礦井沉降測量方案優(yōu)化設(shè)計與應(yīng)用研究

李周杰

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

隨著對井下煤炭資源的不斷開采，由于采煤活動而引發(fā)的地表沉降問題日益突出，山西某煤礦在開采期間，為了確保井下的安全性，對地表沉降情況進行實時監(jiān)測，根據(jù)測量結(jié)果制定可行的控制方案[1-3]。礦區(qū)目前主要采用水準儀來進行地表沉降監(jiān)測及測量，這種方法的測量精度高，但監(jiān)測范圍小、效率低，不能對整個礦區(qū)進行監(jiān)測[4]。因此，提出一種優(yōu)化的掃描儀地表沉降測量方案。

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)開采的3 號煤層厚度為8.27～10.41 m，平均厚度為9.13 m。在開采煤層時，采用長壁綜合化機械采煤方法，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度為4 313.3 m，在傾向方向上的長度為299.1 m。由于開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，在開采過程中，由于巖體結(jié)構(gòu)松散，巖體力學性質(zhì)不均勻，極易發(fā)生地表沉陷。

2 測量方案

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

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

圖1 觀測點布置示意圖

2.1 外業(yè)測量

在第二、三個控制基準點上安裝三維激光掃描全站儀，從外側(cè)向內(nèi)側(cè)對掃描區(qū)域進行沉降監(jiān)測掃描，這樣可以對沉降區(qū)域進行全面掃描，利用云端對數(shù)據(jù)進行整合。由于掃描的距離遠，在實際測量時，測量精度會受到影響，按照布設(shè)的測量路線，沿工作面走向和傾向方向，測量地表的坐標和高程數(shù)據(jù)，在測量的過程中，測量點可以與測量方向有一點偏差，但需確保誤差在10 m 以內(nèi)，在過煤層邊界煤柱和采區(qū)煤柱時，在煤柱兩側(cè)150 m 內(nèi)加大測量點。

2.2 內(nèi)業(yè)測量

依據(jù)航空測量的地形圖，對其進行掃描、糾正和拼接，得到底表電子底圖[12]。按照實際測量點位，在電子底圖上量取地面的原始高程，與實際測量高程進行對比，計算出高程差值，即為地表沉降量。地表沉降的沉降量計算數(shù)據(jù)如下頁表1 所示。

表1 沉降量數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

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

式中：W0是采動條件下地表最大沉降值；m 是煤層開采厚度。

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采厚度有關(guān)。

3 成果分析

通過分析，在某煤礦內(nèi)布設(shè)9 條測量剖面線，總長為17.9 km，施工測量點559 個，測點的平均沉降量為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

在礦井充分采動后，地表的沉降系數(shù)為0.8～0.9，受上覆煤層的影響，開采工作面的深部地表仍然處于移動期，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，對比井下采煤厚度以及保護煤柱數(shù)據(jù)，東翼采區(qū)地表出現(xiàn)兩個不相連的塌陷坑，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，沉降系數(shù)為0.88～1.03，最大沉降量為20 m。

根據(jù)測量線的沉降數(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，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行沉降測量的方案能根據(jù)礦井的實際地質(zhì)情況進行測量，滿足測量精度要求，測量精度高、穩(wěn)定性好。

2）通過對沉降量進行監(jiān)測，結(jié)果表明，在深部開采區(qū)域，地表的沉降量和沉降系數(shù)逐步減小，保護煤柱地表的沉降量未發(fā)生明顯變化。