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工程技术 Engineering technique 216 矿山矿床开采错动范围监测方案探究 朱自芬 （福建省海峡水泥股份有限公司， 福建 泉州 362500） 中图分类号TU723 文献标识码A 文章编号 1007-6344（2020）10-0216-02 摘要某矿山随着矿床的不断开采，原有应力平衡遭受破坏，很容易引起矿体上部和周边岩体滑移错动，造成地表塌陷，造成 地质灾害，有必要在塌陷之前，采取测量方法，密切监测移位、沉降状况，在大规模塌陷错动之前进行预测预报，减少灾难性事故 的发生。 关键词错动；变形监测；强制对中基座；全站仪精密三角高程 1 工程概述 地下矿山在开采之前，岩体处于原始应力平衡状态，采动后由于形成空 区，打破了原岩应力平衡，应力重新分布而达到新的平衡。在此过程中，顶 板围岩不可避免产生变形、以采空区应力大的区域为中心，向四周扩散，形 成凹陷变形区域（盆地） 。 当变形应力超过顶板边帮岩层的剪力，极易造成地表沉降、塌陷，造成 地质灾害。地表沉降、塌陷超大压强作用下，在矿井内形成气流冲击波，可 能造成矿井内人员伤亡和财产损失。 2 监测依据 为防止灾害和监测方便，根据地表坍塌、错动盆地内各处移动变形量大 小和演变过程特点将其划分为未变形区、微变区、变形过渡区、拉伸滑移区、 有可能的垂直没落区。变形过渡区是安全临界变形值，是无需维修就能保持 建筑物及各种设施正常使用所允许的地表最大变形，一般为水平位移ε 2mm/m、沉降10mm，超过临界变形值，有可能演变成拉伸滑移区和垂直没 落区，造成地表坍塌、错动危害。圈定的地表坍塌、错动范围（滑移区和垂 直没落区）外为稳定连续变形区（未变形区、微变区、变形过渡区） ，因此 有必要对该矿矿床开采可能坍塌、 错动范围内建立岩体位移、 沉降监测系统， 预报预警岩体活动，为了矿山的安全生产和管理提供科学依据。 3 沉降位移监测方法的选择 （1）GPS 监测方法 采用 GPS 定位技术，利用接收空中卫星信号测距进行定位，具有高精度 的三维定位能力，为监测地壳形变及各种工程变形提供了极为有效的手段。 但运用于变形监测等高精度领域， 一次性投资较大， 精度受外界干扰影响大。 （2）传统的变形监测方法 传统的变形监测方法主要有两大类一是平面位移采用经纬仪导线或三 角测量方法，高程用水准测量方法；二是利用全站仪导线和全站仪精密三角 高程作业方法。另外还有摄影测量和物理学传感器方法 本矿区位于戴云山脉南西段，属中低山构造侵蚀地形。矿区内最高点海 拔1026m，最低点海拔约683.0m，地形相对高差大，地形坡度陡（一般在 10～45）,适宜用全站仪导线和全站仪精密三角高程作业方法，并可利用原 有的设备，以下按本方法布置监测方案进行探讨。 4 矿区内基准网、工作基点、监测点的布置及精度 的确定 本矿圈定的可能坍塌、错动范围 66 万平方米，南北最大宽度 700 米， 东西最大走向 1300 米，根据矿体开采的次序、围岩特性、地形地貌特征， 监测点（1～9）的布设考虑整体区域全覆盖下，在最易拉伸滑移、垂直没落 中心区域，重点布置，距基准点最近距离 148 米（C7） ，最远距离 635 米 （I4） ；圈定的地表可能坍塌、错动范围外布设独立闭合导线基准网（A～ K） ，基准网导线边 11 条，平均长度 432m（A～K） ，符合水平位移监测基准 三等网的主要技术要求；监测点 9 个，至少与两个相邻基准点通视，最大边 长 493m，小于水平位移监测基准“四等网”边长限制（≤600m） 。个别和基 准点无法通视的监测点，可加设工作基点与基准点和监测点通视联测。每个 基准点和监测点平面、 高程基准兼用。 闭合导线基准网兼作环形高程基准网。 其基准网和监测点布置如下图所示。 水 水 水 35 35 丁乾头 省阳山铁矿厂 竹林湖 省阳山选矿厂 抽 水 水 石 乱 乱 水平位移监测根据中华人民共和国国家标准工程测量规范 GB50026-2007，变形监测的指标值，是综合了设计和相关文件施工规范已确 定了的允许变形量的 1/20 作为测量精度值，这样，在允许变形范围之内，可 确保建（构）筑物安全使用，且每个周期的观测值能反映监测体的变形情况。 某矿设计给定的水平位移临界变形值为ε2mm/m， 监测点相对于邻近的基 准点的距离最短 148 米 （Lc-7） ， 可能的最小变形量2mm/m148m296mm, 按允许变形量的 1/20 作为监测精度， 位移监测点相对于基准点的水平位移点 位中误差296/20/14.8mm。按工程测量水平位移监测基准网的主要 技术要求中“四等”布置水平位移监测网（四等相邻基准点的点位中误差 12.0mm≦14.8mm） ，可满足设计要求。 独立闭合导线基准网可提高一级，按三等基准网施测，测角中误差 mβ 1.8” ，边长相对中误差 1/T1/100000，平均长度 432m，计算纵横向点位中 误差 m点L√[（mβ/ρ） 2（1/T）2]5.7mm，符合三等相邻基准点的点 位中误差技术要求（5.7mm≦三等相邻基准点的点位中误差6.0mm） 。 沉降监测本矿是山区，设计文件给定矿床开采地表可能错动沉降的变 形临界值10mm，按工程测量规范GB50026-2007 变形监测按允许变形 量的 1/20 作为沉降监测精度指标值，精度要求高，相对高差中误差1.0mm 以下，电磁波测距三角高程测量无法满足所需精度，高精度水准测量在山区 又不易开展，工作量大。在满足实际监功能情况下，宜参考更接近矿床开采 可能塌陷、错动行业规范，降低沉降监测精度。 根据中华人民共和国地质矿产行业标准滑坡、崩塌监测测量规范 DZ/T0227-2004，在等速变形、加速变形及临滑突变等阶段，形变监测点高 程施测精度不宜低于垂直形变平均速率（以观测周期为单位）的 1/5～1/10， 作者简介朱自芬（1975-） ，男，汉族，福建三明人，学历大专，测量工程师，主要从事矿山测量工作。 Engineering technique 工程技术 217 但最高也不宜超过相对最近高程基准点高程中误差三等精度（5.0mm）要 求。矿床开采地表可能错动的设计文件要求，沉降变形临界值10mm，按中 华人民共和国地质矿产行业测量标准光电测距高程导线测量规范 DZ/T0034-92 三等高程导线测量，每公里高差中数全中误差6mm，本监测 方案基准点间距和监测点与基准点之间最长距离均不超过 647m，折算最近 （相邻） 高程基准点全中误差4.8mm（Mw6√0.6474.8mm） ， 满足 滑 坡、崩塌监测测量规范最低不得超过三等（5.0mm）形变监测点高程中 误差要求（即4.8mm≦5.0mm） 。 5 仪器设备的选择 利用矿山原有测角 2”级，距离（2mm210 -6D 全站仪,新购反射高低 棱镜组、强制对中基座、变形监测观测墩和浇筑用混凝土，可完成监测所需 设备材料的购置。 表 1 主要设备清单表 序 号 设备名称 型号 单位 数 量 备注 1 全站型电子速 测仪 GPT-3002LND 台 1 已有 2 反射高低棱镜组 高低棱镜互差， 10cm 左右 套 2 新购 3 强制对中基座 190*190 毫米，基座板材 料不锈钢 个 20 新购，最大对中误差 0.05 毫米 4 变形监测观测 墩 高 2700mm～3800mm 个 20 新购，安装强制对中 基座 5 混凝土 C20 m 3 / 现浇 6 基准点、监控点的埋设 本方案基准点和监测点需同时满足沉降基准点和位移基准点布设要求。 特别注意以下事项 （1）基准点和监测点均按变形监测观测墩加装强制对中基座。 （2）基准点和监测点的观测墩应埋设在基岩层或原状土层中，埋设深 度不少于 1500mm，出露地表不少于 1500mm。 （3）平面监测网点宜采用带有强制归心装置的观测墩照准标志宜采 用强制对中装置的觇牌，强制归心时对中中误差不得大于0.2mm。 7 施测方法 （1）水平位移基准网测量应符合工程测量规范三等主要技术要求， 同时应满足方位角闭合差≤3.6√n（n 为测站数） ，导线全长相对闭合差≤ 1/55000，测距满足下表 2 要求。 表 2 测距的主要技术要求 每边测回 数 气象数据测定的最 小读数 等级 仪器精度 等级 往 返 一测回 读数较 差 （mm） 单程各 测回较 差（mm） 温度 （℃） 气压 （Ｐa） 往返较 差（mm） 三等 5mm 级仪 器 2 2 5 7 0.2 50 ≤2（ab D） 注a、b 分别为相应等级所使用仪器标称的固定误差和比例误差，D 为测量 斜距（km） 监测点的水平位移测量符合工程测量规范水平位移监测基准网和测 距主要技术四等要求，每个监测点须用邻近两个以上基准点设站测量，观测 值取算术平均，并应在短时间内完成。对不同期测量，宜采用相同的观测网、 观测路线和观测方法，且宜使用相同的测量仪器设备。 （2）水平位移闭合导线基准点兼用的高程基准点，用光电测距直返觇、 高低棱镜组施测环线高程闭合环法，与闭合导线距离一同测量，每测站用高 低棱镜组观测两组高差和直返觇观测高差共 4 组，每测站两组高差之差和直 返觇高差之差符合下表 6， 表 6 每测站两组高差之差和直返觇往返高差 项目 等级 两组高差之差Δ（mm） 往返高差之差Δ（mm） 三等 12√S 35√S 注S 为视线长度，以 km 为单位。 监测点高程测量与高程基准点测量等级（三等）相同，每个监测点从一 个基准点导高程，与另一相邻基准点附合，形成附合网形。 （3）施测要求 ㈠施测过程注意事项 ①高程导线测量须在呈象稳定、清晰的条件下进行。日出前和日落前 2 小时及大气湍流严重、太阳中天期间不宜测量，阴天和多云天气最佳。 ②作业时，应避免在折光系数急剧变化的时间段内观测，并尽量缩短观 测时间。直返觇的高差，应进行地球曲率和折光差的改正。 ③矿区森林茂密，基准点、监测点周边和他们之间的测量视线通过地草 木，须进行干预。 ㈡仪器设备及其检校要求 已用于生产全站式速测仪测距每年应进行周期误差检验和加常数和乘 常数检验。 ㈢观测频率和观测周期 等速变形阶段，地表形变监测点宜安排三个月或一个月复测一次。加速 变形阶段，形变监测点的复测周期应视情况监测，两天～两周复测一次。 ㈣观测作业及数据处理方法要求 闭合导线闭合差宜先角度闭合平差，再距离闭合平差，环线高程闭合差 分配按距离平方倒数为权进行平差。 ㈤变形预警值及预警方式 当期监测值与初期监测值比较，水平位移超过ε2mm/m 的 75、沉 降10mm，须报告单位技术负责人，并立即复测，加大监测频率，位移、沉 降矢量值有继续扩大迹象，应通知撤离井下所有人员，并继续监测，检查地 表其他异常状况。 ㈥提交成果的内容、形式、和时间要求 提交测量成果包含记录手簿，计算过程以及每监测点位移矢量图（水平 位移矢量图、垂直位移以月为横轴折线图） ，提交时间为每月底。 8 结语 常规的测量方法具有测量精度高，资料可靠一次性投资少等优点，可充分 利用矿山原有的设备和人员，实现资源优化利用。但上述方法都需要人到现场 观测，工作量大、效率低、受气候的影响大，特别在南方山区，树木杂草丛生， 作业十分困难，监测点与基点往往不能通视，难以实现无人值守监测等缺点。 通过监测可了解和掌握岩体变形、破坏以及垮塌的演变过程，及时捕捉塌陷灾害 的特征信息，为塌陷的正确分析、评价、预测、预报及治理工程等提供可靠的资料和 科学依据。同时，监测结果也是检验岩体塌陷的控制尺度。因此，监测既是岩体变形 和破坏调查、研究及防治工程的重要组成部分，又是岩体破坏、失稳灾害预测预报信 息获取的一种有效手段。所以，建立安全可靠的岩体变形破坏、失稳监测系统显得尤 为重要。由于岩体工程的复杂性，岩体变形、失稳监测还需要综合多种方法进行。 参考文献 [1]中华人民共和国行业标准建筑变形测量规范JGJ8-2016； [2]中华人民共和国国家标准工程测量规范GB50026-2007； [3]中华人民共和国地质矿产行业标准滑坡、崩塌监测测量规范 DZ/T0227-2004； [4]中华人民共和国地质矿产行业测量标准光电测距高程导线测量规 范DZ/T0034-92