经验谈矿山开采沉陷过程中测绘技术的重要性

　　摘要:矿山测量是矿业开发过程中一项重要的基础性技术工作,它贯穿于整个矿山开采过程的始终。现代测绘技术的发展,推动了测量仪器向智能化方向发展,同时现代测绘技术为矿山测量工作提供了有力的帮助。而利用现代先进的测绘技术来指导矿山的安全生产是一个重要的环节,更为矿山开采的安全生产提供了有力的保证。
　　关键词:矿山测量;开采沉陷;地表移动;沉陷监测;沉陷参数
　　随着电子技术和激光技术的发展,光电结合型的测绘仪器(如测距仪、全站仪、陀螺仪)对传统的测绘方法产生了深刻的影响。以卫星遥感、全球定位系统为代表的空间对地观测技术在测绘科学中的应用日趋成熟,以计算机技术、系统科学为基础的地理信息系统的出现和应用为多源测绘信息的获取、分析、管理、处理及其应用提供了有力的技术支持,自动化、智能化的测绘系统已处于研究之中。
　　1、矿山开采沉陷定量评估指标
　　当矿区开采工作进行到一定的阶段,逐步由岩体的移动和破坏波及地表,使受采动影响的地表沉降,从而在采空区上方形成一个比采空区大得多的沉陷区域。沉陷区域改变了原有的地表形态,引起地表标高、水平位置发生变化,常用的定量表述这种变化的指标有下沉、水平移动、倾斜、曲率、水平变形。地表移动观测期的观测应包括平面坐标、高程、距离和裂缝测量等,通过测量工作可以计算下列数据:测点的下沉w和下沉速度v,测点的水平移动u和点间的水平变形ε,测点在垂直面内的移动向量W;测点在平面上的移动向量U、空间的移动向量Uw和坐标方位角α;可以得到观测区域地形图,观测线地质断面图,观测线垂直下沉曲线图,观测点水平移动与水平变形曲线图,观测点在垂直面内的移动向量图。
　　上述几个定量分析地表移动规律的指标是进行地表沉陷预计理论的基础,而它又是建立在测
　　量数据准确性的基础上。对于测量工作来说,主要是运用测量的手段获取地表点的沉陷数据绘制出这些定量指标曲线,从而更好地预测和估计沉陷规律,指导矿山开采工作。
　　2、矿山开采沉陷过程中的测量工作
　　2.1矿区地面平面、高程控制测量
　　矿区地面平面控制网可采用三角网、边角网、测边网和导线网等布网方法建立。矿区首级平面控制网必须考虑矿区远景发展的需要,一般在国家一、二等平面控制网基础上布设,其等级应依矿区走向长度参照表1选定。
　　
　　矿区地面高程控制网可采用水准测量和三角高程测量方法建立。水准测量主要用于较平坦的地区而且测量精度高,三角高程测量主要用于山区和丘陵地带的高程控制和平面控制网点的高程测定。矿区地面高程首级控制网,一般应采用水准测量方法建立,其布设范围和等级选择应符合表2的规定。
　　
　　2.2矿区地上地下平面、高程联系测量
　　为了使地上、地下采用统一的平面坐标系统和高程系统,应进行联系测量。通过斜井或平硐
　　的联系测量,从而把地上的坐标和高程数据传递到地下;同时为了减少投点误差,通常在井口处采用陀螺经纬仪进行定向测量。
　　2.3矿区地下平面、高程控制测量
　　地下平面控制分为基本控制和采区控制2类。这2类控制导线都应布设成闭(附)合导线或复测支导线。基本控制导线的主要技术指标参照表3选定。采区控制导线的主要技术指标参照表4选定。
　　2.4矿区施工测量
　　地面建(构)筑物和井巷、露天矿工程施工中,应根据已批准的各种施工设计图纸资料,将施工
　　工程的设计位置标定于现场,并进行检查测量。在施工测量前,应熟悉设计图纸,验算与测量有关的数据,核对图上的平面坐标和高程系统、几何关系及设计与现场是否相符等。
　　
　　2.5矿区地上地下地形测量
　　可根据实际需要绘制矿区1∶500、1∶1000或1∶2000的地形图并加注各种地物及其他注记,绘制地表和地下的横、纵断面图,以及分采或分工作面的局部采掘工程平面图,及时填图并定期将图上资料转绘到分层采掘工程平面图上。
　　2.6矿区地表沉陷的监测
　　开采沉陷监测,采用工程测量上常用的仪器、方法和技术实时监测地表、道路及其建(构)筑物
　　上出现的移动变形,据此研究其定性、定量规律并提出开采沉陷预计方法,这是矿山开采沉陷工程中常用的方法。矿山开采沉陷工程的重要研究方法之一是现场实地监测,测定岩土及其建(构)筑物上各测点在不同时刻的空间位置。而工程测量的目的和任务就是以测绘仪器和方法为手段,确定测点的空间位置并将其表示成数据形式或描绘在图纸上。
　　3、矿山沉陷区测量的实施
　　由于矿山开采强度的增加,引起地表松动进而破坏地表原有的地貌,引发大面积的沉陷,这就
　　迫切地要求开展地表移动预计的研究工作。矿山开采沉陷引起的岩层和地表移动的过程非常复杂,它是地质条件、水文条件、开采条件、地形条件等多种因素综合影响的结果。要认识这一复杂过程,主要的手段是在现场设立观测站进行实地观测。
　　3.1沉陷区平面、高程控制测量
　　广泛收集测区及其附近已有的控制测量成果和地形图资料,了解测区的行政划分、社会治安、
　　交通运输、物资供应、风俗习惯、气象、地质情况,并携带收集的测区地形图、控制展点图、点之记等资料到现场踏勘。按照矿山测量相应的规程规范,根据工程设计意图及其对控制网的精度要求,拟定合理的布网方案,利用测区地形地物特点在图上设计一个图形结构强的网。在通视良好、交通方便、地基稳定且能长期保存的地方进行选点埋石工作。
　　根据矿区地面建立的控制点,按矿区测量的要求向沉陷区域引观测站测量点,并测定观测线
　　交点或某一个控制点的平面坐标和高程。观测站与地面控制网连测后,应对观测站的各测点进行开采前的最初2次全面观测。
　　3.2沉陷区地表移动观测站的监测
　　3.2.1地表移动观测站的布设原则
　　为详细研究整个移动盆地,可设置网状观测站。地表移动观测站,一般可设走向观测线和倾
　　斜观测线各一条,二者应垂直相交,如回采工作面的走向长度大于1.4H0+50m(式中H0为平均开采深度),亦可设置2条倾斜观测线,但至少应相距50m,并且应距开切眼或停采线0.7H以上。为了确定开采沉陷的预计参数和角度参数,获得准确、可靠、有代表性的观测资料,在地表移动观测站的布设中,应遵循以下原则:
　　1)观测线应设在地表移动盆地的主断面上;
　　2)设站地区在观测期间不受邻近开采的影响;
　　3)观测线的长度要大于地表移动盆地的范围;
　　4)观测线上的测点应有一定的密度;
　　5)观测站的控制点要设在移动盆地范围之外,埋设要牢固。
　　地表移动观测站设计的目的就是要确定各观测线的位置和长度。通常在工作面回采之前,或
　　者工作面虽已回采,但还未波及观测线,需要将在图纸上设计好的观测站标定于实地。利用矿区内的等级控制点,根据设计的角度和边长,利用全站仪,首先标定观测线的控制点和走向观测线与倾向观测线的交点,然后依次标定其他各个测点的位置。
　　3.2.2地表移动观测站的观测过程
　　连接测量。在观测站各测点埋设好并固结后,在未被采动之前,为了确定观测站与工作面之
　　间的相互位置关系,需要将观测站的某一控制点与矿区控制网之间进行连接测量,以确定该观测站控制点的平面坐标和高程。连接测量需独立进行2次,平面连接测量的点位误差应小于7mm,采用边交会、角交会、边角交会、导线测量和GPS测量进行。高程连接测量应以不低于三等水准测量的精度要求进行。
　　全面测量。在工作面开采前10～15d,应对工作点进行全面观测,要求是:独立观测2次,2次
　　观测时间间隔小于5d。限差是同一点坐标、高程差小于10mm。全面测量一般包括测点的高程测量、各测点间的距离测量、各测点偏离观测线方向的支距测量和地表特征状况记录与素描。高程测量可直接从观测站控制点开始,按三等水准测量的精度要求进行。若观测站两端有控制点,可进行附合水准测量;若只有一端有控制点,则需进行往返水准测量(或闭合水准测量),经平差后求得各测点的高程。当观测站地形起伏较大时,可进行三角高程测量或GPS定位测量。距离测量用钢尺测距离,不仅精度达不到要求而且费时费力,而利用全站仪或GPS直接测定出各测点的平面位置和高程,通过平面坐标反算,确定各测点的支距和相邻测点之间的距离。日常观测一般包括巡视测量,加密水准测量及地表变化特征的素描、摄影等。巡视测量的目的就是确定观测站是否受到开采的影响,地表移动是否稳定,地表移动的剧烈程度等,为全面观测和加密水准测量提供依据。加密水准测量(或重复测量)视地表移动速度而定,一般每隔1～3个月进行一次,在地表移动活跃期,应增加水准测量的次数。
　　4、结语
　　矿山开采沉陷中的关键工作是如何确定开采沉陷的预计参数,而利用智能的测量仪器和先进
　　的测绘技术布设矿区控制网并建立地表移动观测站,是获取开采沉陷参数的重要依据。通过建立地表移动观测站定期观测,再考虑工作面的布置和采煤方法等若干细节的影响,寻求该地区地表与岩层移动的预计方法和参数,掌握地表移动规律是很有必要的,而现代测绘技术在矿山的开采过程中发挥了不可替代的作用。