随着科技的发展,测绘技术逐渐趋于完善,设备仪器持续更新,有效弥补了传统测绘技术方法的不足。例如,卫星遥感、全球定位系统等观测技术,取得明显成效,再比如,以计算机等技术为基础的地理信息系统的应用,能为测绘信息的收集、分析、管理提供更多便利。 智能化、信息化、自动化已成为测绘技术的主要发展趋势。 矿山开采是矿业生产的关键一环,也是技术性、专业性较强的工作。 测绘新技术的应用为测量仪器开辟了智能化发展路径,测绘新技术也为矿山相关工作提供了有力帮助,通过应用测绘新技术,能为矿山安全生产提供保障,进一步提高生产效能。
1 矿山开采沉陷定量评估指标
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采矿区时,相关作业持续进行,必然会对岩体和地表产生一定影响,导致岩体移动,使地表受到程度不一的破坏。 因此,受开采影响的地表会发生沉降,在采空区形成较大的沉陷区域。 形成沉陷区域后,原有的地表形态会发生明显变化,导致地表标高、水平位置产生变化,对变化情况进行描述,可形成相应的评估指标,如水平移动、下沉、倾斜等[1] 。地表移动观测是测绘工作的重要一环,主要内容为坐标分析、高程检测及裂缝检测等。 要重视检测工作,准确计算,比如测点下沉速度、测点的水平移动距离及变形、垂直面中测点的移动距离、平面中测点的移动向量及空间和坐标方位,结合地形图、地质断面图进行检测[2] ,如图 1 所示。 以上指标均能实现对地表移动规律的定性定量分析,能够为沉陷预计工作提供重要依据,对保证检测数据的准确性、可靠性具有重要作用。开展测量工作的过程中,要借助先进的技术方法,获取地表点的沉陷数据,并绘制相应的定量指标曲线,进而有效预测和估计沉降规律,为安全生产作业提供指导。
图 1 煤层沉陷图
2 矿山开采沉陷测量主要内容
2. 1 地面平面、高程控制检测
工作人员首先应建立矿区地面平面控制网,结合矿区实际,合理选择布网方式,建立控制网。 可供选择的方法较多,应结合实际进行合理选择[3] 。 另外,在建立首级平面控制网时,应充分考虑长远发展因素,按照相关规范标准进行合理设置,结合矿区走向长度明确等级,具体如表 1 所示。
表 1 矿区平面控制网等级
建立矿区地面高程控制网时,通常要采用水准测量和三角高程等测量方法。 水准测量主要指采用水准设备检测两点之间的垂直高度,适用于地形地势相对平坦区域,测量精度较高;三角高程是应用频率较高的一类检测方法,在山区、丘陵等地形高程控制及平面控制网高程检测中的应用价值较高。 目前,地面高程控制网的建立多采用水准测量方法,详细范围及等级见表 2。
表 2 矿区高程控制网等级
2. 2 地上地下平面、高程检测
开展测量工作时,需要保证地面上下平面坐标系统契合高程系统,对二者进行共同检测。 多数情况下,需要认知斜井等检测相关指标,在地上完成测量后,将获取的数据信息传至地下。 为了减少误差,应借助先进的仪器设备对井口部位实施定向检测[4] 。
2. 3 矿区地下平面及高程控制测量
地下平面控制的主要内容为基本控制与采区控制。 两种控制导线都要布设为闭合导线或复测支导线。 应严格按照相关技术指标选择基本导线控制,进行规范操作,保证测量结果的准确。
2. 4 矿区施工检测
矿区工程施工涵盖诸多内容和分工程,如建筑施工、井巷施工及露天矿工程等。 在施工建设时,施工人员应严格按照各类图纸、设计等要求,在现场明确工程的设计位置,并做好检测工作。 在进行具体测量前,工作人员应做好准备工作,充分了解设计图纸的信息内容,做好数据信息的计算和核实工作,保证图纸的坐标、几何关系等符合现场实际,发现不符时应及时进行调整和处理[5] 。
2. 5 矿区地上地下地形测量
在地形测量前,相关工作人员应结合实际,绘制相应的地形图,并对相关地物等进行明确标注,做好相关图纸的绘制工作,明确地表及地下横纵断面情况、分采或其他工作面的局部采掘施工情况等,通过绘制图纸,定期更新数据信息,及时汇总到施工平面图上。
2. 6 矿区地表沉陷的监测
地表沉陷监测是十分重要的工作,对专业技术水平要求较高,因此要积极采用先进的仪器设备和技术手段,主要监测内容为地表、周围道路及建筑物的移动变形情况,基于测量结果,对其变化规律进行定性定量分析,在此基础上制订设计方案,明确开采沉陷工程测绘工作的重点。 如今,工程研究方法以实地勘察为主,对岩土及建筑物上不同测点在不同时段的空间部位进行检测[6] 。 工程测量的主要目的是借助先进的测绘仪器设备及相关技术方法,明确测点的空间部位,将其转化为数据,或者直观地体现在图纸中。
3 矿山沉陷区测量工作的主要内容
近年来,社会经济飞速发展,人们生产、生活对煤炭资源的需求量明显增加,这导致矿山的开采强度大大提高,开采工作的深入导致地表松动,对原有的地形地貌造成了严重破坏,进而引发大范围沉陷,为解决这一问题,做好地表移动预计的研究工作具有重要意义。由开采沉陷导致地表、岩层的变化过程具有一定的复杂性,是一种多因素共同作用引发的结果,如当地的地质环境、水文条件、开采条件等。 为充分了解这 一 过程,主要方法是在现场建立相应的观测站,进行实地监测。
3. 1 沉陷区平面及高程控制测量
在对沉陷区平面及高程控制测量的过程中,工作人员应全面收集测量区域及周围已有检测结果及图纸信息等,全面了解检测范围的实际情况,如交通情况、物资供应、地质条件、气候情况等。 利用获取的测量区域地形图、控制站点图等,做好现场的勘查工作。 工作人员应严格遵守相关的技术规范与标准,明确工程设计意图,了解控制网的精度需要,在此基础上制订布网方案,全面掌握检测区域的地形条件,在图纸中绘制图形网络结构。 选点埋石要选择通视条件良好、交通便利、地基稳定性强及可长期保存的地点。在测量过程中,要结合矿区地面情况,建立可靠的控制点,并根据测量工作要求,将观测站的测量点应用于沉陷区域,做好观测线交点的检测工作,同时注意对其他控制点平面坐标及高程的检测。 观测站要建立与地面控制网的联系,完成测量后,对不同测点进行开采前的再次全面观测。
3. 2 沉陷区地表移动观测站的测量
首先,明确移动观测站的设计原则。 为了实现对区域的全面分析,应设置相应的网状观测站。 设置移动观测站时,通常可设置走向观测线和倾斜观测线,二者处于垂直相交状态。 例如,当回采工作面的走向长度>1. 4H0+50m( H0 表示平均开采深度) 时,可以设置2 条倾斜观测线,但要严格控制距离在 50m 以上。 为进一步明确开采沉陷的预计参数、角度参数等,保证获取观测结果的可靠性、精准性、代表性,地表移动观测站的设计应遵循下述原则:①观测线需要设置在地表移动盆地的主断面上;②观测站的布设区域应避免在971运行过程中受到周围开采作业的影响;③观测线的长度应大于地表移动盆地的范围;④观测线的测点应具备一定的密度;⑤控制点需要设置在移动盆地范围之外,确保其埋设牢固。地表移动观测站的主要设计目标是进一步明确各测线的具体情况。 多数情况下,开采工作面前或工作面开采任务已完成,但并未涉及观测线,需要在图纸中进行标注,明确观测站的标定位置。 利用矿区内的等级控制点,充分结合设计角度、边长等参数,借助全站仪标定观测线的控制点,还要注意标注其他观测线交点,最后按照相应顺序明确各测点的具体位置。其次,观测地表移动观测站。 ①连接检测。 完成观测站测点的埋设工作,在进行开采作业前,为进一步了解站点和工作面之间的位置关系,工作人员仍需要做好检测工作,主要检测观测站控制点和控制网之间的部位,明确控制点平面坐标、高程等参数。 工作人员至少要进行 2 次检测,每次独立完成,还要注意误差问题,使点位误差不超过 7mm。 在具体的测量过程中,采用角交会、边交会、导线测量及 GPS 等多种技术手段。其中,GPS 定位系统是目前常用的一种测量方法,原理为将围绕地球运动的某颗卫星在某一时刻的空间部位作为已知测量位置,之后让多个卫星共同参与,准确测定测点的三维坐标。 该项技术适用于地表监测点位移变化的测量,以了解监测点的空间分布情况及三维坐标的变化情况。 对高程连接测量而言,应满足高于三等水准测量精度要求,保证测量结果的准确性。 ②全面测量。 在对工作面进行开采前,做好检测工作十分必要,以全面检测为主要方法,通常在施工前 10d 进行,同样要进行 2 次独立检测,每次检测的间隔时间不可超过 5d。 对限差问题而言,严格控制同一点的坐标与高程差。 全面检测涉及的内容繁多,工作量较大,应加以重视,例如测点的高程、不同测点的距离 等。 另外,还需要做好地表特征情况的记录工作。 ③高程检测。 以观测站控制点为基础,将三等水准测量的要求作为依据。 当站的两侧均有控制点,要做好符合水准的测量工作;如果只有一端有控制点,通常要对往返水准进行测量。 经平差后得到不同测点的高程。 如果观测站的地形条件较复杂,可采用三角高程或 GPS 定位进行测量。 采用钢尺进行过往距离测量,精度较低、效率低下,而采用全站仪或 GPS 能直接获得不同测点的平面位置与高程,通过平面坐标计算,明确各测点的支距及相邻测点的距离。 ④日常测量。 主要内容为巡视检测、加密水准检测、地表特征检测等。 主要目的在于明确开采活动对观测站的影响情况、地表位移的稳定性等,是全面检测的基础。 加密水准测量需要结合地表移动情况展开,通常下 1 ~ 3 个月进行 1 次,地表移动活跃期需要增加测量频次。 最后,虽然测绘新技术的应用能够帮助工作人员了解地表移动规律及相关参数,但监测方法仍存在一定不足,如水准测量的工作量较大、成本较高、容易受到地表的影响、难以实现实时监测,或 GPS 技 术 难 以 充 分 体 现 整 体 区 域 的 形 变 特征,因此还需要进一步加强研究。
4 结语
综上所述,测绘新技术在矿区开采沉陷预测中具有极高的应用价值。 测绘工作的重点在于明确沉陷预测的相关参数,应加强对新技术、新设备的应用,建立控制网及移动观测站,帮助获取参数。 通过定期开展观测工作,认真考虑工作面布设、采煤方法等因素,获得该区域地表和岩层移动的预计方法及参数,进而了解地表移动规律,为矿区的安全有序开采提供保障。
参考文献:
[1] 寸议存,姚博. 基于矿山开采沉陷测量地质的三维仿真系统建 构 [ J] . 测 绘 与 空 间 地 理 信 息,2021,44 ( 11 ) :165-168.
[2] 陈宗玥. 基于 ArcGIS 的矿山开采沉陷遥感变化监测方法[ J] . 经纬天地,2021(05) :89-92.
[3] 涂勇,万昕. 现代测绘技术在矿山开采沉陷中的应用[ J] . 世界
有色金属,2018(07) :37+39.
[4] 翟栋,张萍. 基于无人机倾斜摄影的矿山开采沉陷监测研究[ J] . 能源与环保,2021,43(08) :131-136.
[5] 桂阿娟. D-InSAR 技术和支持向量机算法在矿山开采沉陷监测与预计中的应用可行性研究[ J] . 山东农业大学学报( 自然科学版) ,2020,51(01) :159-162.
[6] 张献伟,刘卫军,石磊. 3S 技术在矿山开采沉陷区中的应用[ J] . 世界有色金属,2020(09) :243-244.
作者简介:
孙祥 (1988-) , 男, 山东邹城人, 本科, 工程师, 从事工程测量工作。
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编辑：中冶有色技术网
来源：山东兖矿设计咨询有限公司
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