红树梁煤矿首采面智能岩移观测站设计研究

张 建

(准格尔旗宏丰运销有限责任公司红树梁煤矿，内蒙古 鄂尔多斯 017100)

大多数矿山开采沉陷监测依然采用传统的观测方法，即采用全站仪测平面坐标，电子水准仪观测高程，在地形起伏较小的平原区其平面和高程均可达到毫米级，但对于地形起伏较大的丘陵和山区，采用传统观测方法不仅观测十分困难而且效率极低[1-3]。

近年来随着北斗/GPS技术的发展与应用，在开采沉陷观测领域也在尝试其应用研究，中国矿业大学、河南理工大学等高校，研究在地表岩移观测站关键位置布设2～4组(以三个独立GPS接收机为一组)自动实时监测点，以求取概率积分法采动过程中的超前影响角、下沉速度、时间等动态参数，该方法虽然部分提高了观测效率，但因采用多组独立的北斗/GPS双频接收机，特别野外无电的情况下，需采用太阳能光伏供电，占地大、布设困难，费用高，一般是传统观测站造价的2～4倍，且其他绝大部分测点仍采用传统方法设点与观测，从而实现观测站部分自动化监测。近年来随着北斗/GPS一机多天线技术的发展，性价比及精度的不断提高，在水库大坝、桥梁、边坡等监测进行了应用研究，取得了良好的效果[4-7]；但将北斗/GPS一机多天线技术研究应用于煤矿岩移观测站智能观测，在国内还属空白，该项技术研究与应用，可实现岩移观测站的自动化、无人化和智能化，并随着北斗/GPS、5G技术、云计算技术的发展，智能岩移观测站建站及监测运营成本还将进一步降低，具有广阔的发展空间和良好的应用推广前景。

1 首采工作面基础地质条件

1.1 首采工作面自然概况

红树梁煤矿位于鄂尔多斯高原东北部，地形总体趋势是西北高、东南低，地貌为黄土丘陵切割类型，黄河从井田东侧由北向南流过，受黄河支流房塔沟向源侵蚀的影响，区内的“V”字型冲沟十分发育，呈树枝状分布，形成沟壑纵横、峁梁散布、支离破碎的地形特点。

红树梁首采工作面对应地表起伏较大，最大高差在130m左右，如图1所示。

图1 红树梁煤矿首先工作面井上下对照

1.2 首采面地质采矿条件

红树梁煤矿建设规模为5.0Mt/a，设计将井田划分为一个主水平和两个辅助水平，其中主水平主要开采6号煤组，主水平标高为+978m(为副斜井见6号煤落底标高)。在4号煤设置第一辅助水平，主要开采4号煤；在5号煤设置第二辅助水平，主要开采5号煤。

矿井初期布置一个6号煤盘区，一个回采工作面保证矿井设计生产能力。首采盘区为6号煤一盘区。首采工作面是位于井底附近的6102工作面，其走向长1237m，倾斜长260m，倾角2°～14°，煤层自然厚度3.25～12.70m，平均厚度为7.25m，采用综采放顶煤开采，全部陷落法管理顶板，设计机采高度为3.5m，放煤高度平均为3.75m，采放比平均为1∶1.07；放煤高度最大为9.2m，采放比最大为1∶2.6。地面标高+1058～1178m，最大落差120m；根据首采面上方BK-8、BK-15、BK-22、BK-25四个钻孔资料计算分析，6煤层煤层埋深75～130m，平均102m。第四系、第三系平均厚40m，6煤层上覆基岩厚度平均为62m。首采面含煤地层为石炭二叠纪，地层由新至老分别为：

1)第四系、第三系：主要由风积沙、黄土、第三系砖红色粘土岩组成。

2)二叠系山西组：主要由中、粗粒砂岩、高岭质泥岩、粉砂岩、炭质泥岩、砂质泥岩组成。

3)石炭系太原组、本溪组：主要由高岭质泥岩、中、粗粒砂岩、细砂、粉砂岩、煤、炭质泥岩、砂质泥岩组成；主采煤层六煤层就赋存于太原组上部。

2 岩移观测站设计参数选取与计算

2.1 移动角选取

该工作面为首采面，其移动角参数只能参照邻近和国内类似的矿区地表移动观测站实测数据综合分析确定，考虑到该首采面含煤地层为石炭二迭系，近水平煤层，且有一定厚度的第四、三系松散覆盖层，最终分析确定岩移观测站设计角量参数为：冲积层移动角45、走向、上山及下山移动角65°。

2.2 观测线长度计算

首采工作面采深相对较浅，工作面沿走向和倾向方向均达到充分采动，因此本次观测站采用走向和倾向方向设置半盆地移动观测线方式，其走向和倾向半盆地测线长度计算：

Lz=h·cot(φ-Δφ)+(H-h)·cot(δ-Δδ)

Lq·上=h·cot(φ-Δφ)+(H-h)·cot(γ-Δγ)

Lq·下=h·cot(φ-Δφ)+(H-h)·cot(β-Δβ)

式中，Lz为走向观测线终采线或切眼外侧长度，m；Lq·上为上山观测线开采边界外侧长度，m；Lq·下为下山观测线开采边界外侧长度，m；h为松散冲积层平均厚度，m；H为开采煤层平均采深，m；φ、δ、γ、β为冲积层、走向、上山、下山移动角，(°)；Δφ、Δδ、Δγ、Δβ为计算观测线长度煤矿测量规程调整值，参见《煤矿测量规程》表44。

本次取值为φ=45°，δ=γ=β=65°，Δφ=5°，Δδ=Δγ=Δβ=20°，依据h=40m、H=102m，分别求得Lz=110m、Lq·上=110m、Lq·下=110m。

3 智能观测方法及岩移观测站设计研究

3.1 智能观测方法研究

岩移观测方法近30年来发展很快，20世纪80年代采用水准测量高程，钢尺量边及经纬仪测角求取平面变形；之后发展至今，水准测量由光学水准发展为高精度自动观测电子水准仪，测角量边发展为全站仪和全自动机器人；与此同时随着GPS全球卫星定位系统的发展及应用，特别是我国自主组网北斗系统的成功应用，为全面应用全球卫星定位技术解决大地测量问题提供新的高可靠、高精度、智能化观测方法[8-11]。

红树粱矿首采面地面为黄土丘陵地形，冲沟十分发育；采用传统的走向和倾向线布置，因受地形限制无法实现，必须采用沿现有农村道路进行布设，根据上述观测线长度计算，将测点布置在沉陷影响区域以外适当距离，以准确捕捉到开采沉陷边界，求得边界角；考虑到首采面走向和倾向长度均大于1.4H，已达充分采动，且煤层近水平，因此可考虑仅设置走向和倾向半盆地测线各一条，即可满足规程相关要求。本次采用近走向和倾向方向沿农村小路布设方式(见图1)，由于道路坡陡、弯曲，通视条件较差，传统水准及全站仪测量，测点布置受限，观测难度大，耗时又耗力；采用北斗/GPS静态观测，投入设备和人员多，一次观测费用高，且无法获得连续、实时、高精度三维观测数据，特别是高程精度很难达到毫米级精度要求，难已获得采动过程中的开采沉陷变形规律。

综上分析研究，本次选用北斗/GPS一机多天线实时观测技术，进行首采面岩移观测站设计走向和倾向共用一个双频GPS基准点，走向和倾向分別设置一机6天线两组双频GPS接收机，测点天线间距20～25m。

3.2 基于一机多天线技术的岩移观测站设计研究

一机多天线技术是将一台北斗/GPS接收机与多个天线相结合，在不改变已有GPS接收机结构的基础上，通过一个增设的GPS信号分时器连接开关，将多个天线与同一台接收机连接，实现一台接收机监测多个测点三维变形的目的。一般一台接收机可带4～16个天线，但天线与接收机间信号传输受距离的限制，一般随距离增加GPS信号衰减明显；试验研究表明，采用低损耗电缆或者光纤传输，最大间距一般控制在100m以内；若要再增加距离，则需增设GPS信号放大器。根据岩移观测站设计规程，测点间距在20～30m，同时考虑到一个测点天线要连续观测2h以上，才能通过后台大数据处理，获得毫米级三维观测精度，因而一机多天线以控制在一机带12个天线为宜；也即一组一机多天线接收机，可观测200m范围；岩移观测线长度一般在400～800m，岩移观测站采用该技术可采用4～8组接收机即可实现所有观测点的实时监测，同时一个观测站只需设1～2个基准点控制点，无需象过去传统测量观测站需设置4～8个控制点。一机多天线获得的观测数据，通过4G或5G网络，传至GPS专业监测大数云平台，通过数据处理获得所需要的变形值，同时还可根据需要设置相应的报警值，所测成果可通过网络传输给指定的用户终端手机或电脑，实现岩移观测站的智能监测。按照目前GPS一机多天线购置价格，一个观测站建站费用在30～50万元，包括两年的运营费用。随着北斗/GPS、5G技术、云计算技术的发展，岩移观测站建站及监测运营成本还将进一步降低。一机多天线系统结构如图2所示。

图2 一机多天线系统结构

3.3 一机多天线监测精度

经过多次试验研究，一机多天线精度与观测频率相关[12-15]，某公司提供的一机多天线，在观测条件良好的情况下，不同测量频率的测量精度见表1。

表1 一机多天线精度表 ×10-3m

4 红树梁首采工作面智能岩移观测站设计

根据红树梁矿首采面地质采矿条件和地面地形情况，选择采用沿胡芦村村道设置半倾向观测线，测线长260～300m，选择布设一机带6天线北斗/GPS双频接收机两组，测点天线间距20m～30m，测线及测点布设详见图1。走向观测线设为半盆地线，布设于终采线上方，沿山中小路布设，同样布设一机带6天线北斗/GPS双频接收机两组，测点天线间距20～30m，测线长260～300m(见图1)。在不受采动影响区设观测站基准点(控制点)两个，位于倾向观测线西端。基准点及一机6天线接收机均为双频，自带光伏板电源，以保证接收机长期供电。四台北斗/GPS双频接收机实时接收的数据，通过4G互联网传至监测云平台，经过专业软件的数据处理与分析，获得各测点的三维实测数据，并将实时成果发给客户指定终端手机和计算机上，实现无人、自动、智能观测与数据计算分析。

5 结 语

1)红树梁煤矿地貌为黄土丘陵切割类型，沟谷纵横，常规观测站观测点布设和观测难度大、效率相对较低，采用北斗/GPS一机多天线技术，可实现岩移观测站无人化、自动化、智能化观测与数据分析，降低了观测难度，提高了观测效率和观测精度。

2)北斗/GPS一机多天线技术设置的智能岩移观测站，可获得连续、实时、高精度三维观测数据，是常规观测站无法实现和获得的，为进一步研究采动过程中的开采沉陷变形规律奠定了基础。

3)北斗/GPS一机多天线智能岩移观测站，目前其观测站设置及运营成本已与常规观测站基本持平，今后随着北斗/GPS、5G技术、云计算技术的发展，岩移观测站建站及监测运营成本还将进一步降低，北斗/GPS一机多天线智能岩移观测站将具有更广阔的发展空间和良好的应用推广前景。