矿井沉降测量方案优化设计与应用研究

2022-08-03李周杰

山西冶金 2022年3期

李周杰

（晋能控股煤业集团大斗沟煤业有限公司，山西大同 037000）

随着对井下煤炭资源的不断开采，由于采煤活动而引发的地表沉降问题日益突出，山西某煤矿在开采期间，为了确保井下的安全性，对地表沉降情况进行实时监测，根据测量结果制定可行的控制方案[1-3]。矿区目前主要采用水准仪来进行地表沉降监测及测量，这种方法的测量精度高，但监测范围小、效率低，不能对整个矿区进行监测[4]。因此，提出一种优化的扫描仪地表沉降测量方案。

1 地质概况

山西某矿的矿井核定年生产能力为8.0 Mt，现开采的3 号煤层厚度为8.27～10.41 m，平均厚度为9.13 m。在开采煤层时，采用长壁综合化机械采煤方法，管理顶板采用全部垮落方法[5-6]，工作面在走向方向上的长度为4 313.3 m，在倾向方向上的长度为299.1 m。由于开采工作面上覆的岩层较厚，岩体主要由砂岩和粉砂岩组成，局部夹杂少量的泥岩和冲积物，在开采过程中，由于岩体结构松散，岩体力学性质不均匀，极易发生地表沉陷。

2 测量方案

为了精确测量矿井的地表沉降效果，在进行测量时，采用具有自动定位和激光云扫描功能的三维激光扫描全站仪[7-8]，将测量数据进行存储、拼接等处理后，直接上传云端进行自动处理。三维激光扫描全站仪使用的传感器扫描范围能达到2 km，扫描速度最大为1 200 点/s，可以很好地将扫描速度、扫描距离和扫描精度有机地结合在一起。

根据矿井的沉降测量要求，在测量区域内设定三个控制基准点。在矿井与运输公路的交叉口设置第一个基准点，便于进行联合测量；在测量区域相邻的未沉降处设置第二和第三个基准点，便于架设设备，进而进行测量。三个控制基准点之间布设地表沉降测量线，在布设测线时，走向和倾斜观测线各布设1 条，确保测线垂直或平行于煤层走向，其中，倾向观测线布设在浅部开采区域超出工作面200～300 m 处，及深部开采区域超出工作面400～600 m 处。在测量线上每隔30 m 布设一个测量点，此次测量共布设5 条走向观测线，4 条倾向观测线，设计测量点约600 个，观测点布置示意图如图1 所示。为了提高沉降测量的精度和效率，同时采用外业测量和内业测量[9-11]。

图1 观测点布置示意图

2.1 外业测量

在第二、三个控制基准点上安装三维激光扫描全站仪，从外侧向内侧对扫描区域进行沉降监测扫描，这样可以对沉降区域进行全面扫描，利用云端对数据进行整合。由于扫描的距离远，在实际测量时，测量精度会受到影响，按照布设的测量路线，沿工作面走向和倾向方向，测量地表的坐标和高程数据，在测量的过程中，测量点可以与测量方向有一点偏差，但需确保误差在10 m 以内，在过煤层边界煤柱和采区煤柱时，在煤柱两侧150 m 内加大测量点。

2.2 内业测量

依据航空测量的地形图，对其进行扫描、纠正和拼接，得到底表电子底图[12]。按照实际测量点位，在电子底图上量取地面的原始高程，与实际测量高程进行对比，计算出高程差值，即为地表沉降量。地表沉降的沉降量计算数据如下页表1 所示。

表1 沉降量数据统计表

为了尽可能减小测量误差，消除人为地表扰动的影响，在计算出的地表沉降量中取3～4 个最大沉降量，再取平均值后得到最大沉降量，并计算沉降系数[13]，其公式为：

式中：W0是采动条件下地表最大沉降值；m 是煤层开采厚度。

由公式可以看出，沉降系数与沉降的最大沉降量和煤层开采厚度有关。

3 成果分析

通过分析，在某煤矿内布设9 条测量剖面线，总长为17.9 km，施工测量点559 个，测点的平均沉降量为5.98 m，地表沉降量分布如图2 所示。

图2 地表沉降量分布图

在矿井充分采动后，地表的沉降系数为0.8～0.9，受上覆煤层的影响，开采工作面的深部地表仍然处于移动期，沉降系数为0.2～0.4，符合地表沉降规律。根据沉降等值线分布情况，对比井下采煤厚度以及保护煤柱数据，东翼采区地表出现两个不相连的塌陷坑，面积分别为0.493 km2和0.285 km2，地表沉降主要集中在煤层等高线300～400 m 处，沉降量为11～18 m，煤层厚度为12～20 m，沉降系数为0.53～0.98，最大沉降量为19 m。西翼采区地表沉降主要集中在煤层等高线300～450 m 处，沉降量为12～19 m，煤层厚度为12～20 m时，沉降系数为0.88～1.03，最大沉降量为20 m。

根据测量线的沉降数据可以看出，在工作面深部区域，地表的沉降量和沉降系数在逐步减小，保护煤柱地表沉降量未发生明显变化。在采煤厚度为3～10 m时，地表沉降量变化较小。