全站仪在煤矿地表位移移动规律监测中的应用

2021-09-21赵倩

机械管理开发 2021年8期

赵倩

（1.山西省煤炭职工培训中心，山西太原 030012；2.山西省煤炭职业中等专业学校，山西太原 030012）

引言

煤炭开采为国民经济增长带来了强大的发展动力，与此同时煤矿开采还会造成环境破坏、生态平衡被破坏等问题，其中较为显著的问题为煤矿开采所引起的地表塌陷、地表产生裂缝导致耕地被破坏、居民建筑物变形倒塌以及地下水流失等[1]。煤炭储藏所在地地质条件相对复杂，由于对其开采沉陷规律研究不充分无法对其提出有效的治理方案、治理措施。因此，需提升对煤矿地表位移移动规律的监测精度和监测效率，为后续开采和塌陷治理提供依据。本文将采用GPS 结合全站仪的联合作业方式对煤矿地表位移的移动规律进行监测。

1 亭南煤矿工程概况

本文以亭南煤矿为例开展研究，该煤矿的地表起伏较大，对应的地形条件相对复杂，周围主要以山区为主，并伴有相对平坦的河流，而且该煤矿综采工作面的走向为南北走向，在工作面走向方向上有多个村庄。通过对亭南煤矿目前开采状态下地表位移移动规律的监测，旨在为后续该煤矿的回采方案和塌陷治理提供强有力的基础和依据。该煤矿的基本情况描述如下：

1）地质条件：该煤矿总的煤层平均厚度为63.92m，最大煤层厚度为105.24 m，目前可供开采的煤层有1 号、4 号，本文以其中4 号煤层所属工作面地表的移动规律进行监测。该煤层工作面顶板的主要成分为深灰色泥岩和砂质泥岩；4 号煤层工作面伪顶的主要成分为砂岩，并与部分煤层相接触；底板的主要成分为泥岩，其具体类型为铝土层；伪底的主要成分为炭质泥岩，该类岩层遇水后容易膨胀，常导致底鼓现象的发生[2]。

2）工作面布置情况：4 号煤层所属的204 工作面为南北走向，其走向总长度为2 170 m，工作面宽度为200 mm，目前所采用的开采方式为一次全采高开采法，采用全部垮落法对工作面顶板进行管理。204工作面地表起伏较大，其地表整体走势为南北两端高、中间低，4 号煤层的埋藏范围位于地下475～693 m之间，而且所埋藏煤层的平均倾角为2°。

2 全站仪的选型与布置

2.1 全站仪的选型

为满足煤矿地表位移的监测需求，要求所选型全站仪的精度为±1″，分辨率为0.1″。工程中常选用的全站仪的型号包括有TCA2003、TC1800 和NET2100。综合考虑上述三种型号全站仪的精度、抗干扰能力以及成本价格等因素，最终选择NET2100的全站仪对煤矿地表位移的移动规律进行监测。根据监测需求，为其分别配置如表1 所示的反射片。

表1 反射片技术参数

2.2 全站仪观测站的设计

地表移动观测站除了布置观测站外还需结合现场实际情况地表移动参数进行重新选取。根据204工作面的现场情况，为其地表位移观测站设计两条观察线，其中一条沿着工作面走向布置，另一条与工作面走向方向垂直。同时，在结合204 工作面现场实际情况包括河床、村庄布置情况，总共为其设置四条观测线布置全站仪，分别如下：

1）1—8 线：位于204 工作面切眼南部275 m的位置，并且布置于工作面的主断面的半盆地；

2）9—38 线：位于204 工作面的切眼端，并将其布置于工作面走向的北部陡坡区域，该观测线能够准确记录204 工作面地表河谷位置的开采影响边界；

3）66—106 线：位于204 工作面的中间位置与已经停采线之间的区域，并且布置于工作面的主断面的半盆地；

4）107—117 线：位于204 工作面的中间位置，并且与布置于工作面主断面半盆地的观测线相垂直。

结合204 工作面所配置的移动观测站的布置情况，设计如表2 所示的地表移动计算参数。

表2 204 工作面地表位移监测计算参数

3 全站仪观测方案的设计

地表位移移动规律观测方案设计的关键原则为在保证观测数精度的基础上，要尽可能地减少作业人员的劳动强度，即应兼容观测精度和观测效率的问题。为此，本工程将采用GPS 结合全站仪的方式对矿区开采沉陷工作进行监测[4]。目前，204 工作面所在区域已经配置有4 个高级控制点，编号分别为K01、K03、E10 和E19，其相对位置如图1 所示：

图1 204 工作面区域目前已配置高级控制点相对位置

如图1 所示，K01 和K03 为GPS 数据平差处理的固定点；E10 和E19 为对评查精度的控制。结合204 工作面地表起伏较大以及整体形状为两端高、中间低的趋势，而且所布置观测站主要出于上山或下山的位置。根据煤矿地表位移测量规程的规定，要求测量平面点位的误差控制在10 mm，GPS 全站仪对应所组成的观测网如图2 所示。

图2 204 工作面地表的GPS 全站仪观测网

4 地表监测数据的分析

按照上述所述的观测方案和观察线布置情况对监测设备进行布置后，分别取四次观测值，本节主要对1-8 观测线所采集的四次数据进行分析，并绘制如图3 所示的曲线。

图3 1—8 号观测点下沉曲线

如图3 所示，从1 号位置到8 号位置对应地表的下沉量处于递减的变化趋势，而且随着时间的推移各个观测点地表位移的下沉量均在增加。其中，四次观测结束后1 号位置的下沉量最大为0.154 m；8号位置的下沉量最小为0.085 m。导致上述结果的主要原因在于：1 号观测站到8 号观测站是呈现下坡形态布置的，在下坡应压力的作用下给地表一个向上的分量，从而导致对应的地表下沉量减小[5]。