王健，杨久东，宋利杰

(华北理工大学 矿业工程学院，河北 唐山 063210)

采煤沉陷区变形监测体系的构建方案

王健，杨久东，宋利杰

(华北理工大学 矿业工程学院，河北 唐山 063210)

沉降监测；倾斜监测；开采沉陷

对地下采矿遗留的采空区的地表来说，进行变形监测具有多方面的重要意义。以唐山市大南湖为例，通过对开采沉陷区的地质条件和地表变形特征进行了分析，提出了变形监测体系的建立方案，论述了地表变形监测的监测手段、基准网和监测网布设、监测周期的设置、监测数据的处理等方案。该方案可为开采沉陷地区变形监测体系的建立提供借鉴和参考。

近年来，国内许多旧采矿区都进行了生态重建。但是，地下采矿遗留的大面积采空区，在复杂的应力作用下，往往使地表频繁发生各种地质变形，给人民的生命财产安全和生态环境的保持带来巨大影响和隐患。在该类地区设置合理的变形监测体系，能够获取地表及建(构)筑物的变形状态和变形的发展趋势，从而适时采取有效的防患措施。另外，长期、准确的变形数据还能为开展科学研究提供基础资料。对开采沉陷地区来说，构建合理的变形监测体系有着突出的意义和价值。文献[1-3]研究了利用InSAR测量技术、GPS RTK技术进行矿区地表沉降监测的方法和优势，但是对矿区地表的建(构)筑物及设施的监测方案却没提及。采空沉陷区的各种建(构)筑物、各种设施是变形监测体系中重要的监测对象，它们的变形与地表沉降是相互影响、相互牵制的关系，因此变形监测体系应将这些监测对象统一纳入进来，设置监测方案时应统一考虑。该项研究以唐山市大南湖为例阐述其变形监测体系的构建方案。

1 开采沉陷区变形监测体系构建思路

唐山市大南湖区域前身是开滦唐山矿的采煤塌陷区，面积达28 km2，位于市中心南部约2 km处，概略位置见图1。其地层以古生界的沉积层为主，地层岩性以粘性土、粉土和砂类土交互沉积为主，基岩大部分被第4系所覆盖，在几公里外的市区局部裸露地表。该区域地质条件复杂，断裂构造，特别是小构造非常发育，褶皱构造也比较发育。在复杂的地质条件影响下地质灾害频繁发生，主要是采空塌陷、地震等，导致了各种地质变形，如地表严重下沉、建(构)筑物沉降、倾斜、墙体裂缝等。经过十几年的生态重建，目前唐山大南湖区域以城市生态公园的面貌展现与世人。然而，地质灾害和地质变形的长期存在给生态环境的保持以及建(构)筑物的安全带来了隐患，因此，应在该地区构建合理的变形监测体系。

图1 大南湖景区概略图

大南湖区域的地质变形主要是地震和采空沉陷导致的地表沉陷、建(构)筑物倾斜以及裂缝，因此，地表变形监测体系应由沉降监测、倾斜监测、裂缝监测三方面组成，其中沉降监测的对象包括地面、建(构)筑物、道路及其它设施，倾斜监测的对象主要是高大建(构)筑物及设施，裂缝监测的对象主要是各种建构筑物及设施，地表变形监测体系构成见图2 。

图2 地表变形监测体系

2 地表及建(构)筑物变形监测方案

2.1 变形监测方法选择

建(构)筑物的变形监测对精度要求非常高，一般沉降监测需采用精密水准测量的方法，倾斜监测采用经纬仪测角或垂准法。但是由于大南湖区域是地质变形区，稳定的基准点只能在区域之外建立，这就造成基准点与监测点之间形成过长的水准路线，极大的降低了监测的精度和可靠性。而且大南湖区域的高大建筑物形状各式各样，传统的倾斜监测方法不适用。GPS测量技术具有精度高、效率高、自动化程度高等诸多优势，利用该技术在面积大、环境复杂、基准点和工作基点的数量众多、精度要求高的开采沉陷地区进行变形监测是非常合适的，而且可以同时监测沉降和倾斜变形，提高功效。但是该方法也有弊端，例如：测量环境必须适合GPS接收机测量、GPS测定大地高的精度低于平面定位的精度等。因此，对于各种结构物的变形监测还应依据精度、环境等具体情况结合其他方法进行。

利用GPS技术虽然只能测定点位大地高，但相关研究表明，用大地高代替正常高计算地面沉降量是完全可行的。目前测地型双频GPS接收机采用C/A码按静态相对定位测定垂直方向的精度一般在5 mm+1×10-6×D以上，所以利用GPS测量技术在几公里的范围内通过合理的组织即可测出1 cm以上的沉降值。而对于建(构)筑物基础的沉降监测，一方面受观测条件的限制不能利用GPS进行测量，另一方面GPS测量的精度也达不到要求。建(构)筑物的沉降包括均匀沉降和不均匀沉降，数值不是很大的均匀沉降对其安全和使用影响很小，而不均匀沉降会导致其倾斜、基础挠曲、裂缝等灾害，对安全使用的危害巨大。因此，开采沉陷区沉降监测方案应满足2个要求：一是能够比较准确地监测出绝对沉降值，二是能够非常精确地监测出结构物各部位之间的不均匀沉降。为了满足这2个要求，综合考虑各种测量方法的利弊，以及监测精度、效率、可行性的要求，大南湖区域沉降监测的方案设计如下：在沉陷区外基岩裸露处设置基本基准点，在监测区域中央稳定性较好的位置设置参考基准点，在各个监测目标附近较为稳定位置设置工作基点，监测目标上设置观测点。基本基准点与参考基准点之间采用二等水准测量方式联测，以便精确的获得参考基准点的高程。参考基准点与工作基点之间用GPS静态相对定位技术联测，由于工作基点数量庞大、分布广，采用GPS测量方式能避免精密水准测量庞大的工作量。工作基点与变形观测点采用精密水准方法联测，对大型或重要的建(构)筑物和设施用二等水准，其它监测目标采用三等水准。沉降监测方案见图3。参考基准点和工作基点均不稳定，每次沉降监测时先将基本基准点、参考基准点、工作基点进行联测，再将各监测目标上的沉降观测点与其较近的工作基点组成固定闭合水准路线进行观测。

图3 地表沉降监测的方法

大南湖沉陷区内部及周边建设的诸多高大建(构)筑物及设施(如高层住宅、酒店等)，是倾斜变形监测的重点。倾斜监测的方法：

(1)沉陷区外稳定位置布设稳定的水平位移监测基准点，监测对象附近较稳定且便于观测的位置布设水平位移监测工作基点(与沉降监测的工作基点共点)，基准点与工作基点之间用静态GPS测量(每次倾斜变形监测前与沉降监测基准网测量一并进行，以减小工作量、提高功效)，通过数据处理，可以获得地面的沉降和水平位移。为提高基准网的精度，基准点应均匀分布于区域四周。

(2)倾斜监测点的布置：在监测目标顶部代表性的位置处(如各转角处)设置一组顶部点，在地面上基础部位与顶部点相对应设置一组地面点，均采用结构中预埋或焊接观测标志的方法设置。以工作基点为基准周期性的对监测点进行精密坐标测量，根据地面监测点与顶部监测点的相对位移可准确计算倾斜值。

(3)倾斜监测：高大建(构)筑物的倾斜监测点(顶部点和地面点)位置不适合GPS测量，为保证能获得精确的倾斜变化值，适宜采用全站仪极坐标法观测。

对于形状规则的建(构)筑物，为了减少工作量和提高功效，其倾斜变形监测的方法完全可以采用常规的经纬仪测角、垂准法等。

2.2 沉降监测方案设计

2.2.1沉降监测质量保证措施

为提高监测精度，在选点时要求基本基准点与参考基准点之间构成最短水准路线，且交通方便，便于精密水准测量的实施。在选择工作基点位置时，应考虑其能为倾斜监测所利用。沉降监测和倾斜监测工作实施过程中应遵守"五定"原则：一是固定仪器、设备，二是固定观测人员，三是固定基准点、工作基点、观测点的点位，四是固定观测路线、置镜位置、程序和方法，五是固定观测时的环境条件。

从前面沉降监测的精度分析可以看出，沉降点的高程值误差中，参考基准点与工作基点之间的GPS测量误差占比重最大，因此，保证该项测量工作的精度非常关键。GPS测量大地高的精度影响因素较多，影响因素包括：(1)卫星星历和卫星分布引起的误差；(2)对流层和电离层影响误差；(3)GPS网的网形；(4)基线起算点的误差；(5)多路径效应；(6)天线高量测误差；(7)GPS测量的精度。为保证精度，针对各项误差来源可采取以下措施：(1)参考星历预报，选择合适的观测时间段；(2)为减小电离层对GPS卫星信号的影响，采用双频接收机进行观测，利用同步观测值求差，并且利用电离层模型加以改正；(3)为减小对流层对GPS卫星信号传播误差的影响，尽量在低温干燥而且有微风的天气观测，不在炎热和潮湿的气候中观测，尽量使测站附近的环境与周围大环境一致，必要时采用测区平均气象元素法或时段标准气象元素法修正对流层的影响；(4)为改善网形结构，应使参考基准点位置尽量接近网的中央，GPS网应形成边联式或网联式，并尽量增加参考基准点与边缘工作基点之间基线的数量；(5)每个观测时段应尽量在60min以上；(6)参考基准点和工作基点的位置要适于GPS观测，避免多路径效应影响；7)天线高量测要规范。

2.2.2沉降监测工作的实施

大南湖沉陷区监测的对象是区域内部及周边的建(构)筑物、景观设施、道路交通设施、地面等，沉降监测点的布设可参考文献[9]的方法执行，另外还要考虑变形的大小、状态以及监测目标的重要性，重要的或变形严重部位的监测对象要增加监测点的密度。

大南湖地区的地表沉降监测工作的进行，就是按照前面提出的方法对监测目标进行周期性的监测。开采沉陷区地表沉降长期存在，应作长期持续沉降监测，监测周期的确定没有现成的经验和规范可以遵循，必须按照该地区的实际沉降状况确定。由于复杂的地质情况和建(构)筑物的结构形式，导致不同的监测目标沉降特征不同，不同沉降特征的监测目标应采用不同的监测周期。大南湖地区沉降监测周期的确定应按照突出重点兼顾一般、先期设置初值后期不断调整的方法。重要的建(构)筑物、变形程度大的区域内的监测目标其周期应短，反之周期应长一些。监测初期，根据各个建(构)筑物在施工时期的沉陷监测资料再结合实地调查进行分析，对监测目标给出一个周期初值，等经过一定时期的监测掌握了准确规律后，再进行适当调整。此外，在出现特殊情况时还要进行紧急监测，例如：地面变形异常、发生地震等情况。

外业监测工作结束后，应首先对测量数据进行整理和检查，然后依次计算参考基准点的高程、工作基点的高程、沉降观测点的高程。沉降观测应提交如下几项成果：(1)各沉降点在不同时期的沉降值；(2)建(构)筑物和设施的基础或部分地基在指定时期内的平均沉降值和沉降点的沉降速度；(3)由于不均匀沉降所产生的基础倾斜值和挠曲值。对重要目标和沉降显著的区域还需编写总结，利用各观测点的沉降过程线、展开曲线图、变形值剖面分布图、等沉降线平面图，结合基础的结构特点、荷载情况、地质问题等，对沉降特征进行分析。

2.3 倾斜监测方案

大南湖沉陷区的地表变形以沉降为主，建(构)筑物基础不均匀沉降是引起倾斜、裂缝等变形的主要原因，所以监测工作以沉降监测为主。倾斜监测的周期应依据沉降监测的结果通过分析后确定，当沉降监测结果显示建(构)筑物出现较大的沉降或不均匀沉降时，应进行倾斜监测。另外，在出现地震等特殊情况时也要进行倾斜监测。

各期倾斜监测外业观测工作结束后开始内业计算，内业计算首先对基准网进行平差计算和精度评定，并对工作基点的稳定性进行评价；然后计算各个建(构)筑物的顶部和底部观测点的坐标值；最后提交水平位移成果，包括：(1)各点的位移值；(2)垂直于结构物主轴线方向的位移值和平行于主轴线方向的位移值；(3)各点的倾斜变形值和倾斜方向的变化图。

3 结论

在开采沉陷地区建立变形监测体系的目的，是为了保护人民的生命财产安全和生态环境的决策提供依据。变形监测体系应在分析实际地质灾害和变形特征等情况的基础上建立。该项研究以唐山市大南湖为例，分析了地表变形特征，提出了沉降监测和倾斜监测的方法，并阐述了基准点与监测点的布设和观测、监测周期的设置、数据的处理等方案。对类似开采沉陷地区变形监测体系的建立可提供借鉴和参考。

[1] 鲍金杰,汪云甲.InSAR测量技术在矿区地表沉降监测中的应用[J].煤炭科学技术,2012,40(5):96-99.

[2] 张学东,葛大庆,吴立新.等.基于相干目标短基线InSAR的矿业城市地面沉降监测研究[J].煤炭学报,2012,37(10) :21-25.

[3] 鲍金杰,汪云甲.GPS RTK在矿区沉降监测中的应用[J].煤炭工程,2012，45(2) :121-123.

[4] 岳建平,田林亚.变形监测技术与应用[M].北京:国防工业出版社,2010.

[5] 孙海涛.采动地表沉降时间函数的确定方法及其应用[J].煤矿安全，2015，28(1) ：210-213.

[6] 王正帅,邓喀中.老采空区地表残余变形分析与建筑地基稳定性评价[J]．煤炭科学技术,2015,43(10) :133-137.

[7] 何涛.基于D-InSAR技术分析的煤矿开采、沉降与环境灾害[J].煤炭技术，2014，33(12) ：53-54.

[8] 赵伟颖,邓喀中,杨俊凯,等.DEM精度在DInSAR监测采空区沉降中的影响.煤炭工程,2015,47(3).90-92.

[9] 王健,汪金花.城市地质灾害多发区域的沉降监测方案.河北联合大学学报，2013，35(2) :98-103.

Plan of Deformation Monitoring System Construction for Mining Subsidence Area

WANG Jian, YANG Jiu-dong, SONG Li-jie

(College of Mine Engineering, North China University of Science and Technology, Tangshan Hebei 063210, China)

subsidence monitoring; leaning monitoring; mining subsidence

Deformation monitoring system in mine goaf areas is useful in many ways. Taking South Lake area in Tangshan City as an example, the geological condition and the deformation characteristic in mining subsidence was analyzed, the plan of deformation monitoring system was proposed. Then the plan of monitoring method, basis network and monitoring network construction, the cycle offering method and date management method for the deformation monitoring were proposed. The plan offers reference for deformation monitoring system construction of mining subsidence area.

2095-2716(2017)02-0026-05

2016-11-09

2017-03-28

唐山市科学技术研究与发展计划资助项目(11150204A-8)。

TU433

A