万家寨引黄工程北干线煤矿采空区2007年地表变形监测分析

1、万家寨引黄工程北干线煤矿采空区2007年地表变形监测分析贾向前（水利部山西水利水电勘测设计研究院，太原，030024）摘要：对万家寨引黄北干线煤矿采空区2007年地表垂直变形监 测与水平变形监测的作业方法、质量及成果进行了分析。关键词：垂直变形监测;水平变形监测；煤矿采空区中图分类号：P642 文献标识码：B1.监测任务概述万家寨引黄工程是山西省人民的生命工程，北干线1号隧洞下段线路所涉及的煤矿依次为井西煤矿、二铺二矿、二铺一矿、康家窑矿、安太堡露天矿、崔家岭矿、石崖湾矿、马蹄沟矿等，经实地查勘、访问沿线矿区，沿线多数矿区均发生过地面沉陷和裂缝现象。为了查明采空区沉降变形的范围、沉降变形特征、

2、规律、地表垂直沉降量，预测采空区的地面沉降变形发展趋势和隧洞围岩变形情况，满足水工设计需要，为施工前、施工中和运行期安全提供可靠的基础数据。我院接受“山西省万家寨引黄工程总公司”委托承担了北干线大梁水库刘家口煤矿的地表监测任务。测区地处山西北部，行政隶属于山西朔州市平鲁区，海拔在1300m左右。 2. 垂直位移变形监测2007年度垂直变形监测高程采用1956年黄海高程系，以2005年首次所测工作基点的高程作为监测线路的起算数据。 北干线1号隧洞下段采空区监测涉及四个煤矿，二铺一矿有两条监测线路，二铺二矿有两条监测线路，安太堡联营矿有两条监测线路，后合并为一条监测线路，崔家岭矿有两条监测线路。垂

3、直变形监测使用Trimble DiNi12和Topcon ATG2两台水准仪进行观测，标尺使用条码式铟瓦水准尺和普通铟瓦水准尺两对标尺。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。所有路线均为闭合环水准线路。2.1 技术依据往返较差、检测较差限差按表1执行。表1 垂直位移监测网的主要技术要求相邻基准点高程中误差/（mm）往返较差闭合差/（mm）检测已测高差较差/（mm）±2.0±1.2±1.5注：n代表测站数2.2作业方法一条路线的往返测，使用同一类型的仪器和转点尺承。测站往测时的观测顺序是奇数站为后前前后，偶数站为前后后前；返测时，奇、偶测站照准标尺的顺

4、序与往测时偶奇站相同。测站视线长度小于或等于50 m，前后视距差不大于0.3m，视距差累积不大于1.5m。2.3内业计算外业高差和概略高程表的编算按照规范要求进行的，进行了水准标尺长度误差改正、水准标尺温度改正、 闭合差改正三项改正，外业高差和概略高程表的编算只计算到高差中数。外业高差和概略高程表的编算完后，高程平差计算是采用太原理工大学葛永慧教授的高程网平差计算软件进行严密平差。2.4 精度统计1)垂直工作基点 (1)以CJ01垂直工作基点为起点组成一个二等水准闭合线路，5个监测周期所测工作基点线路闭合差统计见表2。表2 5个监测周期工作基点线路闭合差统计日期距离/（km）测站数闭合差/（m

5、m）限差/（mm）2007年4月21.95120.0±27.22007年6月21.8482-2.0±26.32007年8月20.8470-4.0±26.02007年10月20.8472-3.9±26.02007年12月20.8456+2.0±25.6 (2)每公里水准测量的偶然中误差按公式M=±计算（测段往返测高差不符值，mm;R测段长度，km;n测段数）,每公里偶然中误差统计见表3。表3 垂直工作基点环水准线路每公里偶然中误差 单位：mm序号测段距离/（km）中误差/mm限差/mm1CJ01CJ0121.9±0.40

6、77;12CJ01CJ0121.8±0.35±13CJ01CJ0120.8±0.47±14CJ01CJ0120.8±0.36±15CJ01CJ0120.8±0.36±12) 垂直监测点(1) 2007年每监测周期各条线路闭合差见表4表4 2007年每监测周期线路闭合差 起始点测站数闭合差/mm限差/mm4月6月8月10月12月CJ0274-0.2±10.3CJ0382-0.2+0.6-0.7-1.1±10.9CJ0436+1.2+0.3-0.1+0.1-0.1±7.2CJ0754-1.

7、1+0.7+0.9-0.3-0.8±8.8CJ0962-0.6+1.1+0.7-0.1-0.2±9.4CJ1010+1.0+0.9±3.8CJ1126-0.9-0.2±6.1新CJ1052-0.6-0.6-0.9±8.6CJ12136-0.2-0.3+0.9+0.5+2.4±14.0CJ14198+2.9+2.5+1.0-0.5-4.9±16.9(2) 2007年每周期监测环水准线路每公里偶然中误差见表5表5 2007年垂直监测线路每公里偶然中误差统计月份距离/（km）中误差/mm限差/mm4月16.9±0.26&

8、#177;16月16.8±0.35±18月17.1±0.24±110月17.1±0.22±112月17.1±0.25±1(3)垂直监测线路的每公里全中误差规范规定是在环线为20个时才进行计算，每周期8个闭合环（6月开始有7个闭合环），2007年共测5周期，总计37个环，根据各条监测线路的长度和监测线路的闭合差计算每公里全中误差，计算公式为W=±，（W经过各项改正后的水准环闭合差，mm;F水准环线周长，km;N水准环数）。则 W=±=±0.71(mm)。全中误差W小于国家一、二等水准测量

9、规范（GB128972006）规定的±2 mm，说明满足规范要求。(4)2007年所测监测点高程与2005年首次所测垂直监测点高程比较可以看出共有21个监测点大于±5.6 mm，将部分沉降量变化较大的垂直监测点进行分析，变化规律图见图1、图2。从垂直沉降量曲线图的趋势上看，二铺一矿巷道存在均匀的下沉，崔家岭矿存在突变的现象，有待于进一步监测分析。3.水平位移变形监测2007年度工作基点GPS平面坐标采用引黄准1954北京坐标系，水平位移监测采用引黄准1954北京坐标系，边长投影面为测区平均高程面1 300m。使用南方测绘仪器公司的NGS9600GPS仪器进行监测，仪器标称精

10、度为5mm+1ppm。内业计算采用南方GPSPRO处理软件包进行基线解算和平差计算。所有GPS网均采用三角形网。3.1技术依据1)水平位移监测网的主要技术要求见表6。表6 水平位移监测网的主要技术要求等级相邻基准点的点位中误差/（mm）平均边长/（km）最弱边相对中误差作业要求专三±621/350000按专业平面控制网的专三精度监测2)作业时同一监测点固定使用固定的GPS接收机，采用相同的图形和监测方法；3)GPS测量采用静态GPS测量，每一同步环为两个时段，每时段监测时间为120min；监测卫星数大于等于5颗，几何图形强度GDOP小于等于5,；卫星截止高度角大于等于15º

11、。3.2水平工作基点监测水平工作基点的观测是以北干13作为起算原点，北干15（GPS）点作为起算方位，北干12作为校核。起算边长使用实测边长，共布设9个工作基点。从2007年8月的监测中发现，工作基点SJ07有较大变动，该点位于东易煤矿附近，观测墩周围30m左右有多条裂缝，迹象表明该点平面位置和垂直位置有较大变动。该点比较值见表7。表7 SJ07水平位移工作基点坐标高程差 点 名平面分量差/m高程差/m平面分量差/m高程差/mX8Y8H8X12Y12H12SJ07-0.302+0.195-1.343-0.220+0.303-1.788从表8中看出，以12月较差与8月较差相比较，IISJ07仍在

12、下沉和偏移，需进一步观测发现其变化情况。3.3水平工作基点监测精度2007所测三个周期水平位移工作基点坐标与2005年首次所测水平位移工作基点坐标比较，可以看出点SJ05的坐标差超过限差±17mm，该点与垂直工作基点CJ14是同一标石，说明该点平面位置也有所位移。但该点从2006年8月发生变形后一直比较稳定。3.4水平位移监测点监测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。每周期使用6台GPS接收机进行观测，三台在工作基点上，三台在监测点上，两个时段完成后，在起始点上的仪器不动，另三台仪器进行其它监测点的测量。2007年进行的三个周期水平位移监测点坐标与2005年首

13、次所测监测点坐标差比较，可以看出有12个点的点位误差大于限差±17mm，这些点的高程也全部下沉，充分说明这些点位移变动，其他点的点位误差小于限差±17mm，说明这些点水平位移量变化很少。4结论1)从2007年监测成果看出，采空区变形量较小，而且岩移变形监测也印证了这一点，但通过SJ07工作基点的突变情况，不排除采空区存在突变的可能性。 2)根据2005、2006、2007年14次变形监测情况，建议对采空区变形观测持续监测，积累丰富的监测资料，以得到具备趋势性的数据。从而可以进一步了解各采空区的垂直沉降变化和水平位移变化规律，对今后引黄北干1号隧洞的安全施工和运行起到预测、预

14、报作用。 作者简介：贾向前，男，1975年生，1999年毕业于长春科技大学测量工程专业，工程师。收稿日期：2008-06-24 修回日期：2008-07-02Monitoring Survey on Ground-surface Deformation of 2007 in the Coal-mining Area on the North Main Line of Wanjiazhai YRDPJIA Xiang-qianAbstract: The paper analyzes the work method,work quality and result about monitoring survey on vertical and horizontal ground-surface deformation of 2007 in