南水北调总干渠通过煤矿采空区变形监测方法

□郑保华（河南省豫北水利工程管理局）

一、概况

南水北调中线工程一期总干渠唯一穿越的市区段，位于焦作市区中南部，是城市空间由北向南拓展的衔接过渡地区，是焦作未来城市中心区的重要组成部分。

南水北调中线工程一期总干渠通过焦作煤矿区。

焦作矿区位于太行山东南侧山前倾斜平原，总体上地势西北高、东南低，属于冲洪积裾，地面高程90～150m。区内原始地形起伏较小，地势相对平缓，后因地下采煤，形成许多地表移动盆地，盆地边缘与中心处的最大高差可达8～9m之多。

焦作矿区分布范围广，地表变形大，道路两侧的煤矿开采逼近断裂层，形成渠道两侧均毗邻煤矿采空区，最终比选方案基本避开了采空区，但仍有三段距采空区较近。南水北调中线工程一期总干渠从焦作市东南的墙南村北进入焦作煤矿区，于中州铝厂东北出煤矿区，矿区内渠线长约30km。

采煤会在地下形成采空区。采空区达到一定程度时，上方岩层原有的平衡状态便被打破，产生冒落、断裂和弯曲等一系列变形与破坏，使地表产生沉降和变形，形成地表移动盆地。由于地下采空区具有隐伏性强、空间分布特征规律性差、采空区顶板冒落、塌陷情况难以预测等特点，因此，如何对地下采空区的分布范围、空间形态特征和采空区的冒落状况等进行量化评判，一直是困扰工程技术人员进行采空区潜在危害性评价及合理确定采空区处治对策的关键技术难题。采空区上地表移动盆地的稳定问题，是南水北调中线工程一期总干渠通过焦作煤矿区需要解决的问题，它决定了总干渠渠道的布置，直接影响着工程的安全和投资。

二、工作目的和意义

采空区稳定问题是南水北调中线一期总干渠的重大工程技术问题之一，其中河南省境内焦作矿区段涉及煤矿采空区问题。焦作段经过大量技术经济论证工作，渠道基本避开了煤矿采空区，但仍有部分采空区距总干渠较近。

通过建立专用变形监测系统，监测采空区在施工前、施工期、运行初期的变形情况，后续采用多种方法包括数值模拟计算与仿真技术，评价总干渠沿线下伏采空区的稳定性，判断采空区对总干渠渠道及建筑物的影响并预测发展趋势，为采空区段工程优化设计、施工、工程运行管理提供可靠的技术依据。

三、基本技术路线和监测内容

（一）基本技术路线

根据有关规程规范和技术规定要求，结合本项目变形监测的特点，拟采用GPS对地表水平位移进行监测(三等平面)，利用精密数字水准仪进行垂直位移观测(二等水准)，同时深层埋设多点位移计和测斜仪对采空区现状岩层变形进行原型监测，对变形位移数据进行比较分析，取得现状第一手资料。

根据焦作煤矿区段开采煤层的埋藏深度，结合同类工程的观测经验，变形监测网点开始时期观测适当稠密，以后观测过程中，根据变形量的变化情况、变形精度以及遇到的特殊因素，可适当增加或减少观测次数。

根据变形监测批次提交的数据成果，对取得的变形监测数据进行分析研究，找出变形体的变化规律，预测变形体的整体发展趋势，并应用GIS手段，建立采空区三维空间DEM模型，系统研究采空区造成地表变形的平面范围、深度及变形规律，分析出地基岩层、地下水位变化和采空区现状及变形规律，为建立仿真计算模型提供现状边界条件。结合可靠性分析和随机分析方法，对影响总干渠稳定性的主要因素采用随机抽样和蒙特卡洛方法进行研究，从而确定岩土体变形及其对总干渠影响趋于稳定的标准。

（二）监测内容

监测内容包括水平位移监测、垂直位移监测和岩体内部变形监测等。每期监测工作结束后，要及时检查外业监测成果，进行内业数据预处理，最终进行精处理，验算各项限差，并进行精度统计。

四、监测线、监测点的布点原则

监测线结合总干渠渠道的工程布置，结合矿层走向、开采方法及上覆地层产状，宜平行和垂直煤矿层走向成直线布置，其长度应超过地表移动变形的范围。其中，垂直矿层走向的观测线，宜设置在移动盆地的倾斜主断面上，观测线的条数应根据实际情况确定。

观测线上观测点的间距，应大致相等，根据焦作煤矿区渠段的煤层开采深度，结合总干渠工程特点，同时参考同类工程经验，观测点间距按100～200m。观测地表变形的同时，应观测地表裂缝、陷坑等的变形情况。

五、监测网设计精度

根据《工程测量规范》（GB50026-2007），结合本工程特点，参考同类工程经验，拟选定变形监测网平面等级为三等(相邻基准点点位中误差≤6.0mm边长相对中误差≤1/80000)、垂直等级为二等(相邻基准点高差中误差≤1.0mm)。

六、监测点的埋设

变形监测网点根据需要分为基准点和变形监测点两级布设，基准点宜选在变形影响区域之外稳定可靠的位置，变形监测点宜选择在变化幅度及变形速率大并具有代表性的部位。

平面位移监测点使用带强制归心装置的观测装置，观测墩外敷无缝钢管，标志下设4根阻滑桩，表面为八角观测平台，内部钢筋连成一体以增加稳定性，防止外力干扰；垂直位移变形监测点埋设于地面0.5m以下耕地中。由于变形监测点遭到破坏后将使变形数据不连续，影响变形分析，因而一定要妥善保护。

七、变形监测

使用的平面坐标系统宜为1954年北京坐标系1°成果，高程系统采用1985国家高程基准。起算点平面为C级GPS，高程为Ⅱ等水准。初次观测全部点施测两次取平均值作为以后计算的初始值。

(一)垂直位移监测基准网的布设与联测方案

根据测区基本情况，每沉陷段埋设3座水准标石构成基准网，先布设附合水准线路，将高程引至基准网的任一标石，然后在每一基准网实测闭合水准线路，联测其它2个标石。

(二)水平位移监测基准网的布设与联测方案

水平位移监测基准网须一次布网。

(三)接收机使用

水平位移测量采用GPS方法进行。观测均采用8台以上徕卡GX1230型双频静态GPS接收机进行观测。GPS具有数据采集方便，观测周期短，作业效率高，不受通视、距离、网形等限制，可全天候作业等特点，具有常规大地测量无法比拟的优点。LeicaGX 1230为双频(L1、L2)各12通道GPS，标称静态水平精度为5mm+1ppm，采用长时间观测、Leica Geo Office6.0软件解算后水平精度可达3mm+0.5ppm。

(四)GPS 观测

观测作业时，根据观测点的间距和交通情况，兼顾二等水准测量安排，编制观测计划，按计划进行调度。

GPS观测，在每个沉陷段宜采用边连接形式传递、构网，两端连接高等级GPS标石。观测精度应符合技术要求。

垂直位移监测使用美国天宝Dini12电子水准仪(观测精度0.3mm，最小显示 0.01mm，测距范围 1.5～100m，15′内自动补偿，安平精度0.2″)，配因瓦条码标尺进行。使用电子(数字)水准仪的PC卡直接记录，水准精度应符合技术要求。

采用双频GPS接收机和数字水准测量，极大地提高了测量精度和作业效率，确保了成果质量，为南水北调中线工程一期总干渠工程施工期和运行管理期的变形监测提供了宝贵经验。

八、岩体内部变形监测

采用多点位移计、测斜仪等，通过布设深孔埋入地层。监测孔深度控制到渠底板或建筑物底板以下70m范围内。

九、分析报告

在搜集到焦作煤矿区相关资料后，根据变形监测成果图表，包括水平位移分析、垂直位移分析和岩体内部变形分析，结合地质部门进行变形分析研究，向业主或设计部门提供阶段性分析报告。