1、第 24卷第 5期 资源环境与工程 Vol 24, No 5Resources Environment 变形监测 ; 水平位移 ; 垂直位移中图分类号: TV68; TD853. 391 + . 2 文献标识码: A 文章编号: 1671 - 1211 (2010) 05 - 0531 - 04的地面和建筑物裂缝等损坏 2 。0 引言 本文通过对禹州矿区渠段采空区变形监测方案探南水北调中线一期总干渠工程河南省境内禹州段 讨 ,旨在监测小煤矿采空区在渠道施工前、施工期、运经过的采空区依次为新峰矿务局二矿、梁北镇郭村煤 行初期的变形情况 ,并预测发展趋势 ,为采空区段工程矿、梁北镇工贸公司煤矿、梁
2、北镇福利煤矿和梁北镇刘 优化设计、施工、运行管理提供可靠的技术依据。垌村一组煤矿等 5 个煤矿的采空区 ,采空区平面长度3111 km。经调查访问、收集资料和勘察 ,沿线地表曾出现有地面沉降和裂缝 , 采空区多为 1 层 , 局部有 2层 ,主要为六 4煤采空区 ,局部有六 2 煤采空区。煤层单层厚度约 1 m ,采空区埋深 100269 m ,多为上世纪90年代以后小煤矿开采形成 , 2003 年以后多数已停采 , 2005年以后煤井全部关停废弃。沿线所涉及的均是小煤矿所形成的采空区 ,采空区形成的时间均在 5 年以上。小煤矿由于开采时间、开采方法、开采水平、采空程度、回采率大小各异 ,采空
3、区的情况较复杂。禹州煤矿采空区停采的时间较长、煤矿开采时没有监测资料 , 地表沉陷洼地不显著 ,地表移动和变形的特征及参数难以界定。以往国内外采空区的观测和研究多集中在移动延续期内( ) 1 特别是初始期 活跃期阶段 危险变形 , 对衰退期特别是衰退期以后的残余变形研究不够 , 认为衰( )退期之后的残余变形对建 构 筑物没有损害。但近年的实践表明 ,上述观点并不完全正确 ,有关资料表明 ,有些小煤矿采空区在衰退期 ( T S ) 过去多年甚至几十年后 ,在采空区上新建的民居平房尽管还采用 图 1 工程位置略图了基础和檐口圈梁等抗变形措施 , 仍出现不同程度 Fig 1 Sketch map
4、of the p roject location收稿日期: 2010 - 07 - 13; 改回日期: 2010 - 09 - 04作者简介: 李永新 ( 1970 - ) , 男 , 高级工程师 , 注册土木工程师 ( ) , 水文地质与工程地质专业 , 从事水文地质与工程地质方面的工1作。E - mail: liyongxin1970126 com 岩土 1 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/532 资源环境与工程 2010年1 采空区变形监测的内
5、容及要求111 监测项目内容垂直位移监测、水平位移监测、岩土体内部变形监测。考虑施工前、施工期和运行初期不同阶段的技术要求 ,在渠道开挖范围内、采空区处理范围内以及采空区处理范围以外均有监测点 ,服务年限分别对应于施工前、施工期和运行初期。112 监测等级根据有关规程规范和技术规定要求 ,结合本项目变形监测的特点 ,拟采用 GPS对地表水平位移进行监测 (三等平面 ) ,利用精密数字水准仪进行垂直位移观测 (二等水准 ) , 同时深层埋设多点位移计、沉降仪和 测斜仪对采空区现状岩层变形进行原型监测 ,对变形 位移数据进行比较分析 ,取得现状第一手资料。113 监测周期根据禹州矿区段开采煤层的埋
6、藏深度 ,结合同类工程的观测经验 ,变形监测网点开始时期观测适当稠密 ,以后观测过程中 ,根据变形量的变化情况以及遇到的特殊因素 ,可适当增加或减少观测次数 ,见表 1。不同观测周期宜采用相同图形、观测路线和观测方法 ,使用同一仪器设备 ,在相同的条件下观测。表 1 变形监测网监测频率 (月 )Table 1 Monitoring frequency of deformation monitoring network (months)变形监测网年份 基准网平面位移 ( GPS) 垂直位移2010 3 1 12011 3 1 12012 6 2 22013 6 3 32014 6 4 42015
7、 6 6 62016 6 6 62 采空区变形监测方案布置211 监测范围根据采空区分布和现状地质条件 ,主要以渠道通过部位的移动盆地中心区和边缘区变形监测、采空区变形的敏感部位 (巷道上方 )变形监测 ,分析采空区剩余变形对总干渠建筑物稳定性的影响。212 监测线、监测点的布点原则监测线结合总干渠渠道的工程布置 ,结合矿层走向、开采方法及上覆地层产状 ,宜平行和垂直煤矿层走向成直线布置 ,其长度应超过地表移动变形的范围。观测线上观测点的间距应大致相等 ,根据禹州矿区渠段的煤层开采深度 ,结合总干渠工程特点 ,观测点间距按 100 200 m。观测地表变形的同时 ,应观测地表裂缝、陷坑等的变形
8、情况。213 监测网设计精度变形监测网平面等级为三等、垂直等级为二等。主要技术指标见表 2。表 2 变形监测网主要精度指标 3 Table 2 The main p recision index of deformation monitoring network水平位移监测网 垂直位移监测网相邻基准 相邻基准平均边长 / 边长相对 每站高差中点点位中 点高差中m 中误差 误差 /mm误差 /mm 误差 /mm610 350 1 80 000 110 013注 :三等水平监测网相当于国家“GPS 测量规范 ”C级精度 ;二等垂直监测网相当于国家“水准测量规范 ”二等水准精度。214 监测点的布置
9、变形监测网点根据需要宜分为基准点和变形监测点两级布置 ,基准点宜选在变形影响区域之外稳定可靠的位置 ,变形监测点宜选择在渠道通过的移动盆地中心区、边缘区及采空区变形的敏感部位。本次共需埋设水平观测基准点 4 座 ,垂直观测基准点 3座 ,平面变形监测点 5 座 ,垂直变形监测点 33座。禹州矿区段变形监测网点布置见图 2。215 平面位移监测基准点、平面位移监测点埋设平面位移基准点、监测点应使用带强制归心装置的观测装置。为了避免地表人类活动及降雨等影响 ,扩大底盘下布置 4根钢筋混凝土桩 ,见图 3。图 2 禹州矿区变形监测基准网及变形监测点布置示意图Fig12 Schematic diagr
10、am of layout of control network and points fordeformation monitoring in Yuzhou m ining area 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/第 5期 李永新 :南水北调中线总干渠禹州煤矿采空区变形监测方案探讨 533图 3 平面位移监测点设计 (单位 : mm )Fig13 Monitoring points design of horizontal disp lacemen
11、t ( unit: mm )点位选择还应满足下列要求: 便于安置接收设备和操作;视场内障碍物的高度角 200 m ,离高压线、微波无线电信号距离 50 m ,附近不应有强烈反射卫星信号的大面积水域、大型建筑物以及热源等 ,通视条件好 ,方便后续联测。图 4 垂直位移监测点设计 (单位 : m )Fig14 Monitoring points design of vertical disp lacement ( unit: m )复测的“南水北调中线一期工程干线 (除京石段 ) 首级施工控制网 ”成果 ,每期观测的起算值应使用初始成果。311 监测基准网的布设与联测方案31111 垂直位移监测基
12、准网的布设与联测方案根据测区基本情况 ,设置一处基准网。先布设附合水准线路 ,起闭二等水准点 ,将高程引至基准网的任一标石 ,然后在每一基准网实测闭合水准线路 ,联测其它两个标石 ,建立垂直位移监测基准网。2 6 垂直位移监测基准点、垂直位移监测点埋设1 13 1 2 水平位移监测基准网的布设与联测方案垂直位移监测基准点避开交通干道主路、地下水平位移监测基准网须一次布网 ,设立 4 座平面管线、仓库堆栈、水源地、河岸、松软填土、滑坡地标石独立成网 ,与南水北调 C 级 GPS点联测 ,构成水段、机器震动区以及其他可能使标石、标志易遭腐蚀和破坏的地方 , 宜采用混凝土基本水准标石 , 埋 平位移
13、监测基准网。1设于地下。3 2 水平位移监测网测量1 1 1由于大部分变形监测点在耕地中 ,考虑到观测墩3 2 1 接收机使用保护相当困难 ,遭到破坏后将使变形数据不连续 ,影响 水平位移测量采用 GPS方法进行。首次观测和变形分析 ,因而垂直变形监测点埋设参考垂直位移监 周期观测均采用 8 台 Leica GX 1230 型双频静态 GPS测基准点的尺寸埋设 (见图 4 ) 。 接收机进行观测。变形监测点的标志埋设后 ,应达到稳定后方可开 Leica GX 1230为双频 (L1、L2 )各 12通道 GPS,标始观测 ,稳定期应根据观测要求和地质条件确定 ,不宜 称静态水平精度为 5 mm
14、 + 1 10 - 6 ,采用长时间观测、少于 15 d。 Leica Geo Office软件解算后水平精度可达 3 mm + 0 510 - 6 。3 采空区变形监测1 13 2 2 GPS观测使用的平面坐标系统宜为 1954 年北京坐标系 1 观测作业时 ,根据观测点的间距和交通情况 , 兼带成果 ,高程系统宜采用 1985年国家高程基准。 顾二等水准测量安排 , 编制观测计划 , 按计划进行1 起算点为长江空间信息技术工程有限公司最新 调度。 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights
15、 reserved. http:/534 资源环境与工程 2010年GPS观测 ,在每个沉陷段宜采用边连接形式传递、构网 ,两端连接高等级 GPS标石。天线高的量取精确至 1 mm (须左右各量取一次取平均值 ) 。 31213 观测技术要求 (见表 3)表 3 GPS 观测主要技术要求Table 3 The main technical requirements of GPS observation有效观测 卫星 时段内任一卫星 时段 采样时段数 PDOP卫星总数 高度角 有效观测时间长度 间隔5 15 15 m in 60 m in 2 10 30 s 631214 基线解算起算点的单点定
16、位时间 ,不宜少于 30 m in,解算成果应采用双差固定解 ,利用随机配备的商用软件进行处理。精度应满足下列要求: 同一时段观测值数据剔除率不宜 10% ;复测基线的长度较差 D s2 2(为按实际平均边长计算的相应级别规定的精度 , 单位 mm。31215 GPS网平差平差处理软件采用 L eica Geo O ffice 软件。 GPS控制网的已知点均使用高等级成果。首先以各网内一点的三维坐标为起算数据进行三维无约束平差 ,目的是进行粗差分析 ,以发现粗差并消除影响 ,其结果客观地反映了整个 GPS网的内部符合精度 ; 然后在网内联测的点中 ,以一点为挂靠点 ,至另一点的方 位角为挂靠方
17、向进行二维平差 , 边长投影到场地设 计工程面上。对不符合要求的成果应及时重测或补测。起算 点的单点定位时间 ,不宜少于 30 m in,解算成果应采 用双差固定解 ,利用随机配备的商用软件进行处理。GPS控制网的无约束平差应在 W GS284 坐标系统 下进行三维无约束平差 ,并提供各观测点的三维坐标、 各基线向量三个坐标差观测值的改正数、基线长度、基 线方位及相关的精度信息等。GPS控制网的约束平差应在国家坐标系统下进行二维约束平差 , 对于已知坐标、记录或方位 , 可以强制约束或加权约束 , 约束点间的边长相对中误差应 180 000;平差结果应输出观测点在独立坐标系统中的二维坐标、基线
18、向量改正数、基线长度、基线方位角等 ,以及相关精度信息 ;约束平差的最弱边相对中误差应 180 000。313 垂直位移监测网测量31311 仪器的选用使用美国天宝 D ini12 电子水准仪 (观测精度 013 mm ,最小显示 01 01 mm ,测距范围 115 100 m , 15 内自动补偿 ,安平精度 012),配因瓦条码标尺进行。31312 水准观测垂直位移监测开始前 ,首先要进行基准点间的校核 ,符合要求后方可进行垂直位移监测。每个沉陷段可根据测区情况 ,布设一个或多个闭合水准线路 ,起闭同一基准点 , 往返连测其它变形监测点。水准路线一旦确定 , 以后复测应使用同一类型的仪器
19、和转点尺承 , 沿同一路线 , 按原观测顺序连测相应观测点。由于大部分测段在耕地中 ,土质疏松 ,普通尺垫不能满足精度要求 ,为此 ,宜选用优质钢材特制的尺桩 ,重量宜超过 517 kg。314 岩体内部变形监测采用多点位移计、沉降仪测斜仪等 ,通过布设深孔埋入地层。采空区典型地段在中心和边缘布设监测断面 ,设46个多点位移计监测孔 ,在靠近采空区边缘设 1 2个测斜仪监测孔 ,在其它合适位置布设一定数量的沉降仪 ,监测孔深度控制到渠底板或建筑物底板以下 70m 范围内。观测次数第一年按半月 1 次 , 以后每月 1次 ,特殊时期 (如地震等 )则增加观测次数。4 结论( 1) 禹州煤矿采空区
20、停采的时间较长、煤矿当初开采时没有监测资料 ,地表沉陷洼地不显著 ,根据国内 外现有的工程经验判断 ,采空区的初始期 活跃期阶 段已经结束 ,现在布置的监测方案侧重于采空区残余 变形以及采空区关键部位的复活信息。( 2) 变形监测网的布置应结合煤矿采空区资料和渠道工程建筑物的特点 ,考虑施工前、施工期和运 行初期不同阶段的技术要求 , 并能够满足长期观测 的需要。( 3) 变形监测网布设的原则与要求要与工程相适应。基准点、监测点的标型结构、埋设措施要合理 ,选用的仪器设备要先进 ,监测精度、周期、实施方案和数据处理方法满足规范要求。参考文献: 1 国家煤炭工业局. 建筑物、水体、铁路及主要井巷
21、煤柱留设与压煤开采规程 S . 北京:煤炭工业出版社 , 2004. 2 孙忠弟 , 等. 高速公路采空区 (空洞 ) 勘察设计与施工治理手册 S . 北京:人民交通出版社 , 2005. 3 GB500026 2007,工程测量规范 S .(责任编辑:胡立智 ) ( 下转 565页 ) 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/第 5期 李玉平等 : IKONOS卫星影像在若羌河山区河段 110 000地形图测制中的应用 565商的诸多订购规则及目前数据相对
22、航片较贵的价格(约 500元 / km 2 ) ,数据订购前 ,应充分分析成图范围 ,根据成图范围优化数据订购范围 ,尽量节省开支。随着遥感技术的进一步发展 ,更多更高分辨率遥感立体影像的推出 ,存档数据的不断增加 ,将会使数据订购成本降低 ,利用遥感立体影像测制各种大、中比例尺地形图将成为可能 ,地形测绘将迎来新一轮的技术变革。参考文献: 1 陈雨常 ,白峰 ,等. IKONOS立体影像全数字摄影测量试验研究 J .地理空间信息 , 2006, 4 (4) : 20. 2 李兵 ,朱继东 ,陈艳. 采用 IKONOS卫星影像进行立体测图技术的 应用研究 J . 技术应用 , 2006 ( 6
23、 ) : 62. 3 SL /19797,水利水电工程测量规范 (规划设计阶段 ) S . 4 GB / T 232362009,数字航空摄影测量空中三角测量规范 S .Applica tion of IKO NO S Sa tellite Image in 110 000 Topograph icM app ing in the M oun ta in Area of Ruoq iang R iverL I Yup ing1 , PE I J iajia1 , ZHOU Xiao juan2( 1. X in jiang S u rvey and D esign Institu te of
24、W a ter Conservancy and Hyd ropow er, Chang ji, X in jiang 831100; 2. Hubei Institu te of Geolog ica l S u rvey, W uhan, Hubei 430034)Abstract: This paper introduced in detail the app lication of IKONO S satellite stereo im age in 1 10 000 topographicmapp ing in the mountain area of Ruoqiang R iver.
25、 Based on the p ro ject data, the article analyzed the orientation p recisionof different num ber and distribution conditions of image contro l points, gave p ractical suggestions to the p lan of imagecontrol points layout in sim ilar p rojects.Key words: IKONOS satellite image; 1 10 000 topographic
26、 map; layout of image control points(上接 534页 )D iscussion on D eforma tion M on itor ing Schem e of Goaf in Y uzhouL I Yongxin( Henan W a ter deformation monitoring; ho rizontal disp lacement; vertical disp lacem ent 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/
