采空区变形监测技术分析

贾向前

（山西省水利水电勘测设计研究院，山西 太原 030024）

1 概述

山西省万家寨引黄工程北干线1号隧洞大梁水库以下部分洞段通过煤矿开采区，部分采空区接近洞线，甚至在洞线下方，这些密集的煤矿采空区位于朔州市平鲁区。引黄北干线1号隧洞下段始于大梁水库地下泵站，至马鞍山七里河一侧出洞，洞长45 km。从2005年10月—2014年9月对煤矿采空区地表进行了变形监测。

2 监测方法

国内常见的监测是对建筑物等的局部性、范围较小的变形监测，其变形原因有自然条件和建筑物本身两方面。一般采用全站仪和光学水准仪，利用常规大地测量方法进行监测。全站仪变形监测在小范围内可满足水平位移变形监测的要求，但观测精度不均匀。随着边长的增加，精度逐渐降低，而且需要工作基点与监测点通视，这样就不能满足大范围变形监测的需要。应用GPS技术可远距离传递三维坐标，不会产生误差积累，可大大提高成果精度。

该采空区范围较大，地形起伏变化，相对高差较大，障碍较多，通视困难，且基准点监测点分布不均，若用常规方法，相邻边长较差大，图形强度弱。为保证观测精度，减少工作量，平面工作基点网和监测网采用静态GPS进行水平位移变形监测。

工作基点和监测点分两级布设：一是工作基点网，二是监测网。崔家岭矿的采空区范围已基本查清，需进行垂直位移监测和水平位移监测；对二铺二矿、二铺一矿、安太堡联营矿等进行垂直位移监测。

3 限差要求

本作业监测控制网与引黄独立坐标系和高程基准相统一，工作基点、监测点观测精度要求达到二等平面控制和二等水准规定。水平位移测量监测点的点位中误差为±6.0 mm，地表变形垂直监测点的高程中误差为±2.0 mm，复测最大限差为（m为中误差），超过这个值可视为点位存在位移。

4 垂直位移变形监测

垂直变形监测使用Trimble DiNi电子水准仪（标称精度±0.3 mm/km），标尺使用两幅条码式铟瓦水准标尺，工作基点的观测和监测点的监测均采用二等水准精度进行。

4.1 技术依据

垂直位移监测网依据《实施方案》进行作业，往返较差闭合差限差，检测已测高差较差限差（n代表测站数）。

4.2 作业方法

水准路线采用闭合路线往返监测，每周期采用相同的监测路线和监测方法，固定的仪器和设备，固定的监测人员。

测站监测限差：基辅分划所测高差的差0.6 mm，数字水准仪两次读数所测高差的差执行基辅分划所测高差之差的限差。

4.3 内业计算

外业高差和概略高程表的编算只进行水准标尺长度误差改正和水准标尺温度改正，计算到高差中数；闭合差改正计算采用南方测绘公司的平差易软件进行严密平差。

4.4 精度统计

以起算点ⅡCJ01组成一个二等水准闭合线路，ⅡCJ03作校核，线路长22 km，闭合差限差各周期闭合差均小于限差。每千米高差偶然中误差，各周期均小于规范规定±1 mm。每监测周期各线路闭合差，各周期均小于规范规定的限差要求

监测点环水准线路每千米高差偶然中误差，各周期均小于规范允许每千米高差中误差±1 mm。垂直监测线路的每千米全中误差规范，计算公式为MW=±，全中误差MW小于规范规定的±2 mm。监测点平差计算最大改正数，各周期均小于±1 mm。监测点各条线路最弱点点位中误差，各周期均小于±2 mm。

5 水平位移变形监测

水平位移变形监测使用南方测绘仪器公司9600型静态GPS进行，仪器标称精度5 mm+3 ppm。GPS测量采用静态GPS测量，每一同步环观测两个时段，每个时段时间120 min。

5.1 技术依据

水平位移监测网技术要求：相邻基准点的点位中误差±6 mm，平均边长2 km，最弱边相对中误差≤1/350 000。

5.2 内业计算

GPS数据处理采用南方GPSPRO随机处理软件。新建工程选取自定义坐标系统，即采用引黄准1954北京坐标系，增加观测数据，解算基线。待基线解算合格后，检查同步环、异步环和重复基线，进行平差处理，包括三维自由网平差、二维约束平差、高程拟合等。

5.3 水平工作基点监测

水平工作基点的观测以Ⅱ北干13和ⅡSJ01为起算，共监测6个点，包括Ⅱ北干13，Ⅱ北干12，ⅡSJ01，ⅡSJ03，ⅡSJ04，ⅡSJ06。

5.4 水平位移监测点监测

每周期使用仪器和工作基点相同，两台（或三台）在工作基点上，其余在监测点上，观测两个时段。如果继续观测，在起始点上的仪器不动，其余仪器再迁站进行其他监测点的测量。

水平位移监测点仅在崔家岭矿布设，共布设61个水平位移监测点。

5.5 边长检测

边长检测是对GPS测量成果的检核，采用标称精度1 mm+1 ppm的徕卡2"全站仪进行。检测边边长采用往返观测，天顶距观测采用中丝法对向观测。

全站仪电磁波测距边先经过气象改正、加乘常数改正，然后化算为水平距离，水平距离再归算到1 300 m测区平均高程面，最后投影到高斯平面上。

6 工作基点和监测点点位变动情况

自2005年布设万家寨引黄工程北干线采空区变形监测工作基点和监测点以来，由于采空区位于平鲁工矿区范围内，该地区工程建设项目较多，测区部分工作基点和监测点已被破坏，其中垂直监测点缩减为5条线路：二铺二矿2条，二铺一矿1条，崔家岭矿2条。

已变动点垂直工作基点、监测点沉降高程差值均是与2005年10月（首次）高程的差值。二铺二矿、二铺一矿与首次比较，该采空区监测点变化不大；崔家岭矿与首次比较，约58个点超出（或曾经超出）允许误差±5.6 mm范围。

已变动点水平工作基点、监测点水平位移坐标差，差值均是与首次坐标的差值。截至2014年9月，有17个点的点位误差超出允许误差±17 mm，这些点的高程也全部下沉，说明这些点及其周围存在一定沉降和位移。

结合已下沉崔家岭垂直监测点曲线图，从37次垂直监测中看出，沉降值变化大都随季节、温度变化呈波浪式变化，但个别点存在突变情况。

6.1 变形情况

第一，在2006年监测中发现18个点下沉是在2006年6月和8月之间发生的，根据监测点变形情况和监测点布置图可以看出所有点均为下沉，除个别点在煤矿采空区周围外，其他点均在煤矿采空区范围之内。点位下沉发生在2006年第三次和第四次之间，这个期间正值雨季，雨水较多，下沉是个突变过程，有12个监测点集中在崔家岭矿最西边的采空区，有3个点在崔家岭矿南边1号隧洞出口附近。

第二，在2007年8月和12月的监测中发现，工作基点ⅡSJ07平面位置和垂直位置有较大变动，该点位于东易煤矿附近，观测墩周围30 m外有多条宽度、深度不一的裂缝。

第三，在2010年3月和6月周期垂直监测中发现，靠近引黄生活区建设营地的采空区一带有较大的变形，地面有较大范围的裂缝，裂缝均匀分布，最大宽度约5 cm，长度延伸较长，基本为南北走向，地面及房屋发生裂缝，致使该营地被迫搬迁，原引黄1号隧洞生活区营地被列为采空区危险区域。该区域位于崔家岭采空区以西地区，离洞线中轴100 m左右。

第四，2013年12月和2014年9月发现崔家岭矿新增垂直监测点ZJ14等11个点有一定的下沉，这些点均位于引黄输水洞线之上。

6.2 变动原因分析

从监测成果分析来看，经多年监测，4个采空区变形量基本较小，处于相对稳定状态。发生变化的仅有崔家岭矿这块区域，考虑发生大的变化区域到洞轴线较远，影响暂时不大，但仍需对其进行持续监测。

采空区土质是湿陷性黄土，受季节气温、雨季雨量、冻土消融等因素影响，另外个别监测点的埋设位置不可避免地靠近运煤铁路、公路，引起一定变形，但这种变形是局部变形引起的，并非采空区整体沉降变形。在2012年和2013年冬季进行的采空区灌浆治理工程也可能对监测点造成扰动。

由于测区部分工作基点和监测点不可避免地遭到破坏，基准点的破坏影响其稳定性评价，监测点破坏不能准确反映采空区变化范围，对整个监测工程的连续性和完整性造成了一定影响。

7 结语

国内外煤矿采空区的变形监测在矿井采矿沉陷变形及边坡、坝体稳定中大都采用全站仪或测量机器人进行变形观测，且范围较小，精度不高，局限性较大。在高寒地区恶劣气候等作业条件下，采用GPS和数字水准方法，对地下已形成的煤矿采空区残余变形进行水平变形和垂直变形观测，并采用地表与地下岩移监测相互结合的方式，达到了较高精度。本采空区地表变形监测技术为在采空区进行同类工程监测设计提供借鉴意义，对在同类采空区建设的工程稳定性评价具有重大的参考价值。