基于动态测量的煤矿地表开采沉降观测研究

朱天宇

摘 要：在煤炭开采的过程中地表部分会受到采掘活动的影响而出现沉降现象，进而给地面构筑物的整体结构安全带来较大的风险隐患，因此必须要加强煤矿地表开采沉降观测。观测人员应积极应用动态测量等先进的测量技术，合理选择测量设备，充分利用各种软件系统来提高数据处理能力，从而准确掌握沉降变化情况，保证煤矿以及周边地区的人员和财产安全。

关键词：动态测量;煤矿开采;地表沉降;观测研究

1 引言

煤炭是我国的重要能源基础，但是在煤矿开采的过程中由于受煤层条件以及开采技术等多种印度的影响，在地表部分往往会产生沉降现象，而一旦沉降量超过允许的范围时就会对其地面各种构筑物造成较大的影响，因此必须高度重视煤矿开采过程中的沉降观测工作。观测人员应根据煤矿开采的环境以及作业特点，合理布设观测点，并积极应用先进的观测设备对沉降情况进行动态测量，同时还要对观测数据进行科学的处理分析，以便准确掌握沉降规律，从而为煤矿的生产作业以及周边区域社会经济生活的正常开展提供更加可靠的安全保障。

2 煤矿地表开采沉降观测中的动态测量

2.1 概述动态测量涵义

所谓动态测量主要指的是其测量研究对象将随着时间的变化而产生值域范围的变化，或者测量研究对象在时间维度上的值域虽然是相对固定的，不过其在空间维度上存在变化，因此需要通过测量技术来对其进行动态测量分析。此外，即使测量对象在空间以及时间维度上的值域均为恒定，但其测量系统信号存在变化时，也需要采用相应的测量技术来进行观测分析。当测量研究对象满足以上条件中的1个时，就可以被成为动态测量[1]。因此动态测量的主要特征就是测量系统是在运动条件下进行测量的。在动态测量中通常需要测量目标的几何量，而空间参数能够使几何量数据的处理更加合理便捷，所以动态测量表现出时空性特征。同时在动态测量的过程中瓦岗位会受到各种外界因素的影响，因此测量数据结果往往表现为随机函数形式。而动态测量由于是在运动条件下进行数据采集，所以测量数据不仅和其现时状态具有关联性，与其前后状态变化也密切相关。此外，由于动态测量始终处在一个相对运动状态下，并要通过相关的数学方式来描述测量结果与测量状态之间的关系，因此动态测量也具有动态性特征。

2.2 常用的动态测量技术设备

在煤矿地表开采沉降观测中，动态测量已经得到了广泛的应由。而随着测量技术的不断发展，动态测量技术设备的类型越来越多元化，较好的适应了不同应用场景的动态测量要求。在煤矿地表开采沉降观测实践中，GPS、全站仪、激光跟踪仪以及数字摄影等技术设备是目前比较常用的大范围动态测量仪器。其中数字摄测技术能够对10m范围煤进行较为精确的测量，其测量精度在1/10万左右，该类型设备比较便于携带，且能够在非接触条件下完成高精度的批量测量，但是其单次测量范围相对较小，在施测过程中比较容易受到环境因素的影响。GPS动态测量技术能够快速完成多任务的动态测量工作，但是其在施测过程中为了保证发射器的稳定性，对交会角度有一定的要求[2]。而全站仪测量技术虽然能够对较大范围进行动态测量，但该技术设备的自动化程度相对较低。与以上动态测量技术设备相比，激光跟踪仪不仅具有较高的测量精度和动态性能，而且受外界因素的影响也比较小，因此在煤矿地表开采沉降观测中被广泛应用。

3 煤矿地表开采沉降观测中动态测量的实践应用

3.1 某煤矿基本情况

某煤矿主要采用的是走向长臂采煤方式，其作业面宽度为160m，长度为600m，煤层平均厚度为2.4m，而地面标高在+20m到+23m左右。在开采区域上方有公路以及农田存在，且临近区域有零散民居存在。根据该煤矿的实际情况，在该基于动态测量的煤矿地表开采沉降观测中采用动态测量方式，并利用激光跟踪仪等测量设备作为主要观测仪器。

3.2 合理布设观测点

在本次基于动态测量的煤矿地表开采沉降的动态测量中，近井点的导入采用的是三等国家高程控制点，且埋深应控制在0.5m左右，以保证基点可靠稳定且能够满足测量精度要求。由于该煤矿具有采深较大的特点，云南次在布设观测点时应采取等距布设方法，且观测点间距应控制在40m左右。布设指应沿作业面走向布设观测点12个，观测线1条，并要其倾向方向上设置观测线5条，在各观测线上还应设点6个，以确保沉降观测全面准确。

3.3 沉降观测数据的处理分析

该煤矿在一年的回采过程中对地面沉降进行了持续性的动态测量，采集了大量沉降变化观测数据。通过对观测数据的初步分析发现，初次来压发生在作业面开始采掘作业后的约12d。在经过了11个月左右的开采作业后，推进总长度为700m左右，而在此期间沉降量累积值为560mm左右。工作人员进一步采用Origin等数据分析软件来对各观测点所获取的数据信息进行分析处理。在计算分析过程中，将+20m作为地表高程值以便于计算。工作人员在分析软件系统内输入所有观测数据，有软件系统根据预设公式来完成观测区域对应坐标等的计算，并自动进行坐标图以及3D沉降视图的绘制。通过三维视图可以直观的发现在V11点位置的沉降值最大，因此对其对应煤层进行调查分析，发生该处煤层存在DF111正断层1处，其倾角达到53o左右，且高差约为6m，因此导致该点沉降明显。

3.4 该煤矿地表开采沉降观测动态测量结果

通过对该煤矿开采过程中沉降量的动态测量发现，由于其沉降量的最大值已经超过了560mm，明显超出相关规范的技术标准，因此其导致地表建筑发生坍塌以及开裂风险的几率较高，所以应对作业面上方对应位置的构筑物采取加固甚至搬迁措施，以确保其结构安全，避免造成人员和财产的重大损失[3]。同時在该煤矿的开采过程中，随着采掘作业的不断推进，所有观测点所测得的沉降量值均出现了相应增加的情况，其中沉降量在开采初期的增加比较明显，之后沉降差出现了逐步缩小的现象，且沉降变形呈现了日趋稳定的趋势。通过对该煤矿基于动态测量的煤矿地表开采总体沉降情况的动态测量可以得知，断层是影响沉降总量的重要因素，所有在煤矿开采以及沉降分析中都必须高度重视断层这一要素。在动态测量技术的实践中，观测人员需充分结合监测范围以及煤矿开采的实际情况来合理选择观测设备，这样才能充分发挥动态测量技术的应有的作用。此外，通过对基于动态测量的煤矿地表开采沉降的动态测量实践发现，通过应用激光追踪仪等相关动态测量技术设备能够有效提高数据采集的全面性和准确性，从而为后续的分析研究提供了可靠的数据基础。而动态测量技术的配套软件系统能够自动完成三维视图的构建，对地表沉降情况进行可视化呈现，不仅减轻了工作人员的劳动强度，而且能够为煤矿的沉降控制以及地质灾害的防治等提供更加全面直观的参考依据。

4 结语

煤矿地表开采沉降观测是保证煤矿以及其周边地区地面建筑以及各种构筑物安全的重要关节，因此在沉降观测中应积极应用动态测量等先进的观测技术，合理布设观测点，确保数据采集的全面性和准确性。同时工作人员还应利用相关的数据处理软件系统对观测数据进行科学的分析和判断，以准确掌握沉降规律，并为沉降控制等提供可靠的参考依据，从而防止沉降超限而诱发地质灾害，促进我国煤矿开采的可持续发展。

参考文献：

[1]薛红杰.煤矿开采地面沉陷变形预测及防治对策[J].能源与节能，2020（3）：14-17.

[2]陈二龙.基于动态测量的煤矿地表开采沉降观测研究[J].煤矿现代化，2019（4）：140-142.

[3]陈智.动态测量在矿井地表开采沉降观测中的应用[J].中国金属通报，2018（4）：149+151.