煤矿水平开采地表变形监测与分析

李玉

（晋能控股煤业集团 地测勘探公司，山西 大同 037003）

1 概 况

煤峪口矿井田东西宽度为6 200 m，南北长度为8 500 m，井田面积为35.12 km2，井田内可开采煤层的埋深为357 m，目前，矿井的生产能力为11 Mt/a，服务年限为23.8 a。为了解工作面因开采引起的地表变形规律，建立地表变形监测系统，通过采集数据和分析处理得到工作面的地表变形参数，为井下防治水和防水煤柱留设等提供重要依据[1]。

煤峪口矿14 号煤层的煤层平均厚度为2.35 m，煤层厚度变化较小，结构较复杂，局部含有1～3层夹矸，岩性为泥岩，局部含有粉砂岩，煤层倾斜角度为15°。在回采范围内，煤层的总体构造呈单斜构造，在工作面内出现多条小型断层，几乎不影响正常开采。目前，采空区面积为6.7 km2，工作面有1 处地面塌陷，面积为3.89 km2，裂缝约90条，严重威胁安全生产。

2 地表变形监测方法

2.1 动态观测站布设

根据工作面的地质概况和地表塌陷参数，沿工作面走向和倾向方向布设2 条地表移动观测站，共布设控制点12 个、监测点115 个，观测站布设如图1 所示。在距工作面中心线下方36 m 的位置，沿工作面走向布设长度为2 100 m 的监测线，其中监测点71 个；在距切眼480 m，与工作面走向垂直的位置，沿工作面倾向布设长度为1 320 m 的监测线，其中监测点44 个。每个监测点间的距离为30 m，在监测线的两端，分别布设2 个监测点和1个控制点。动态监测的测量频率为1 月/次，根据1 个监测周期获取的监测点移动数据，动态地描述地表的变形情况[2]。

图1 观测站示意Fig.1 Observation station indication

2.2 实时观测站布设

由于14 号煤层地形复杂，采用常规监测方法较困难，为了掌握特征点的动态变化，采用多通道拉绳变形位移监测技术[3]，实时自动监测塌陷区特征点的变形位移情况。在工作面倾向的两端分别布设1 号和2 号拉绳变形位移监测仪，其中，1 号变形位移监测仪主要用来监测地势相对平坦区域的地表裂缝变形位移情况，2 号变形监测仪主要是用来监测山坡的裂缝变形位移情况。每套监测仪上都安装3 支变形量传感器，监测特征点的变形量，其中1 支监测垂直沉降变形量，2 支监测水平裂缝拉张变形量，测量时按照6 h/次的采集数据频率进行，通过测量数据来掌握塌陷区的变形情况。

3 数据分析

3.1 动态监测数据分析

采用动态观测站进行测量时，平面位置测量采用GNSS 静态相对定位技术，高程测量采用三等水准方法[4]。在测量系统和GNSS 系统之间建立平面坐标转换系统模型和高程转换系统模型，采用RTK 技术建立连续运行位置参考站CORS，对监测的平面位置进行自动测量，采用VRS 技术为位置测量系统提供平面坐标和高程系统框架。采用3 套GNSS RTK 系统接收机，2 台流动站进行平面位置测量，在测量时进行2 次独立观测，如果2 次的差值在允许精度范围内，取平均值后得到测量结果，对测量结果进行数据分析，要求全面监测的平面点位中误差小于±2.0 cm，最弱点的高程中误差小于±1.2 mm。

通过动态监测，沿工作面倾向的1~4 号、8~10 号和20~21 号监测点是垂直沉降变形量和水平位移变形量集中位置，其中9 号监测点的垂直沉降变形最大，累计的垂直沉降量为30 mm；3 号、9号和21 号监测点的水平位移变形最大，累计的水平变形量分别为41、35 和41 mm。工作面走向的14-17 号监测点基本没有沉降，水平位移变形量较小。

3.2 拉绳变形监测仪数据分析

将1 号拉绳变形监测仪布置在工作面的西北端，地处二级阶地边缘处，由于地表整体比较平坦，采用监测仪进行6 个月的监测，监测数据如图2 所示，可以看出，这个区域的地表变形相对稳定，地表垂直沉降监测变形量为9 mm，水平裂缝拉张变形量分别为2 mm 和3 mm，地表处于快速蠕变的运动状态，实时监测结果与动态监测结果基本一致。

图2 1 号拉绳变形监测仪数据曲线Fig.2 Data curve of No.1 rope drawing deformation monitor

将2 号拉绳变形监测仪布置在工作面的东南端，地处塌陷区的一级阶地和二级阶地连接处，上方是采空区，采用监测仪进行6 个月的监测，监测数据分布如图3 所示，可以看出，整个区域的地表变形比较严重，区域内垂直沉降变形量高达34 mm，水平裂缝拉张变形量分别为16 mm 和28 mm，在6～8 月时，地表处于蠕变的状态，在9 月后，地表变形加速，水平裂缝拉裂的变形速率分别为0.28 mm/d 和0.45 mm/d，实时监测结果与动态监测结果基本一致。

4 结 论

针对煤峪口矿工作面因开采引起的地表变形，根据工作面地质条件差异引起的地表塌陷，结合传统的动态测量技术和拉绳变形实时监测技术，对塌陷区特征点的三维变形情况进行监测。

（1） 采用动态的RKT 测量技术，可以获得整个区域的地表变形情况；采用拉绳变形实时监测技术，能够掌握特征点的三维变形情况，改进监测的效果。

（2） 通过数据分析，可以看出，在工作面的西北端，地表变形比较稳定，在工作面的东南端，地表垂直和水平变形比较严重，垂直沉降变形量为34 mm，水平裂缝拉张变形量分别为16 mm 和28 mm。通过动态观测和实时观测，可以准确获取地表的变形参数，为后续的研究积累经验。