动态测量技术在地表沉降观测中的应用

侯宏剑

摘 要： 随着人类采矿活动的日渐频繁，地表沉降作为一种事故的危害逐渐显现出来。我国作为资源和人口大国，过量的采矿和采集地下水使我国的地表沉降现象尤为严重，我国的很多人口密集地区和矿产区都有不同程度的地面沉降现象，而这其中不乏上海、北京这样的大城市。在世界范围内，有超过150个国家都面临地表沉降的困扰，其中以美国、日本、墨西哥、俄罗斯等人口密集国家和资源出口国家较为严重，地表沉降造成的地面塌陷事故给人们的生命安全和财产造成了巨大的损失，因此对于地表沉降的状态进行及时观测，以防止地面塌陷事故是非常有必要的。

关键词： 动态测量技术;地表沉降;观测应用

【中图分类号】P235.2 【文献标识码】A 【DOI】10.12215/j.issn.1674-3733.2020.40.038

引言：随着煤矿采深不断加大，地表沉降范围和烈度在一定程度上有所增加和扩大，地表沉降带来的环境及构建物破坏问题越来越严重，尤其是“三下”采煤问题更为突出。为最大限度地减小损失、降低威胁，研究开采沉降规律，为矿井开拓部署提供决策依据尤为重要。文章通过研究当下主流的地表沉降观测方法，将动态測量技术引入到地表沉降观测中来。动态测量技术在地表沉降观测中的应用取得了良好效果，为矿井开拓部署决策提供了决策支持，为研究地表沉降提供了参考。

1 地表沉降

地表沉降（groundsurfacesettlement）是坑探工程学科中的一个专有名词，是指因挖矿或采集地下水地面下方中空，地表岩层因失去支撑而下沉的现象。一般来说，这种现象多出现在矿区的采空区或大量采集地下水的区域。除了挖矿和采集地下水之外，岩溶塌陷和密集的高层建筑的重力压迫也是导致地表沉降的主要因素，我国大城市中出现不同程度的地表沉降有两大原因，一是超采地下水，二是过多的密集高层建筑群的重力压迫效应。地表沉降对于人类生产活动的危害极大，地表沉降造成的地面开裂不但会造成建筑物的倾斜和倒塌，而且滨海城市的地表沉降还会造成海水倒灌，海水入侵会改变当地的土层结构，对于当地农业作业会造成严重的影响，然而目前世界范围内频繁发生地表沉降的正是高层建筑密集的大型滨海城市，因此，及时地预防地表沉降，避免其对人类活动造成损失是至关重要的，而及时地对地表沉降进行观测是防治地表沉降的第一步。

2 动态测量技术

动态测量技术的出现，极大地解放了人工测量工作量大、操作时间长的束缚，在数据采集、数据计算方面具有明显优势，现已被广泛应用。随着信息技术的迅速发展，动态测量技术在方法和设备方面也更加多元。

2.1 概念

对于动态测量的概念，至今为止，尚未有严格的定义。但普遍认为，测量的对象符合以下条件即为动态测量：①量值随时间变化;②量值不随时间变化，但随空间变化（可连续或不连续），测量系统工作时处于运动状态;③量值既不随时间变化也不随空间变化，但与被测对象有关的测量信号是变化的。

2.2 特征动态测量具有以下特征

①时空性。测量数据为空间次参数，更能描述点位状态，表现为时空性;②随机性。动态测量的数据并不一定呈现为一定规律，表现出与时间或空间有关的随机函数，即随机性;③相关性。目标数据与测量对象测量时的状态有关，也与其发展量变规律有关，表现出与现状与未来的相关性。

2.3 主要方法

常用的动态测量技术装备主要有全站仪测量、摄影测定技术、激光跟踪仪、室内GPS技术等。

2.4 适用范围

受岩层移动角影响，矿井地表沉降常规测量观测一般范围都比较大，对于动辄数百厘米的沉降量来说，精确度有要求但要求并不高;而动态测量技术集合光电探测技术、精密机械技术、计算机及控制技术、现代数值计算理论等于一体，对空间动态目标的三维坐标进行实施跟踪测量，具有精度高、效率高、实时、安装快捷、操作简便等特点，尤其适用于大范围精确测量。

3 实际应用

为了将动态测量技术实际应用到地表沉降观测中，笔者前往当地某煤矿进行实际测量，并以此为例说明动态测量技术在地表沉降观测中的应用。

（1）工程概况。该煤矿5-108工作面长度约为575m，宽度约为153m，平均煤层厚度约为4m，属于长壁采煤区。采空区上方有乡村、公路和山坡，这种煤矿如果发生地表沉降会对采空区上方造成较大危害，因此选择在此煤矿进行动态测量技术的应用。

（2）观测点布置。①布置原则。一般而言，煤矿采矿区的岩石移动较为明显，会对动态测量的数据造成一定影响。因此在布置观测点时，需遵循以下原则：地表沉降是沉降最严重的点往往位于工作面的中轴线上，因此观测点应尽可能覆盖下沉区的中心断面，以保证对下沉中心区的测量;观测点的测量范围应大于地表下沉区的下沉范围，从而确保对于地表沉降数据的收集;观测点的测量设备的支撑结构应尽可能深埋，以保证观测点测量设备的稳定运行。②布置范围。根据对该煤矿的测算，共计布置了28个观测站，每两个观测站的距离约为40m，观测点的代号为V，控制点的代号为K，控制点的主要作用是作为观测的参考基础，控制点支撑设备的埋深一般为0.5m。

（3）地表沉降观测。地表沉降观测的主要设备为激光跟踪仪。激光跟踪仪是一种以光学原理对被测量对象进行观测的装置，通过对发射激光反射激光的偏差测量，使激光发射头产生对应的偏转，达到与被测量对象的平衡状态，以此来完成对被测量对象的跟踪效果，因而得名“激光跟踪仪”。在本次测量中，使用激光跟踪仪来完成对地表沉降区的动态测量。

预设的测量时间为8个月，每隔两个月收集一次数据，经过8个月的测量，测得的工作面在收尾期间的推进距离为555m，地表最大沉降量为2643mm，第2、4个月时未见明显沉降，第6、8个月时出现沉降。

4 总结

为了验证动态测量技术在地表沉降观测中的应用效果，以实地测量的方式研究了动态测量技术对煤矿采空区地表沉降的测量效果。测量结果表明，采用动态测量技术所得出的实际结果与地表沉降的理论推算结果吻合度较好，这种动态测量方式非常适用于对采矿区的地表沉降测量。动态测量技术可实现对采矿区地表的自动化测量，对于提升测量效率、提升测量精确度和减少人工劳动等方面有着非常大的作用，但动态测量的数据规模较传统测量法更多，因此需要专业的数据处理方式来对数据进行处理，而本文受制于篇幅限制，未能对此进行说明，期待后续的研究能够完善此部分，使动态测量技术真正应用到地表沉降测量中，起到预防地面塌陷的作用，保护我国人民的生命财产安全。

参考文献

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[2] 李慧奇，王凯红，李思.基于动态测量理论的数据处理和不确定度评定[J].电测与仪表，2015，52（22）：80-84.