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摘 要 影响煤矿安全生产的因素是多样的，矿区的沉降变形和地质稳定性监测是众多影响因素中较为重要的一个。文章从典型矿区非采动沉降变形监测的基本理论出发，分析非采动沉降监测的意义和关键技术，并通过典型案例分析，对指导矿区安全开采，提升煤矿安全生产管理水平具有重要意义。
关键词 矿区；沉降变形；水准测量
中图分类号：P6 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）17-0194-01
目前，我国的大型煤炭生产基地煤炭储量丰富、煤类齐全、煤质优良，开采条件较好，区位优势明显，同时具备一定的生产开发规模和配套工程设施，开采条件成熟。但由于缺乏总体规划和有效的开采计划，造成矿区地质环境和地质结构发生变化，因此，对整个矿区进行非釆动沉降监测对提高煤矿开采的安全性，维护国家能源安全、满足经济社会发展需要、调整和优化煤炭生产结构、促进资源地区经济社会发展，具有十分重要的意义。
1 非采动沉降变形监测的基本理论
1）非采动地表沉降的概念。非采动地表沉降是指由煤矿开采区域含水地层因为失水而引起的地表乃至整个冲积层连续的移动变形和非连续的破坏现象。大型煤矿基地随着开采面积和开采面的不断延伸，竖井区域内的地层发生变化和沉降，导致开采井筒内外壁之间的应力变化，发生相对移动，在外表面产生摩擦，从而造成井架基础沉降差、井壁的纵向变形、径向变形及环向变形，变形达到一定程度，井架和井壁就会发生破坏。
2）非釆动沉降变形监测的意义。大型煤矿矿区伴随煤炭的连续开采，地面会出现形变，导致矿区的空气地下水等环境被破坏，严重影响煤矿的安全生产和矿区附近的人民群众生活，同时煤矿的非釆动形变可能有沉陷、滑移等形式。传统的煤矿生产企业，专业的测量人员少，靠人工巡视很难及时、准确、有效的发现地表的非釆动形变，不能满足整个矿区的安全监控问题，不能及时 掌握矿区形变的总体信息。因此，建立矿区边坡、土场及地表形变观测网，利用最新的沉降监测技术手段，全面监测整个矿区的地面沉陷问题，建立生产矿区的形变场模型和预警预报系统，可以及时发现和监控可能发生形变的区域，对确保矿区矿山的安全生产具有重要意义。
3）非釆动变形监测的关键技术分析。非采动沉降的监测也是确保煤矿安全生产的一项重要工作之一。而工业广场地表沉降变形的关键，就在于高精度沉降信息获取，及时、准确地对变形进行分析与解释和对可能由于变形而产生的危害的准确预报。所以，研究变形监测的方法和寻找合适于变形预测的模型是保证矿井安全生产，为工程设计和灾害防治提供科学保障，同时也为今后类似条件下矿井安全使用积累技术资料，具有重要的现实意义。
2 某煤矿非采动沉降监测系统设计研究
某煤矿占地面积70平方公里，目前探明储量超过5亿吨，开采煤层有包括己15、己16-17煤层和庚组煤层。主要产品是肥煤、三分之一焦煤，目前设计年产煤矿200万吨以上水平，属于国家大型骨干矿井之一。为保证煤矿的整体安全，非采动沉降监测网埋设基准点2个，地表监测点11个，井架基础监测点8个，煤仓基础监测点12个，共计33个。
1）监测点布设原则。一、二等水准网选取基岩标、深标或其他稳定的点作为结点，新埋设水准点、临时转站点不作为结点，用于局部区域高程控制的水准点，布设间距按0.5km布设，开采区和工程建设活动密集区的水准点，在水准网基础上按照等间距或者按照远离监测区方向逐渐稀疏的原则适当加密；对于地质条件变化较大的开采区域，应沿垂直（斜交）于线型工程走向适当布置少量的监测点。
2）沉降观测的技术、精度及频率设计。对于矿区地面沉降监测采用精密水准测量或GPS测量方法进行，对于开采区的土层分层沉降监测，采用自动化监测仪或人工测量方式进行监测，对于开采与以下的地下水位监测也采用自动化监测仪或人工测量方式进行监测。
矿区开采区中心区域以及局部重点区域沉降监测网的首级高程控制监测等级为一等，应采用区域一等水准网，按照一等水准测量要求执行；在此基础上的水准加密网监测等级为二等，应采用区域二等水准网，按照二等水准测量要求执行。监测精度上一、二等水准测量的每公里水准测量高差中数的偶然中误差MΔ和每公里水准测量的全中误差Mw，应符合国家一、二等水准测量规范的规定。
矿区非采动沉降监测频率的确定应以能系统反映矿区整个生产区域的重要变化过程而又不遗漏其变化时刻为原则。沉降监测具有很强的时效性，必须具有足够高的频率，观测必须是及时的，否则，易遗漏监测对象所测监测项目的重要变化过程，不能及时发现监测对象的异常变化，造成错误的判断，危及煤矿的安全生产与周围环境的安全（建议参考表1）。
表1 监测频率
工程类型 监测频率
1 精密水准测量 中心城区 1次/月
局部区域 1次/周
2 GPS测量 一级网 1次/周
二级网 1次/周
3 土层分层监测 1次/月
4 地下水位监测 1次/月
3）矿区非釆动沉降变形监测观测要求。监测网由于自然条件的变化，人为破坏等原因，不可避免的有个别点位会发生变化。为了验证监测网点的稳定性，应对其进行定期检测。在实际的监测过程中，每次采用单路线往返观测，每次观测均形成闭合检验条件，选用仪器及配套水准尺均应在有效合格检定期内。水准仪与水准尺在使用前及使用过程中，经常规检校合格，水准仪视准轴与水准管轴的夹角均不超过15″。外业测量一条路线的往返测使用同一类型仪器和转点尺垫，沿同一路线进行。观测成果的重测和取舍按《国家一、二等水准测量规范》（GB/T 12897-2006）有关要求执行。观测时，一般按后-前-前-后的顺序进行，每一测段均为偶数测站。晴天观测时给仪器打伞，避免阳光直射；扶尺时借助尺撑，使标尺上的气泡居中，标尺垂直。观测前30 min，将仪器置于露天阴影处，使仪器与外界气温趋于一致；测量中避免望远镜直接对着太阳；自动安平水准仪的圆水准器，严格置平。观测过程中为保证水准尺的稳定性，选用2.5 kg以上的尺垫，水准观测路线必须路面硬实，观测过程中尺垫踩实以避免尺垫下沉。数据处理时，闭合差、中误差等均满足要求后进行平差计算，主水准路线要进行严密平差，选用经鉴定合格的软件进行。
3 结论
煤矿安全生产事关职工群众的生命和财产安全，关系到企业的全面发展和经济效益，同时又对国家的能源战略具有重要影响。在煤矿的生产作业过程中，需要通过各种技术手段，保障整个矿区的安全。非釆动沉降监测的结果能够有效反映开采区地下水位下降与地面沉降的关联、物理解释和沉降机理，为矿区的规划和生产计划的安排提供参考依据。本文通过研究建立以国家高等级水准点为固定基准的高精度沉降监测系统，能够为煤矿的安全生产积累了大量的技术资料，具有积极的指导意义。
参考文献
[1]高井祥，郑南山，余学祥.GPS技术在矿区井筒变形监测中的应用[J].全球定位系统，2001，26（4）：45-48.
[2]魏建东.现代变形监测技术的发展现状与展望[J].测绘科学，2007，32（6）：10，13.
[3]潘宇.许瞳矿非采动沉降监测系统与预测模型[D].安徽：安徽理工大学，2012.
[4]潘宇.等维信息模型在矿井井架基础沉降中的应用[J].安徽理工大学学报（自然科学版），2011，31（2）：71，74.
关键词 矿区；沉降变形；水准测量
中图分类号：P6 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）17-0194-01
目前，我国的大型煤炭生产基地煤炭储量丰富、煤类齐全、煤质优良，开采条件较好，区位优势明显，同时具备一定的生产开发规模和配套工程设施，开采条件成熟。但由于缺乏总体规划和有效的开采计划，造成矿区地质环境和地质结构发生变化，因此，对整个矿区进行非釆动沉降监测对提高煤矿开采的安全性，维护国家能源安全、满足经济社会发展需要、调整和优化煤炭生产结构、促进资源地区经济社会发展，具有十分重要的意义。
1 非采动沉降变形监测的基本理论
1）非采动地表沉降的概念。非采动地表沉降是指由煤矿开采区域含水地层因为失水而引起的地表乃至整个冲积层连续的移动变形和非连续的破坏现象。大型煤矿基地随着开采面积和开采面的不断延伸，竖井区域内的地层发生变化和沉降，导致开采井筒内外壁之间的应力变化，发生相对移动，在外表面产生摩擦，从而造成井架基础沉降差、井壁的纵向变形、径向变形及环向变形，变形达到一定程度，井架和井壁就会发生破坏。
2）非釆动沉降变形监测的意义。大型煤矿矿区伴随煤炭的连续开采，地面会出现形变，导致矿区的空气地下水等环境被破坏，严重影响煤矿的安全生产和矿区附近的人民群众生活，同时煤矿的非釆动形变可能有沉陷、滑移等形式。传统的煤矿生产企业，专业的测量人员少，靠人工巡视很难及时、准确、有效的发现地表的非釆动形变，不能满足整个矿区的安全监控问题，不能及时 掌握矿区形变的总体信息。因此，建立矿区边坡、土场及地表形变观测网，利用最新的沉降监测技术手段，全面监测整个矿区的地面沉陷问题，建立生产矿区的形变场模型和预警预报系统，可以及时发现和监控可能发生形变的区域，对确保矿区矿山的安全生产具有重要意义。
3）非釆动变形监测的关键技术分析。非采动沉降的监测也是确保煤矿安全生产的一项重要工作之一。而工业广场地表沉降变形的关键，就在于高精度沉降信息获取，及时、准确地对变形进行分析与解释和对可能由于变形而产生的危害的准确预报。所以，研究变形监测的方法和寻找合适于变形预测的模型是保证矿井安全生产，为工程设计和灾害防治提供科学保障，同时也为今后类似条件下矿井安全使用积累技术资料，具有重要的现实意义。
2 某煤矿非采动沉降监测系统设计研究
某煤矿占地面积70平方公里，目前探明储量超过5亿吨，开采煤层有包括己15、己16-17煤层和庚组煤层。主要产品是肥煤、三分之一焦煤，目前设计年产煤矿200万吨以上水平，属于国家大型骨干矿井之一。为保证煤矿的整体安全，非采动沉降监测网埋设基准点2个，地表监测点11个，井架基础监测点8个，煤仓基础监测点12个，共计33个。
1）监测点布设原则。一、二等水准网选取基岩标、深标或其他稳定的点作为结点，新埋设水准点、临时转站点不作为结点，用于局部区域高程控制的水准点，布设间距按0.5km布设，开采区和工程建设活动密集区的水准点，在水准网基础上按照等间距或者按照远离监测区方向逐渐稀疏的原则适当加密；对于地质条件变化较大的开采区域，应沿垂直（斜交）于线型工程走向适当布置少量的监测点。
2）沉降观测的技术、精度及频率设计。对于矿区地面沉降监测采用精密水准测量或GPS测量方法进行，对于开采区的土层分层沉降监测，采用自动化监测仪或人工测量方式进行监测，对于开采与以下的地下水位监测也采用自动化监测仪或人工测量方式进行监测。
矿区开采区中心区域以及局部重点区域沉降监测网的首级高程控制监测等级为一等，应采用区域一等水准网，按照一等水准测量要求执行；在此基础上的水准加密网监测等级为二等，应采用区域二等水准网，按照二等水准测量要求执行。监测精度上一、二等水准测量的每公里水准测量高差中数的偶然中误差MΔ和每公里水准测量的全中误差Mw，应符合国家一、二等水准测量规范的规定。
矿区非采动沉降监测频率的确定应以能系统反映矿区整个生产区域的重要变化过程而又不遗漏其变化时刻为原则。沉降监测具有很强的时效性，必须具有足够高的频率，观测必须是及时的，否则，易遗漏监测对象所测监测项目的重要变化过程，不能及时发现监测对象的异常变化，造成错误的判断，危及煤矿的安全生产与周围环境的安全（建议参考表1）。
表1 监测频率
工程类型 监测频率
1 精密水准测量 中心城区 1次/月
局部区域 1次/周
2 GPS测量 一级网 1次/周
二级网 1次/周
3 土层分层监测 1次/月
4 地下水位监测 1次/月
3）矿区非釆动沉降变形监测观测要求。监测网由于自然条件的变化，人为破坏等原因，不可避免的有个别点位会发生变化。为了验证监测网点的稳定性，应对其进行定期检测。在实际的监测过程中，每次采用单路线往返观测，每次观测均形成闭合检验条件，选用仪器及配套水准尺均应在有效合格检定期内。水准仪与水准尺在使用前及使用过程中，经常规检校合格，水准仪视准轴与水准管轴的夹角均不超过15″。外业测量一条路线的往返测使用同一类型仪器和转点尺垫，沿同一路线进行。观测成果的重测和取舍按《国家一、二等水准测量规范》（GB/T 12897-2006）有关要求执行。观测时，一般按后-前-前-后的顺序进行，每一测段均为偶数测站。晴天观测时给仪器打伞，避免阳光直射；扶尺时借助尺撑，使标尺上的气泡居中，标尺垂直。观测前30 min，将仪器置于露天阴影处，使仪器与外界气温趋于一致；测量中避免望远镜直接对着太阳；自动安平水准仪的圆水准器，严格置平。观测过程中为保证水准尺的稳定性，选用2.5 kg以上的尺垫，水准观测路线必须路面硬实，观测过程中尺垫踩实以避免尺垫下沉。数据处理时，闭合差、中误差等均满足要求后进行平差计算，主水准路线要进行严密平差，选用经鉴定合格的软件进行。
3 结论
煤矿安全生产事关职工群众的生命和财产安全，关系到企业的全面发展和经济效益，同时又对国家的能源战略具有重要影响。在煤矿的生产作业过程中，需要通过各种技术手段，保障整个矿区的安全。非釆动沉降监测的结果能够有效反映开采区地下水位下降与地面沉降的关联、物理解释和沉降机理，为矿区的规划和生产计划的安排提供参考依据。本文通过研究建立以国家高等级水准点为固定基准的高精度沉降监测系统，能够为煤矿的安全生产积累了大量的技术资料，具有积极的指导意义。
参考文献
[1]高井祥，郑南山，余学祥.GPS技术在矿区井筒变形监测中的应用[J].全球定位系统，2001，26（4）：45-48.
[2]魏建东.现代变形监测技术的发展现状与展望[J].测绘科学，2007，32（6）：10，13.
[3]潘宇.许瞳矿非采动沉降监测系统与预测模型[D].安徽：安徽理工大学，2012.
[4]潘宇.等维信息模型在矿井井架基础沉降中的应用[J].安徽理工大学学报（自然科学版），2011，31（2）：71，74.