曹康樂

(山西汾西礦業(yè)(集團)有限責任公司高陽煤礦，山西 孝義 032306)

我國煤炭賦存條件具有較大差異，各個礦區(qū)地表地形及地貌差異也較為明顯，在平原、丘陵、山區(qū)等煤礦均有分布[1～3]。在地形條件復雜的區(qū)域開采煤炭時地表變形觀測往往受阻，導致測量效率低下，如何在復雜地形區(qū)域構建科學有效的地表測站，并對地表巖移觀測對獲取巖移參數(shù)、研究開采沉陷規(guī)律、優(yōu)化井下采場布局均有重要的促進意義。

1 工程地質概況

山西某礦位于山區(qū)，地表溝壑、山丘眾布，地形地貌復雜，開采范圍內共計有5層煤可采，編號依次為2號、5號、9號及11號，現(xiàn)階段主采5號煤層。3506回采工作面開采5號煤，厚度2.9m、埋深470～560m，該回采工作直接頂為泥巖，局部受到?jīng)_刷帶影響巖性為砂、泥混合物，直接底為砂質泥巖。采用綜采工藝開采，全部垮落法管理頂板。由于礦井所在區(qū)域山區(qū)，地表最大落差為360m，在地表巖移觀測時存在以下主要特征[4～5]：

1)地表地形復雜、通行困難

礦井在位于山區(qū)，地形復雜，無路在地表通行時較為困難。同時在地形坡度較陡，在地表布置的測站內測量時受到自然風影響顯著會給布置儀器的穩(wěn)定性以及測量精度帶來較大影響。加之礦區(qū)原有的高級別控制點較遠，通行線路受困，也在一定程度上制約測量效率。

2)測量精度低

在測量過程中由于通視條件不好，造成轉測復雜，難以保證測量精度。

3)測量效率低

采用的常規(guī)測量技術不能時實對比表巖層移動變形數(shù)據(jù)進行觀測，難以全天候實時對巖移量進行監(jiān)測。

2 地表巖層測站設計

2.1 角值參數(shù)選取

由于礦井前期未進行過地表巖層位移觀測，具體布置的測站觀測角賦值參考其他同類礦井確定，具體見表1。

表1 測站布置測角參數(shù)參考表

在布置地表測站時既要考慮地表重要構筑物變形、又要考慮巖層移動變形測量需要，因此具體布置的測站采用線型觀測結合特征點觀測方式，其中用以確定地表巖層移動數(shù)據(jù)的布置成兩條半盆地形式。

具體布置的測站形式有網(wǎng)狀、半盆地以及盆地測量等形式，由于3506回采工作面布置形式為不規(guī)則多邊形，本著便于觀測以及求和原則，具體在采面對應地表上布置兩條半盆地測線，布置的測線長度以及測點位置按照表1中的角值參數(shù)確定，具體布置情況見圖1、2。

圖1 走向測線測量布置示意圖

圖2 傾向測線測量布置示意圖

布置的走向測線、傾向測線長度分別為725m、600m，依據(jù)《煤礦安全規(guī)程》要求，由于采面采深在470m～560m>300m，因此布置的測點間距為25m。因此，在縱向測線、橫向測線上分別按照25m距離布置30個測單、25個測點，此外在布置的兩條測線最外側各確定2個控制點，間距為50m。

2.2監(jiān)測方案優(yōu)選

根據(jù)選用的監(jiān)測方法以及測點布置，具體提出以下三種監(jiān)測方案，具體為：全自動監(jiān)測方案、半自動監(jiān)測方案以及人工監(jiān)測方案。

1)全自動監(jiān)測方案

該監(jiān)測方案選用GPS測量技術，在每個測點上布置一臺接收天線，多個測點共用一個GPS接收機，通過天線控制器獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)。整個監(jiān)測系統(tǒng)結構包括有基站系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)以及野外供電系統(tǒng)等構成，具體系統(tǒng)結構見圖3。

2)人工監(jiān)測方案

圖3 全自動監(jiān)測方案

人工監(jiān)測方案選用傳統(tǒng)的水準儀、全站儀或者經(jīng)緯儀等設備，通過測量人員對監(jiān)測點不斷觀測，獲取大量變形數(shù)據(jù)。

3)半自動監(jiān)測方案

選用常規(guī)人工測量與GPS測量相結合方法，GPS測量具備全自動實時監(jiān)測能力，將GPS測量獲取到的數(shù)據(jù)作為人工監(jiān)測數(shù)據(jù)的起始觀測數(shù)據(jù)，既可以滿足地表巖移實時監(jiān)測需要，又可以在一定程度上減低設備采購成本并降低測量人員勞動強度。

為了確定較為合適的測量方案，從數(shù)據(jù)獲取速度、觀測便捷性、測量投入、監(jiān)測江都以及預警能力放方面對各個測量方案進行比對，結果見表2。

表2 監(jiān)測方案對比結果

從表2中看出，上述三種監(jiān)測方案監(jiān)測精度均可以滿足地表巖移觀測需要，但是采用人工監(jiān)測方案時存在測量耗時長、測量難度大以及周期長等問題；全自動監(jiān)測方案時可以提升監(jiān)測效率以及人力資源，可以實時全天候對地表巖移進行監(jiān)測，但是也存在監(jiān)測成本高昂問題；采用半自動監(jiān)測方案可以在一定程度上降低測站布置成本，同時降低測量過程中人員投入，并在一定程度上提升人工測量效率，采用該方案結合全自動測量以及人工測量兩種方案優(yōu)勢，在測線上布置4個GPS監(jiān)測站，其中兩個為基準監(jiān)測站、兩個為變形監(jiān)測站；通過采用GPS輔助人工測量方式一方面可以實現(xiàn)部分監(jiān)測點的全方位實時監(jiān)測，及時掌握地表巖移信息及后續(xù)變化趨勢，為加密觀測、全方位觀測提供便利，并降低測量人員巡檢測量頻率；另一方面可以將GPS測量結果作為后續(xù)人工測量起始點，不需要將測量量與礦區(qū)較遠位置控制點進行聯(lián)系測量，降低后續(xù)測量數(shù)據(jù)處理以及測量過程難度，雖然成本較人工測量時稍微增加，但是觀測難度及工作量卻顯著降低。半自動測量角相對于全自動測量而言可以滿足地表巖移測量需要，并降低布置測站成本。

綜合上述分析，在復雜地形條件下選用半自動測量方案可以較好的滿足本次地表巖移觀測需要，同時在經(jīng)濟、技術以及監(jiān)測精度等方面均體現(xiàn)出一定的優(yōu)勢，可以滿足復雜或者特殊地表變形間隙需要，簡化測量過程降低觀測成本?，F(xiàn)階段該礦已經(jīng)完成地表變形監(jiān)測工作，并補充總結了巖移動角，變形監(jiān)測結果已經(jīng)在礦井推廣應用。

3 結束語

地表復雜礦井進行地表巖移觀測時難度較大，根據(jù)礦井現(xiàn)有監(jiān)測設備基礎上，綜合對比不同測量方案優(yōu)缺點，綜合選取采用人工觀測結合GPS觀測的半自動觀測方式，該技術方案充分發(fā)揮GPS觀測自動化程度高以及人工觀測成本低優(yōu)勢，在現(xiàn)場應用中表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢，提升了巖移觀測效率，同時實現(xiàn)了巖移的動態(tài)監(jiān)測預警。