厚松散层煤矿开采地表移动监测技术_郭红星.pdf

第 39 卷第 2 期2023 年 6 月测 绘 标 准 化Standardization of Surveying and MappingVol 39No 2Jun 2023收稿日期:2023 02 10项目来源:安徽省重点研究与开发计划项目(202104a07020014);安徽省科技重大专项项目(202103a05020026);矿山地质灾害防治安徽省高校重点实验室开放基金(2022 MGDP 08);矿山采动灾害空天地协同监测与预警安徽普通高校重点实验室(安徽理工大学)开放基金(KLAHEI202204);安徽省自然科学基金青年项目(2208085QD115);安徽省教育厅自然科学重点项目(KJ2020A0311)。第一作者简介:郭红星，高级工程师，现主要从事煤矿地质测量和煤矿生态环境保护相关工作。厚松散层煤矿开采地表移动监测技术郭红星1杨旭2，4，5薛博3谢世成2，4，5(1 淮南矿业(集团)有限责任公司顾桥煤矿安徽淮南232001;2 矿山地质灾害防治安徽省高校重点实验室安徽淮南232001;3 平安煤炭开采工程技术研究院有限责任公司安徽淮南232001;4 安徽理工大学空间信息与测绘工程学院安徽淮南232001;5 矿山采动灾害空天地协同监测与预警安徽普通高校重点实验室(安徽理工大学)安徽淮南232001)摘要:为研究厚松散层地质条件下煤矿开采所引发的地表移动变形规律，以某矿两个开采工作面影响的地表移动变形区为研究对象，建立地表移动变形观测站。通过布设平面 GNSS 连接测量控制网和三等水准联测网，得到矿区 GNSS TK 测量和高程测量基准。针对地表形变的时序性，引入自动化监测技术，并基于 Java Web 技术开发矿区地表移动自动化 GNSS 实时监测系统。实时监测结果表明，该监测系统可以提供准确、及时的地表移动变形信息，监测精度高、功能丰富，能够为特殊地质采矿条件下开采沉陷规律研究提供强有力的数据和技术支撑。关键词:变形监测;自动化监测;厚松散层;开采沉陷;地表移动观测中图分类号:TD327DOI:10 20007/j cnki 61 1275/P 2023 02 14Monitoring technology for surface movement in coal mining under thick loose layerGUO Hongxing1，YANG Xu2，4，5，XUE Bo3，XIE Shicheng2，4，5(1 Guqiao Coal Mine，Huainan Mining Industry(Group)Co，Ltd，Huainan，Anhui 232001，China;2 The Key Laboratory of Universities in Anhui Province for Prevention of Mine Geological Disasters，Huainan，Anhui 232001，China;3 Ping An Coal Mining Engineering Technology esearch Institute Co，Ltd，Huainan，Anhui 232001，China;4 School of Geomatics，Anhui University of Science and Technology，Huainan，Anhui 232001，China;5 Key Laboratory of Aviation aerospace ground Cooperative Monitoring and Early Warning of CoalMining-induced Disasters of Anhui Higher Education Institutes，Anhui University of Science and Technology，KLAHEI(KLAHEI18015)，Huainan，Anhui 232001，China)Abstract:In order to study the law of surface movement and deformation caused by coal mining under thegeological conditions of thick loose layer，the surface movement and deformation area affected by two min-ing working faces of a mine is used as the research object，and a surface movement and deformation ob-servation station is established in this paper Through the deployment of GNSS connected survey controlnetwork and third level joint survey network，the GNSS TK survey and elevation survey benchmark inthe mine area are obtained Considering the sequential of surface deformation，the automated monitoringtechnology is introduced，and the automated GNSS real-time monitoring system of mining surface move-ment is developed based on Java Web The real-time monitoring results show that accurate and timely in-formation of surface movement and deformation can be provided by monitoring system with high monito-第 2 期郭红星，等:厚松散层煤矿开采地表移动监测技术ring accuracy and rich functions，and powerful data and technical support for the study of mining subsid-ence laws under special geological and mining conditionsKeywords:deformation monitoring;automatic monitoring;thick loose layer;mining subsidence;surfacemovement observation煤矿开采期间，作用在煤层上部的应力会频繁地变化，导致上覆岩层和地表发生移动和变形，业界称为“开采沉陷”1。随着开采强度的增大，应力变化会越来越明显，最终引发地表塌陷、边坡滑坡、建筑物变形等次生灾害，对人民的生命财产安全构成巨大威胁2。对矿区开展地表移动变形监测，对变形信息进行处理，对开采沉陷移动变形规律进行分析，可以有效治理和预防矿区地质灾害，促进社会经济与矿区资源环境的可持续发展。随着空间对地观测技术的发展，变形监测技术已经取得了长足的发展。目前，开采沉陷监测技术主要包括传统监测手段、数字近景摄影测量、In-SA、全球导航卫星系统(GNSS)、三维激光扫描等4。其中，传统监测手段获取的沉陷资料精度较高，但耗时长，无法及时反映下沉活跃期的地表形变情况。数字摄影测量中的无人机摄影测量，近年来发展迅速，但受制于矿区环境复杂，且无人机影像数据精度较低。如何将无人机摄影测量有效应用于矿区高精度监测仍是一个急需解决的问题。InSA监测技术面临的主要难点是无法有效处理矿区大梯度形变，虽然改进后的 D InSA 技术采用数据融合的方式，但会引入新的误差。GNSS 技术作为广泛应用于定位、导航和授时(PNT)的集大成者3，凭借全天候、实时、便携、高精度的优势，已成为矿区开采沉陷监测中最具优势的技术手段之一4。本文结合某矿生产实际，探讨厚松散层下煤矿开采地表移动变形自动化监测方案。由于该矿所属地质岩性特殊，矿区地表覆盖一层厚 30 380m 的松散层，工作面的停采线距重要建(构)筑物较近，因此开采后地表在工作面倾向、走向上的下沉值更大，最终导致稳定沉降盆地范围更广，边界收敛缓慢，地表移动更加剧烈。为了能够实时、准确、可靠地获取矿区地表移动变形信息，及时进行灾害预警，并为下一步的生产决策提供依据，本文提出应用 GNSS 监测技术，建立矿区高精度连接测量平面控制网和三等水准联测网(高程控制网)，得到矿区 GNSS TK 测量和高程测量基准，并在常规地表移动监测站基础上建立煤矿地表移动GNSS 实时监测系统。1采矿条件与监测网设计1 1地质采矿条件研究区域为某矿两个工作面引起的地表移动变形区。其中，110801 首采工作面设计可采走向长1 220 m，工作面宽 270 m，煤层倾角 0 15，煤层厚 1 3 7 m，上覆基岩厚 30 330 m，煤层底板采深650 834 m;110504 接替工作面设计可采走向长1 325 m，工作面宽 262 m，煤层倾角 0 15，煤层厚 5 62 7 33 m，上覆基岩厚 33 382 m，煤层底板采深 646 876 m。两个工作面的地质岩性均为砂质泥岩，力学强度相对较低，都具有松散层厚、采深大、基岩薄等特点。1 2监测网设计根据煤矿测量规程 和煤炭安全规程 的要求，以及为了获得准确、可靠、有代表性的观测资料，需要布设覆盖工作面的监测网络。整个监测网由地表移动观测站、实时监测站和平面、高程基准网组成。1 2 1地表移动观测站与实时监测站设计覆盖整个矿区的地表移动观测站的观测线共计4 条，分别为 110801 首采工作面走向 观 测 线、110504 工作面走向观测线、110801 首采工作面倾向观测线(与 110504 工作面倾向观测共用)及预警观测线，在观测线的关键节点和工作面最大沉陷区域部署实时监测站。图 1 为部分移动观测站和实时监测站的分布情况。各路线上按一定距离间隔埋设定制的正四棱台水泥石墩作为标石，按一定规则逐点标号。将走向线与倾向线两端的站点作为水准网平差的起算点，认为其状态稳定，不发生沉降。覆盖整个矿区的地表移动观测站的观测线长共11 440 m，控制点 18 个，监测点 348 个，GNSS COS自动化实时监测站 11 个，具体见表 1。76测 绘 标 准 化第 39 卷图 1监测网示意图Fig 1Schematic diagram of monitoring network表 1监测网观测站布设统计Tab 1Layout statistics of monitoring network observation stations观测线名称测线长/m测点数/个控制点监测点监测点间距/m110801 首采工作面走向观测线3 54069920 60110504 工作面走向观测线3 820611320 60公共倾向观测线3 390611320 30预警观测线6902330其他测点GNSS COS 自动化实时监测站 11 个1 2 2平面、高程基准网设计地表移动观测站的平面控制网布测由 GNSS 连接测量实现。GNSS 平面控制网点由矿区最外围 7个具有 1954 年北京坐标系坐标的 D 级 GNSS 控制点、观测线上 6 个地表移动观测站的控制点及观测线内部 10 个骨干测点共计 26 个点组成，各观测点的分布如图 2 所示。图 2GNSS 平面控制网点位分布Fig2Point distribution of GNSS horizontal control networkGNSS COS 高