南水北调中线总干渠禹州煤矿采空区变形监测方案探讨

李永新

(河南省水利勘测有限公司,河南郑州 450008)

南水北调中线总干渠禹州煤矿采空区变形监测方案探讨

李永新

(河南省水利勘测有限公司,河南郑州 450008)

煤矿采空区渠段的变形监测是涉及到南水北调中线总干渠工程安全的重要技术问题之一,介绍了南水北调中线总干渠禹州小煤矿采空区变形监测方案,阐述了水平位移监测、垂直位移监测、岩体内部变形监测网布设的原则与要求,基准点、监测点的标型结构特点,埋设措施,并考虑施工前、施工期和运行初期不同阶段的技术要求,能够满足长期观测的需要。

采空区;变形监测;水平位移;垂直位移

0 引言

南水北调中线一期总干渠工程河南省境内禹州段经过的采空区依次为新峰矿务局二矿、梁北镇郭村煤矿、梁北镇工贸公司煤矿、梁北镇福利煤矿和梁北镇刘垌村一组煤矿等5个煤矿的采空区,采空区平面长度3.11 km。经调查访问、收集资料和勘察,沿线地表曾出现有地面沉降和裂缝,采空区多为1层,局部有2层,主要为六4煤采空区,局部有六2煤采空区。煤层单层厚度约1 m,采空区埋深100～269 m,多为上世纪90年代以后小煤矿开采形成,2003年以后多数已停采,2005年以后煤井全部关停废弃。

沿线所涉及的均是小煤矿所形成的采空区,采空区形成的时间均在5年以上。小煤矿由于开采时间、开采方法、开采水平、采空程度、回采率大小各异,采空区的情况较复杂。禹州煤矿采空区停采的时间较长、煤矿开采时没有监测资料,地表沉陷洼地不显著,地表移动和变形的特征及参数难以界定。以往国内外采空区的观测和研究多集中在移动延续期内特别是初始期—活跃期阶段(危险变形)[1],对衰退期特别是衰退期以后的残余变形研究不够,认为衰退期之后的残余变形对建(构)筑物没有损害。但近年的实践表明,上述观点并不完全正确,有关资料表明,有些小煤矿采空区在衰退期(TS)过去多年甚至几十年后,在采空区上新建的民居平房尽管还采用了基础和檐口圈梁等抗变形措施,仍出现不同程度的地面和建筑物裂缝等损坏[2]。

本文通过对禹州矿区渠段采空区变形监测方案探讨,旨在监测小煤矿采空区在渠道施工前、施工期、运行初期的变形情况,并预测发展趋势,为采空区段工程优化设计、施工、运行管理提供可靠的技术依据。

图1 工程位置略图Fig.1 Sketch map of the project location

1 采空区变形监测的内容及要求

1.1 监测项目内容

垂直位移监测、水平位移监测、岩土体内部变形监测。考虑施工前、施工期和运行初期不同阶段的技术要求,在渠道开挖范围内、采空区处理范围内以及采空区处理范围以外均有监测点,服务年限分别对应于施工前、施工期和运行初期。

1.2 监测等级

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、沉降仪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。

1.3 监测周期

根据禹州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以及遇到的特殊因素,可适当增加或减少观测次数,见表1。不同观测周期宜采用相同图形、观测路线和观测方法,使用同一仪器设备,在相同的条件下观测。

表1 变形监测网监测频率(月)Table 1 Monitoring frequency of defor mation monitoring network(months)

2 采空区变形监测方案布置

2.1 监测范围

根据采空区分布和现状地质条件,主要以渠道通过部位的移动盆地中心区和边缘区变形监测、采空区变形的敏感部位(巷道上方)变形监测,分析采空区剩余变形对总干渠建筑物稳定性的影响。

2.2 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。

观测线上观测点的间距应大致相等,根据禹州矿区渠段的煤层开采深度,结合总干渠工程特点,观测点间距按100～200 m。观测地表变形的同时,应观测地表裂缝、陷坑等的变形情况。

2.3 监测网设计精度

变形监测网平面等级为三等、垂直等级为二等。主要技术指标见表2。

表2 变形监测网主要精度指标[3]Table 2 The main precision index of defor mation monitoring network

2.4 监测点的布置

变形监测网点根据需要宜分为基准点和变形监测点两级布置,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渠道通过的移动盆地中心区、边缘区及采空区变形的敏感部位。

本次共需埋设水平观测基准点4座,垂直观测基准点3座,平面变形监测点5座,垂直变形监测点33座。禹州矿区段变形监测网点布置见图2。

2.5 平面位移监测基准点、平面位移监测点埋设

平面位移基准点、监测点应使用带强制归心装置的观测装置。为了避免地表人类活动及降雨等影响,扩大底盘下布置4根钢筋混凝土桩,见图3。

图2 禹州矿区变形监测基准网及变形监测点布置示意图Fig.2 Schematic diagram of layout of control network and points for deformation monitoring in Yuzhou mining area

图3 平面位移监测点设计(单位:mm)Fig.3 Monitoring points design of horizontal displacement(unit:mm)

点位选择还应满足下列要求:便于安置接收设备和操作;视场内障碍物的高度角<15°;离电视台、电台、微波站等大功率无线发射源的距离>200 m,离高压线、微波无线电信号距离>50 m,附近不应有强烈反射卫星信号的大面积水域、大型建筑物以及热源等,通视条件好,方便后续联测。

2.6 垂直位移监测基准点、垂直位移监测点埋设

垂直位移监测基准点避开交通干道主路、地下管线、仓库堆栈、水源地、河岸、松软填土、滑坡地段、机器震动区以及其他可能使标石、标志易遭腐蚀和破坏的地方,宜采用混凝土基本水准标石,埋设于地下。

由于大部分变形监测点在耕地中,考虑到观测墩保护相当困难,遭到破坏后将使变形数据不连续,影响变形分析,因而垂直变形监测点埋设参考垂直位移监测基准点的尺寸埋设(见图4)。

变形监测点的标志埋设后,应达到稳定后方可开始观测,稳定期应根据观测要求和地质条件确定,不宜少于15 d。

3 采空区变形监测

使用的平面坐标系统宜为1954年北京坐标系1°带成果,高程系统宜采用1985年国家高程基准。

图4 垂直位移监测点设计(单位:m)Fig.4 Monitoring points design of vertical displacement(unit:m)

起算点为长江空间信息技术工程有限公司最新复测的“南水北调中线一期工程干线(除京石段)首级施工控制网”成果,每期观测的起算值应使用初始成果。

3.1 监测基准网的布设与联测方案

3.1.1 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,设置一处基准网。先布设附合水准线路,起闭二等水准点,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,联测其它两个标石,建立垂直位移监测基准网。

3.1.2 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,设立4座平面标石独立成网,与南水北调C级GPS点联测,构成水平位移监测基准网。

3.2 水平位移监测网测量

3.2.1 接收机使用

水平位移测量采用GPS方法进行。首次观测和周期观测均采用8台Leica GX 1230型双频静态GPS接收机进行观测。

Leica GX 1230为双频(L1、L2)各12通道GPS,标称静态水平精度为5 mm+1×10-6,采用长时间观测、Leica Geo Office软件解算后水平精度可达3 mm+0.5×10-6。

3.2.2 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。天线高的量取精确至1 mm(须左右各量取一次取平均值)。

3.2.3 观测技术要求(见表3)

表3 GPS观测主要技术要求Table 3 The main technical requirements of GPS observation

3.2.4 基线解算

起算点的单点定位时间,不宜少于30 min,解算成果应采用双差固定解,利用随机配备的商用软件进行处理。精度应满足下列要求:同一时段观测值数据剔除率不宜>10%;复测基线的长度较差为按实际平均边长计算的相应级别规定的精度,单位mm。

3.2.5 GPS网平差

平差处理软件采用Leica Geo Office软件。GPS控制网的已知点均使用高等级成果。首先以各网内一点的三维坐标为起算数据进行三维无约束平差,目的是进行粗差分析,以发现粗差并消除影响,其结果客观地反映了整个GPS网的内部符合精度;然后在网内联测的点中,以一点为挂靠点,至另一点的方位角为挂靠方向进行二维平差,边长投影到场地设计工程面上。

对不符合要求的成果应及时重测或补测。起算点的单点定位时间,不宜少于30 min,解算成果应采用双差固定解,利用随机配备的商用软件进行处理。

GPS控制网的无约束平差应在WGS-84坐标系统下进行三维无约束平差,并提供各观测点的三维坐标、各基线向量三个坐标差观测值的改正数、基线长度、基线方位及相关的精度信息等。

GPS控制网的约束平差应在国家坐标系统下进行二维约束平差,对于已知坐标、记录或方位,可以强制约束或加权约束,约束点间的边长相对中误差应<1∶80 000;平差结果应输出观测点在独立坐标系统中的二维坐标、基线向量改正数、基线长度、基线方位角等,以及相关精度信息;约束平差的最弱边相对中误差应<1∶80 000。

3.3 垂直位移监测网测量

3.3.1 仪器的选用

使用美国天宝Dini12电子水准仪(观测精度0.3 mm,最小显示0.01 mm,测距范围1.5～100 m,15′内自动补偿,安平精度0.2″),配因瓦条码标尺进行。

3.3.2 水准观测

垂直位移监测开始前,首先要进行基准点间的校核,符合要求后方可进行垂直位移监测。每个沉陷段可根据测区情况,布设一个或多个闭合水准线路,起闭同一基准点,往返连测其它变形监测点。水准路线一旦确定,以后复测应使用同一类型的仪器和转点尺承,沿同一路线,按原观测顺序连测相应观测点。

由于大部分测段在耕地中,土质疏松,普通尺垫不能满足精度要求,为此,宜选用优质钢材特制的尺桩,重量宜超过5.7 kg。

3.4 岩体内部变形监测

采用多点位移计、沉降仪测斜仪等,通过布设深孔埋入地层。

采空区典型地段在中心和边缘布设监测断面,设4～6个多点位移计监测孔,在靠近采空区边缘设1～2个测斜仪监测孔,在其它合适位置布设一定数量的沉降仪,监测孔深度控制到渠底板或建筑物底板以下70 m范围内。观测次数第一年按半月1次,以后每月1次,特殊时期(如地震等)则增加观测次数。

4 结论

(1)禹州煤矿采空区停采的时间较长、煤矿当初开采时没有监测资料,地表沉陷洼地不显著,根据国内外现有的工程经验判断,采空区的初始期—活跃期阶段已经结束,现在布置的监测方案侧重于采空区残余变形以及采空区关键部位的复活信息。

(2)变形监测网的布置应结合煤矿采空区资料和渠道工程建筑物的特点,考虑施工前、施工期和运行初期不同阶段的技术要求,并能够满足长期观测的需要。

(3)变形监测网布设的原则与要求要与工程相适应。基准点、监测点的标型结构、埋设措施要合理,选用的仪器设备要先进,监测精度、周期、实施方案和数据处理方法满足规范要求。

[1] 国家煤炭工业局.建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程[S].北京:煤炭工业出版社,2004.

[2] 孙忠弟,等.高速公路采空区(空洞)勘察设计与施工治理手册[S].北京:人民交通出版社,2005.

[3] GB500026—2007,工程测量规范[S].

(责任编辑:胡立智)

Discussion on Deformation Monitoring Scheme of Goaf in Yuzhou

LI Yongxin
(Henan Water&Power Consulting Engineering Co.,L td.,Zhengzhou,Henan450003)

Deformation monitoring of canal reach in goaf is one of the important technical problems for Middle route South-to-North water transfer project,this paper introduces deformation monitoring scheme of goaf in Yuzhou,describes the monitoring of horizontal displacement and vertical displacement,principle and requirement of layout of deformation monitoring ne twork within the rock mass,typomorphic characteristics and burying measures of reference points and monitoring points.Technical requirements for different stageswere considered,which couldmeet the requirementsof longter m observation.

goaf;deformation monitoring;horizontal displacement;vertical displacement

TV68;TD853.391+.2

A

1671-1211(2010)05-0531-04

2010-07-13;改回日期:2010-09-04

李永新(1970-),男,高级工程师,注册土木工程师(岩土),水文地质与工程地质专业,从事水文地质与工程地质方面的工作。E-mail:liyongxin1970@126.com