礦山礦床開采錯動范圍監(jiān)測方案探究

（福建省海峽水泥股份有限公司，福建 泉州 362500）

1 工程概述

地下礦山在開采之前，巖體處于原始應(yīng)力平衡狀態(tài)，采動后由于形成空區(qū)，打破了原巖應(yīng)力平衡，應(yīng)力重新分布而達(dá)到新的平衡。在此過程中，頂板圍巖不可避免產(chǎn)生變形、以采空區(qū)應(yīng)力大的區(qū)域為中心，向四周擴散，形成凹陷變形區(qū)域（盆地）。

當(dāng)變形應(yīng)力超過頂板邊幫巖層的剪力，極易造成地表沉降、塌陷，造成地質(zhì)災(zāi)害。地表沉降、塌陷超大壓強作用下，在礦井內(nèi)形成氣流沖擊波，可能造成礦井內(nèi)人員傷亡和財產(chǎn)損失。

2 監(jiān)測依據(jù)

為防止災(zāi)害和監(jiān)測方便，根據(jù)地表坍塌、錯動盆地內(nèi)各處移動變形量大小和演變過程特點將其劃分為未變形區(qū)、微變區(qū)、變形過渡區(qū)、拉伸滑移區(qū)、有可能的垂直沒落區(qū)。變形過渡區(qū)是安全臨界變形值，是無需維修就能保持建筑物及各種設(shè)施正常使用所允許的地表最大變形，一般為水平位移ε=±2mm/m、沉降±10mm，超過臨界變形值，有可能演變成拉伸滑移區(qū)和垂直沒落區(qū)，造成地表坍塌、錯動危害。圈定的地表坍塌、錯動范圍（滑移區(qū)和垂直沒落區(qū)）外為穩(wěn)定連續(xù)變形區(qū)（未變形區(qū)、微變區(qū)、變形過渡區(qū)），因此有必要對該礦礦床開采可能坍塌、錯動范圍內(nèi)建立巖體位移、沉降監(jiān)測系統(tǒng)，預(yù)報預(yù)警巖體活動，為了礦山的安全生產(chǎn)和管理提供科學(xué)依據(jù)。

3 沉降位移監(jiān)測方法的選擇

（1）GPS 監(jiān)測方法

采用GPS 定位技術(shù)，利用接收空中衛(wèi)星信號測距進行定位，具有高精度的三維定位能力，為監(jiān)測地殼形變及各種工程變形提供了極為有效的手段。但運用于變形監(jiān)測等高精度領(lǐng)域，一次性投資較大，精度受外界干擾影響大。

（2）傳統(tǒng)的變形監(jiān)測方法

傳統(tǒng)的變形監(jiān)測方法主要有兩大類：一是平面位移采用經(jīng)緯儀導(dǎo)線或三角測量方法，高程用水準(zhǔn)測量方法；二是利用全站儀導(dǎo)線和全站儀精密三角高程作業(yè)方法。另外還有攝影測量和物理學(xué)傳感器方法

本礦區(qū)位于戴云山脈南西段，屬中低山構(gòu)造侵蝕地形。礦區(qū)內(nèi)最高點海拔+1026m，最低點海拔約+683.0m，地形相對高差大，地形坡度陡（一般在10～45°）,適宜用全站儀導(dǎo)線和全站儀精密三角高程作業(yè)方法，并可利用原有的設(shè)備，以下按本方法布置監(jiān)測方案進行探討。

4 礦區(qū)內(nèi)基準(zhǔn)網(wǎng)、工作基點、監(jiān)測點的布置及精度的確定

本礦圈定的可能坍塌、錯動范圍66 萬平方米，南北最大寬度700 米，東西最大走向1300 米，根據(jù)礦體開采的次序、圍巖特性、地形地貌特征，監(jiān)測點（1～9）的布設(shè)考慮整體區(qū)域全覆蓋下，在最易拉伸滑移、垂直沒落中心區(qū)域，重點布置，距基準(zhǔn)點最近距離148 米（C—7），最遠(yuǎn)距離635 米（I—4）；圈定的地表可能坍塌、錯動范圍外布設(shè)獨立閉合導(dǎo)線基準(zhǔn)網(wǎng)（A～K），基準(zhǔn)網(wǎng)導(dǎo)線邊11 條，平均長度432m（A～K），符合水平位移監(jiān)測基準(zhǔn)三等網(wǎng)的主要技術(shù)要求；監(jiān)測點9 個，至少與兩個相鄰基準(zhǔn)點通視，最大邊長493m，小于水平位移監(jiān)測基準(zhǔn)“四等網(wǎng)”邊長限制（≤600m）。個別和基準(zhǔn)點無法通視的監(jiān)測點，可加設(shè)工作基點與基準(zhǔn)點和監(jiān)測點通視聯(lián)測。每個基準(zhǔn)點和監(jiān)測點平面、高程基準(zhǔn)兼用。閉合導(dǎo)線基準(zhǔn)網(wǎng)兼作環(huán)形高程基準(zhǔn)網(wǎng)。其基準(zhǔn)網(wǎng)和監(jiān)測點布置如下圖所示。

水平位移監(jiān)測：根據(jù)中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)《工程測量規(guī)范》GB50026-2007，變形監(jiān)測的指標(biāo)值，是綜合了設(shè)計和相關(guān)文件施工規(guī)范已確定了的允許變形量的1/20 作為測量精度值，這樣，在允許變形范圍之內(nèi)，可確保建（構(gòu)）筑物安全使用，且每個周期的觀測值能反映監(jiān)測體的變形情況。某礦設(shè)計給定的水平位移臨界變形值為ε=±2mm/m，監(jiān)測點相對于鄰近的基準(zhǔn)點的距離最短148 米（Lc-7），可能的最小變形量±2mm/m×148m=±296mm,按允許變形量的1/20 作為監(jiān)測精度，位移監(jiān)測點相對于基準(zhǔn)點的水平位移點位中誤差=±296/20/=±14.8mm。按《工程測量》水平位移監(jiān)測基準(zhǔn)網(wǎng)的主要技術(shù)要求中“四等”布置水平位移監(jiān)測網(wǎng)（四等相鄰基準(zhǔn)點的點位中誤差±12.0mm≦±14.8mm），可滿足設(shè)計要求。

獨立閉合導(dǎo)線基準(zhǔn)網(wǎng)可提高一級，按三等基準(zhǔn)網(wǎng)施測，測角中誤差mβ=1.8”，邊長相對中誤差1/T=1/100000，平均長度432m，計算縱橫向點位中誤差m點=±L√[（mβ/ρ）2+（1/T）2]=±5.7mm，符合三等相鄰基準(zhǔn)點的點位中誤差技術(shù)要求（±5.7mm≦三等相鄰基準(zhǔn)點的點位中誤差±6.0mm）。

沉降監(jiān)測：本礦是山區(qū)，設(shè)計文件給定礦床開采地表可能錯動沉降的變形臨界值±10mm，按《工程測量規(guī)范》GB50026-2007 變形監(jiān)測按允許變形量的1/20 作為沉降監(jiān)測精度指標(biāo)值，精度要求高，相對高差中誤差±1.0mm以下，電磁波測距三角高程測量無法滿足所需精度，高精度水準(zhǔn)測量在山區(qū)又不易開展，工作量大。在滿足實際監(jiān)功能情況下，宜參考更接近礦床開采可能塌陷、錯動行業(yè)規(guī)范，降低沉降監(jiān)測精度。

根據(jù)中華人民共和國地質(zhì)礦產(chǎn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《滑坡、崩塌監(jiān)測測量規(guī)范》DZ/T0227-2004，在等速變形、加速變形及臨滑突變等階段，形變監(jiān)測點高程施測精度不宜低于垂直形變平均速率（以觀測周期為單位）的1/5～1/10，但最高也不宜超過相對最近高程基準(zhǔn)點高程中誤差三等精度（±5.0mm）要求。礦床開采地表可能錯動的設(shè)計文件要求，沉降變形臨界值±10mm，按中華人民共和國地質(zhì)礦產(chǎn)行業(yè)測量標(biāo)準(zhǔn)《光電測距高程導(dǎo)線測量規(guī)范》DZ/T0034-92 三等高程導(dǎo)線測量，每公里高差中數(shù)全中誤差±6mm，本監(jiān)測方案基準(zhǔn)點間距和監(jiān)測點與基準(zhǔn)點之間最長距離均不超過647m，折算最近（相鄰）高程基準(zhǔn)點全中誤差±4.8mm（Mw=±6√0.647=±4.8mm），滿足《滑坡、崩塌監(jiān)測測量規(guī)范》最低不得超過三等（±5.0mm）形變監(jiān)測點高程中誤差要求（即±4.8mm≦±5.0mm）。

5 儀器設(shè)備的選擇

利用礦山原有測角2”級，距離±（2mm+2×10-6D 全站儀,新購反射高低棱鏡組、強制對中基座、變形監(jiān)測觀測墩和澆筑用混凝土，可完成監(jiān)測所需設(shè)備材料的購置。

表1 主要設(shè)備清單表

6 基準(zhǔn)點、監(jiān)控點的埋設(shè)

本方案基準(zhǔn)點和監(jiān)測點需同時滿足沉降基準(zhǔn)點和位移基準(zhǔn)點布設(shè)要求。特別注意以下事項：

（1）基準(zhǔn)點和監(jiān)測點均按變形監(jiān)測觀測墩加裝強制對中基座。

（2）基準(zhǔn)點和監(jiān)測點的觀測墩應(yīng)埋設(shè)在基巖層或原狀土層中，埋設(shè)深度不少于1500mm，出露地表不少于1500mm。

（3）平面監(jiān)測網(wǎng)點宜采用帶有強制歸心裝置的觀測墩：照準(zhǔn)標(biāo)志宜采用強制對中裝置的覘牌，強制歸心時對中中誤差不得大于±0.2mm。

7 施測方法

（1）水平位移基準(zhǔn)網(wǎng)測量應(yīng)符合《工程測量規(guī)范》三等主要技術(shù)要求，同時應(yīng)滿足方位角閉合差≤3.6√n（n 為測站數(shù)），導(dǎo)線全長相對閉合差≤1/55000，測距滿足下表2要求。

表2 測距的主要技術(shù)要求

監(jiān)測點的水平位移測量符合《工程測量規(guī)范》水平位移監(jiān)測基準(zhǔn)網(wǎng)和測距主要技術(shù)四等要求，每個監(jiān)測點須用鄰近兩個以上基準(zhǔn)點設(shè)站測量，觀測值取算術(shù)平均，并應(yīng)在短時間內(nèi)完成。對不同期測量，宜采用相同的觀測網(wǎng)、觀測路線和觀測方法，且宜使用相同的測量儀器設(shè)備。

（2）水平位移閉合導(dǎo)線基準(zhǔn)點兼用的高程基準(zhǔn)點，用光電測距直返覘、高低棱鏡組施測環(huán)線高程閉合環(huán)法，與閉合導(dǎo)線距離一同測量，每測站用高低棱鏡組觀測兩組高差和直返覘觀測高差共4 組，每測站兩組高差之差和直返覘高差之差符合下表6，

表6 每測站兩組高差之差和直返覘往返高差

監(jiān)測點高程測量與高程基準(zhǔn)點測量等級（三等）相同，每個監(jiān)測點從一個基準(zhǔn)點導(dǎo)高程，與另一相鄰基準(zhǔn)點附合，形成附合網(wǎng)形。

（3）施測要求

㈠施測過程注意事項

①高程導(dǎo)線測量須在呈象穩(wěn)定、清晰的條件下進行。日出前和日落前2小時及大氣湍流嚴(yán)重、太陽中天期間不宜測量，陰天和多云天氣最佳。

②作業(yè)時，應(yīng)避免在折光系數(shù)急劇變化的時間段內(nèi)觀測，并盡量縮短觀測時間。直返覘的高差，應(yīng)進行地球曲率和折光差的改正。

③礦區(qū)森林茂密，基準(zhǔn)點、監(jiān)測點周邊和他們之間的測量視線通過地草木，須進行干預(yù)。

㈡儀器設(shè)備及其檢校要求

已用于生產(chǎn)全站式速測儀測距每年應(yīng)進行周期誤差檢驗和加常數(shù)和乘常數(shù)檢驗。

㈢觀測頻率和觀測周期

等速變形階段，地表形變監(jiān)測點宜安排三個月或一個月復(fù)測一次。加速變形階段，形變監(jiān)測點的復(fù)測周期應(yīng)視情況監(jiān)測，兩天～兩周復(fù)測一次。

㈣觀測作業(yè)及數(shù)據(jù)處理方法要求

閉合導(dǎo)線閉合差宜先角度閉合平差，再距離閉合平差，環(huán)線高程閉合差分配按距離平方倒數(shù)為權(quán)進行平差。

㈤變形預(yù)警值及預(yù)警方式

當(dāng)期監(jiān)測值與初期監(jiān)測值比較，水平位移超過ε=±2mm/m 的75%、沉降±10mm，須報告單位技術(shù)負(fù)責(zé)人，并立即復(fù)測，加大監(jiān)測頻率，位移、沉降矢量值有繼續(xù)擴大跡象，應(yīng)通知撤離井下所有人員，并繼續(xù)監(jiān)測，檢查地表其他異常狀況。

㈥提交成果的內(nèi)容、形式、和時間要求

提交測量成果包含記錄手簿，計算過程以及每監(jiān)測點位移矢量圖（水平位移矢量圖、垂直位移以月為橫軸折線圖），提交時間為每月底。

8 結(jié)語

常規(guī)的測量方法具有測量精度高，資料可靠一次性投資少等優(yōu)點，可充分利用礦山原有的設(shè)備和人員，實現(xiàn)資源優(yōu)化利用。但上述方法都需要人到現(xiàn)場觀測，工作量大、效率低、受氣候的影響大，特別在南方山區(qū)，樹木雜草叢生，作業(yè)十分困難，監(jiān)測點與基點往往不能通視，難以實現(xiàn)無人值守監(jiān)測等缺點。

通過監(jiān)測可了解和掌握巖體變形、破壞以及垮塌的演變過程，及時捕捉塌陷災(zāi)害的特征信息，為塌陷的正確分析、評價、預(yù)測、預(yù)報及治理工程等提供可靠的資料和科學(xué)依據(jù)。同時，監(jiān)測結(jié)果也是檢驗巖體塌陷的控制尺度。因此，監(jiān)測既是巖體變形和破壞調(diào)查、研究及防治工程的重要組成部分，又是巖體破壞、失穩(wěn)災(zāi)害預(yù)測預(yù)報信息獲取的一種有效手段。所以，建立安全可靠的巖體變形破壞、失穩(wěn)監(jiān)測系統(tǒng)顯得尤為重要。由于巖體工程的復(fù)雜性，巖體變形、失穩(wěn)監(jiān)測還需要綜合多種方法進行。