煤礦水平開采地表變形監測與分析

李玉

（晉能控股煤業集團 地測勘探公司，山西 大同 037003）

1 概 況

煤峪口礦井田東西寬度為6 200 m，南北長度為8 500 m，井田面積為35.12 km2，井田內可開采煤層的埋深為357 m，目前，礦井的生產能力為11 Mt/a，服務年限為23.8 a。為了解工作面因開采引起的地表變形規律，建立地表變形監測系統，通過采集數據和分析處理得到工作面的地表變形參數，為井下防治水和防水煤柱留設等提供重要依據[1]。

煤峪口礦14 號煤層的煤層平均厚度為2.35 m，煤層厚度變化較小，結構較復雜，局部含有1～3層夾矸，巖性為泥巖，局部含有粉砂巖，煤層傾斜角度為15°。在回采范圍內，煤層的總體構造呈單斜構造，在工作面內出現多條小型斷層，幾乎不影響正常開采。目前，采空區面積為6.7 km2，工作面有1 處地面塌陷，面積為3.89 km2，裂縫約90條，嚴重威脅安全生產。

2 地表變形監測方法

2.1 動態觀測站布設

根據工作面的地質概況和地表塌陷參數，沿工作面走向和傾向方向布設2 條地表移動觀測站，共布設控制點12 個、監測點115 個，觀測站布設如圖1 所示。在距工作面中心線下方36 m 的位置，沿工作面走向布設長度為2 100 m 的監測線，其中監測點71 個；在距切眼480 m，與工作面走向垂直的位置，沿工作面傾向布設長度為1 320 m 的監測線，其中監測點44 個。每個監測點間的距離為30 m，在監測線的兩端，分別布設2 個監測點和1個控制點。動態監測的測量頻率為1 月/次，根據1 個監測周期獲取的監測點移動數據，動態地描述地表的變形情況[2]。

圖1 觀測站示意Fig.1 Observation station indication

2.2 實時觀測站布設

由于14 號煤層地形復雜，采用常規監測方法較困難，為了掌握特征點的動態變化，采用多通道拉繩變形位移監測技術[3]，實時自動監測塌陷區特征點的變形位移情況。在工作面傾向的兩端分別布設1 號和2 號拉繩變形位移監測儀，其中，1 號變形位移監測儀主要用來監測地勢相對平坦區域的地表裂縫變形位移情況，2 號變形監測儀主要是用來監測山坡的裂縫變形位移情況。每套監測儀上都安裝3 支變形量傳感器，監測特征點的變形量，其中1 支監測垂直沉降變形量，2 支監測水平裂縫拉張變形量，測量時按照6 h/次的采集數據頻率進行，通過測量數據來掌握塌陷區的變形情況。

3 數據分析

3.1 動態監測數據分析

采用動態觀測站進行測量時，平面位置測量采用GNSS 靜態相對定位技術，高程測量采用三等水準方法[4]。在測量系統和GNSS 系統之間建立平面坐標轉換系統模型和高程轉換系統模型，采用RTK 技術建立連續運行位置參考站CORS，對監測的平面位置進行自動測量，采用VRS 技術為位置測量系統提供平面坐標和高程系統框架。采用3 套GNSS RTK 系統接收機，2 臺流動站進行平面位置測量，在測量時進行2 次獨立觀測，如果2 次的差值在允許精度范圍內，取平均值后得到測量結果，對測量結果進行數據分析，要求全面監測的平面點位中誤差小于±2.0 cm，最弱點的高程中誤差小于±1.2 mm。

通過動態監測，沿工作面傾向的1~4 號、8~10 號和20~21 號監測點是垂直沉降變形量和水平位移變形量集中位置，其中9 號監測點的垂直沉降變形最大，累計的垂直沉降量為30 mm；3 號、9號和21 號監測點的水平位移變形最大，累計的水平變形量分別為41、35 和41 mm。工作面走向的14-17 號監測點基本沒有沉降，水平位移變形量較小。

3.2 拉繩變形監測儀數據分析

將1 號拉繩變形監測儀布置在工作面的西北端，地處二級階地邊緣處，由于地表整體比較平坦，采用監測儀進行6 個月的監測，監測數據如圖2 所示，可以看出，這個區域的地表變形相對穩定，地表垂直沉降監測變形量為9 mm，水平裂縫拉張變形量分別為2 mm 和3 mm，地表處于快速蠕變的運動狀態，實時監測結果與動態監測結果基本一致。

圖2 1 號拉繩變形監測儀數據曲線Fig.2 Data curve of No.1 rope drawing deformation monitor

將2 號拉繩變形監測儀布置在工作面的東南端，地處塌陷區的一級階地和二級階地連接處，上方是采空區，采用監測儀進行6 個月的監測，監測數據分布如圖3 所示，可以看出，整個區域的地表變形比較嚴重，區域內垂直沉降變形量高達34 mm，水平裂縫拉張變形量分別為16 mm 和28 mm，在6～8 月時，地表處于蠕變的狀態，在9 月后，地表變形加速，水平裂縫拉裂的變形速率分別為0.28 mm/d 和0.45 mm/d，實時監測結果與動態監測結果基本一致。

4 結 論

針對煤峪口礦工作面因開采引起的地表變形，根據工作面地質條件差異引起的地表塌陷，結合傳統的動態測量技術和拉繩變形實時監測技術，對塌陷區特征點的三維變形情況進行監測。

（1） 采用動態的RKT 測量技術，可以獲得整個區域的地表變形情況；采用拉繩變形實時監測技術，能夠掌握特征點的三維變形情況，改進監測的效果。

（2） 通過數據分析，可以看出，在工作面的西北端，地表變形比較穩定，在工作面的東南端，地表垂直和水平變形比較嚴重，垂直沉降變形量為34 mm，水平裂縫拉張變形量分別為16 mm 和28 mm。通過動態觀測和實時觀測，可以準確獲取地表的變形參數，為后續的研究積累經驗。