矿山测量在煤矿储量动态监测工作中的应用

2023-08-01周坚夏锦胜汪君珠

科技资讯 2023年12期

周坚夏锦胜汪君珠

摘要：煤礦储量动态监测工作是煤矿生产过程中一项重要的工作，对于煤矿发展和国家经济发展具有重要意义。矿山测量是储量动态监测的工作基础，能为储量动态监测工作提供准确、全面的矿山空间数据，其准确性对指导和监管煤矿的生产至关重要，并可降低安全生产事故的发生。文章主要阐述了在纳雍县中岭井田、坪山井田煤矿储量动态监测实际工作中应用煤矿地面GPS控制网的布设、井下测量、井下地质测量等技术措施，分享矿山测量方法在煤矿储量动态监测工作中的方法和经验，进而为读者在煤矿储量动态监测中提供可参考可借鉴的经验。

关键词：矿山测量煤矿储量动态监测实践经验

中图分类号：TD17 文献标识码：A

Application of Mine Survey in the Dynamic Monitoring of Coal Mine Reserves

ZHOU Jian1 XIA Jinsheng2* WANG Junzhu2

（1. Geology 113 Brigade， Guizhou Provincial Bureau of Geology and Mineral Resources; 2. Liupanshui Natural Resources Bureau， Liupanshui， Guizhou Province， 553000 China）

Abstract： The dynamic monitoring of coal mine reserves is an important work in the process of coal mine production， which is of great significance to the development of coal mines and national economy. Mine survey is the basis of reserve dynamic monitoring and can provide accurate and comprehensive mine spatial data for reserve dynamic monitoring， and its accuracy is critical to guiding and supervising the production of coal mines and can reduce the occurrence of safety accidents. This paper mainly expounds the technical measures of applying the coal mine ground GPS control network such as the layout， underground survey and underground geological survey in the practical work of the dynamic monitoring of coal mine reserves in the Zhongling wellfield and the Pingshan wellfield in Nayong County， and shares the methods and experience of the mine survey method in the dynamic monitoring of coal mine reserves， so as to provide readers with experience for reference and models in the dynamic monitoring of coal mine reserves.

Key Words： Mine survey; Coal mine; Reserve dynamic monitoring; Practical experience

自原国土资源部2006年要求全面开展矿山储量动态监督管理通知后，贵州省原国土资源厅相继发布了贵州省矿山储量动态监测试点工作方案等文件，并陆续开展了储量动态监测工作。储量动态监测工作为矿山的建设生产提供技术依据，同时也对矿山是否存在超层越界开采等违法行为进行监督，为相关职能部门提供矿山的生产情况，便于矿山的生产及管理。文章通过在纳雍县中岭井田、坪山井田煤矿进行储量动态监测中应用矿山测量技术开展工作，得到很好的应用效果，从而为其他煤矿在储量动态监测中提供参考借鉴的方法。

1 项目基本情况

文章研究的煤矿位于纳雍县中岭井田、纳雍县坪山井田位于纳雍县中岭镇河坝村，矿井于2002年7月26日开工建设，2006年5月全面建成投产，开采矿种为煤，开采方式为地下开采；生产规模为300万t/a；矿区面积15.749 km2。

2 作业依据及采用的仪器设备

作业依据为《地质矿产勘查测量规范》（GB/T 18341-2021）、《固体矿产勘查原始地质编录规程》（DZ/T 0078-2015）、《矿产地质勘查规范煤》（DZ/T 0215-2020）、《全球定位系统（GPS）测量规范》（GB/T 18314-2009）、《全球定位系统实时动态测量（RTK）技术规范》（CH/T 2009-2010）、《煤矿测量规程》（2013版）、《工程测量标准》（GB 50026-2020）。

采用的仪器设备为海星达iRTK2型GNSS接收机及防爆电池的尼康Nivo2.M+型号全站仪，全站仪测角精度为2″，测距精度为2 mm+2×10-6；海星达iRTK2型GNSS接收机测量精度静态±（2.5 mm+1×10-6D），实时动态测量±（8 mm+1×10-6D）；测量平面坐标系统采用2000国家大地坐标系统3度高斯-克吕格投影，高程系统采用1985国家高程基准。

3 矿山测量工作方法

通过自然资源等部门收集矿山的基本生产资料，收集矿山区域地质地形图、采掘工程平面图、通风系统图等相关图件资料，对煤矿山的井下工程布置、开采煤层、回采工作面、采煤工艺、掘进布置巷道、井下密闭及地质情况等进行初步了解。收集矿山的储量核实报告及其备案文件、开采设计方案及其批复文件及往年的储量动态监测资料作为储量动态监测工作的基础性资料。

3.1 地面控制测量

研究的煤矿矿区面积较大，矿山地形复杂，因此采用GPS静态做控制测量。具体进行矿山测量时，应该构建矿山GPS 网，形成更加科学的高精度管控网络系统，能够明确内部网点具体的坐标信息[1]。GPS技术原理是应用卫星定位技术，以卫星瞬时移动的位置作为GPS技术核算根据，再应用空间距离在后方交会的途径确定被检测点具体位置，具有定位准确、成本低、操作简单、时间短的特点[2]。

GPS控制测量是在控制点上架设GNSS接收机，直接接收天上卫星信号，因此GPS控制网的网形结构灵活，不受视线通视等因素的限制。接收机自动接收卫星信号，测量人员只需对中整平好仪器，开机并记录相应的仪器参数及天气情况等信息即可。需注意的是为确保GNSS接收机接收的卫星信号质量良好，避免多路径的影响，因此，需考虑接收机和卫星之间的角度关系，避免接收机被房屋或树木遮挡，远离大面积水域。GPS外业测量不受天气影响，但遇恶劣天气如雷雨天气等不能进行外业观测。同时在外业观测时，因为GPS点间距离可以很大，为此尽量两人一组，避免测量人员安全意外的发生。测量员在进行外业观测时，不得离开仪器过远或者离开仪器时间过长，应随时观察仪器是否正常运行，随时发现问题并及时改正，保证外业数据的准确性及仪器的安全性。

本次选取3个离矿区较近国家C级点（2个C级点作为首级控制测量点，一个作为检查点）作为控制测量的起算点。在矿区内中岭井田和坪山井田内地表井口附件布设GPS控制点，结合实际地形等因素，点位布设在易于安装设备，视野开阔的办公楼的楼顶及地势较高处，每处井口附件布设3个相互通视的GPS控制点，点位远离大功率无线电发射源，远离高压输电线。本次工作布设12个GPS控制点。点位布设完成后，要求矿方对测量标志保护好，以免被破坏。

采用多台海星达iRTK2型GNSS接收机在C级控制点及布设好的GPS观测点上进行。记录测站开机时间、仪器高及气象元素等信息，在始、末各观测记录一次。同步观测4颗以上卫星，观测时段长45 min～2 h。接收机测定出这段时间内到卫星的偽距、载波相位和卫星星历等观测值，并记录在相应的存储器中。野外观测结束后，及时将数据导入计算机硬盘、软件上，确保观测数据不丢失。

在仪器配套的数据处理软件中导入原始观测数据，系统将对所有的基线向量进行自动处理，基线的检查须通过RTIO、RDOP、RMS、同步环闭合差、异步环闭合差及重复基线较差。由于有些观测点上的部分GPS 数据质量不佳，会存在部分基线处理不合格误差超限的情况发生，因此需要对不合格的基线进行人工解算，如剔除不好的卫星信号，直至所有基线全部解算合格。解算合格后进行GPS控制网的平差计算。首先进行GPS网三维无约束平差，三维无约束平差合格后，加入控制点进行三维约束网平差或者二维约束平差加高程拟合。最终导出成果报告，检查最弱点及最弱边的中误差是否满足要求。为考虑到矿区的长远发展，最后通过全站仪加密方式对GPS控制点进行加密计算、提高控制点精度。

3.2 井下测量

煤矿井下采用巷道掘进，因此本次采用防爆电池的尼康Nivo2.M+型号全站仪对井下进行实测。在井下测量时使用全站仪会更加的方便快捷。全站仪具有操作简单、数据处理快速准确，全站仪自身带有数据处理软件系统，可以快速而准确地对空间数据进行处理，计算出点位的三维坐标。矿用全站仪存在与外部设备连接的通信接口，通过数据线可与外部设备如计算机、打印机、扫描仪等进行连接，从而可直接将全站仪野外实测数据传送至外界设备，便于测量数据内业整理以及矿图绘制等。全站仪内部安装有双轴自动补偿控制系统，全站仪在井下测量过程中可利用该系统对竖轴以及水平轴误差进行调整，从而降低仪器内部误差[3]。

以井口GPS控制点为起算点对井上井下进行联系测量，对矿井井下主要巷道采用符合导线或闭合导线进行实测，采区控制导线应沿采区上、下山和中间巷道、片盘运输巷道以及其他次要巷道进行敷设，井下永久性导线点应设在巷道顶板稳定的岩石中，每隔 300～ 500 m设置一组，每组至少有 3 个相邻点。由于矿山储量动态监测是一项连续性的工作，生产的煤矿山一年需進行4个季度井下实测工作。因此当巷道继续掘进时，以基本导线所测设的最终边为基础，向前继续敷设控制导线。

由于井下施工条件复杂、测量工作受施工环境影响大等因素，在井下使用全站仪测量时，为提高测量精度，可采取以下措施：（1）可在前视测点及后视测点架设三脚架安装棱镜的方法提高精度；（2）因为温差的影响，进入井下工作地点之后需要开启仪器，使得仪器内外温度相吻合，避免出现水汽而降低测量的精确性；（3）在测量之前需要输入测量参数，譬如仪器高、棱镜高与温度值等，需要对这些参数进行多次的检查，确认无误后才可以展开接下来的测量操作；（4）在测量的过程中，棱镜需要和测站方向相对齐，由于各个棱镜的参数是不同的，因此需要关注到被使用的棱镜和其设置的参数是否相一致[4]。全站仪每站独立定向两次，互差不得超过规定值。在确保定向正确的情况再进行前视坐标的采集。在进行测量工作时，应由一名测量负责人全面指挥，矿方瓦检员、安全员一同参加，确保测量安全。

对井下巷道条件不好（积水或巷道狭窄等）的不能使用全站仪测量的巷道可采用半仪器法（罗盘+皮尺）进行测量。为确保测量的准确性可采用罗盘前后对测，在误差允许范围内取平均值，皮尺测量采用3次读数取平均值。

3.3 井下地质测量

随着导线测量的进行，同时需进行地质测量。煤矿地质测量工作是保障资源开采顺利进行的重要基础，同时也是收集地质资料与储量的动态监控重要手段[5]。井下地质测量主要针对开采区域的地质构造、水文环境以及煤层情况进行了解。具体工作大致包括对巷道岩性的调查，见煤点的煤层厚度及含夹矸情况，煤层的产状及断层等构造情况，煤层顶底板的岩性及巷道支护形式，矿山的涌水情况等进行测量及调查。

3.4 探采对比及储量估算

根据实地井下测量及调查，确定矿山的生产等情况，煤矿回采6号煤层及8号煤层。开采区6号煤层厚度平均1.7 m，与储量核实报告中计算块段厚度一致，顶板为粉砂质泥岩、细砂岩，底板为泥岩、粉砂质泥岩。开采区8号煤层平均厚1.8 m、煤层倾角10°，与储量核实报告中计算块段厚度及倾角不一致（原储量核实报告中计算块段为1.62 m、1.95 m，倾角10°、13°），顶板为粉砂质泥岩、细砂岩，底板为泥岩、粉砂质泥岩。因此，需对煤矿进行重算资源量。

资源量估算范围以井下实测及调查的回采工作采址位置确定采空区的大小。煤层的倾角及厚度采用井下实测数据。储量估算工业指标等引用已有的地质资料。采用地质块段估算法得出煤矿的动用各煤层资源量的情况。最终得出该矿山本年度的动用资源量、损失量及回采率、损失率，根据自然资源厅备案的储量核实报告中资源量，结合历年来的消耗量及本年度的消耗资源量、重算资源量，得出本年度年末保有资源量及不同类别的资源储量保有量等数据。最后得出纳雍县中岭井田、纳雍县坪山井田本年度无越层越界开采煤炭资源现象，并按开采设计方案进行煤炭资源的开采。

4 思考与建议

近年来煤矿事故的发生，对人民和国家造成的损失巨大。如2022年2月25日，贵州省某煤矿发生一起重大顶板事故，造成14人死亡，直接经济损失达2 000多万元。在事故调查报告中有“矿山越界盗采国家资源”“中介机构出具虚假的储量动态监测报告，报告内容与实际矿山生产情况严重不符”。做好储量动态监测工作，可以防止矿山越界盗采国家资源等违法行为的发生。在矿山测量过程中还需注意以下方面。

（1）矿山井下测量控制点布设在较稳固的巷道顶板上，但由于长期的压力、水等因素作用下，会导致巷道的变形，为保证井下测量数据的准确性，因此需定期对井下控制点进行复测校核。

（2）在对矿山了解其生产情况时，可向能源局驻矿安全员了解矿方介绍的生产情况是否属实，是否有隐瞒的相关生产工作面。也可对比矿山最近的安全检查指令。

（3）对矿山生产中靠近矿边界的巷道及采煤工作面需严格控制测量。对矿山回采工作面在切眼贯通后未正式回采前需进行一次测量，因为矿山储量动态监测是季度性的井下实测，不能有效的控制回采工作面的长度。

（4）在相应煤层底板等高线及资源量估算图中叠合实测的煤层空间位置，确认煤层编号是否正确，并结合矿山开采设计方案，明确矿山是否按开采设计方案进行开采。矿山企业在开采中存在“采富弃贫、采厚弃薄”，不按开采顺序开采等现象，会导致资源利用总体水平不高，浪费国家资源。

（5）在井下测量及调查过程中，需详细对矿山密闭进行实测调查。须实测密闭位置，了解密闭前方情况、密闭原因、密闭时间等。了解密闭是否有能源局下发的许可文件，收集矿山的密闭管理台账。

（6）发现矿方井下虚假密闭或矿山表示前方顶板垮塌或通风条件不佳，禁止监测人员进入实测及调查的，须向相关职能部门询问和反映相关情况，查明情况是否属实。

（7）由于煤矿的地下采空及地下抽水等因素的影响会导致地面坍陷变形。为减少地质灾害的发生，确保人民财产和生命的安全，储量动态监测工作中还应加入对地表裂缝等现象的调查和测量，及时发现问题，及时采取相应安全措施[6]。

（8）煤矿井下测量存在安全风险，测量人员需仔细观察周边环境，做到安全第一，必须要求矿方人员特别是安全员及瓦检员陪同参与，并随时介绍井下相关情况，防止危险的发生。对确实存在危险的区域，待危险解除后方可进行测量，或者采用物探等方法进行测量。

（9）煤矿储量动态监测工作应加入相应的抽查监管制度，采用第三方机构对矿山的井下情况抽查实测，并与储量动态监测报告进行对比，以防违法违规行为的发生，可有效避免安全事故的发生。

（10）对煤矿生产过程中靠近矿界和保安煤柱的巷道及采面應及时提醒矿方，让矿方了解沿当前方位掘进多少米会进入保安煤柱，以免矿方进入保安煤柱生产，甚至越界采矿行为的发生。

5 矿山测量技术的发展趋势

矿山地质测量是掌握矿山地质条件和储量变化情况的一项重要基础性工作，是有效监测矿山资源储量开采消耗的关键手段。当前矿山地质测量技术发展很快，便利化应用水平和测量精度不断提高[7]。文章对未来矿山测量技术的发展进行以下探讨。

随着GNSS接收机定位精度的提高和更多更高精度北斗卫星的发射，相信不久的未来RTK（实时动态定位）结合CORS系统的测量数据可达到控制点的精度要求，这样就省去了GPS控制网的静态测量，可节约大量的时间和成本，更加方便快捷。
随着全站仪测角和测距精度的提高，可使得井下测量的精度越来越高，操作也会更加简便。对于井下人员无法到达的区域，或者存在危险的区域不适合人员直接进入测量的，可用更加先进的方法和更加先进的仪器如三维激光扫描仪等，间接获取高精度的测量数据。
随着计算机的发展以及获取更加准确的测量数据，以矿体投影图编制工作流程为主线，以地矿点源数据库为基础，综合运用 GIS、图库一体化、三维可视化、空间数据快速转换及自动建模等技术[8]，可建设更加准确的矿山三维可视化模型，更加直观地分析矿山的空间关系。

随着时代的发展，5G时代的来临、人工智能及计算机技术的发展、测绘仪器的更新等，矿山测量技术将会越来越智能化、数字化。利用数字测绘技术，可以轻易地解决许多传统测绘技术难以解决的问题，大大降低工作的难度，而且它的精度非常高，可以帮助测量者避免许多潜在的危险，确保工作的安全[9]。

6 结语

综上所述，储量动态监测工作将伴随着煤矿的生产一直进行下去，是一项连续性的工作。做好矿山测量工作，为煤矿储量动态监测工作提供准确完善的基础数据，对于促进企业珍惜和合理开发利用矿产资源，防止越界开采、破坏性开采等违法行为的发生，减少安全隐患的发生具有重要意义。而矿山测量的发展将会更好地服务于煤矿储量动态监测工作。