［8］喬 旭，趙長福.GPS工程控制網(wǎng)的布設(shè)與研究［J］.東北測繪，2012(10):133-136，142.