CN104536057A - 一种煤矿开采过程中地表沉陷的相对重力监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种煤矿开采过程中地表沉陷的相对重力监测方法，其以物理大地测量理论和万有引力定律为理论依据，采用在矿区内选择重力观测基准点，并在煤矿开采的地表下沉区域内或煤层主断面上选择特征点作为监测点，根据煤层开采工作面的进度，使用相对重力仪，分期对监测点与重力观测基准点之间的相对重力值进行监测；进而计算出该监测点在该相邻两期之间的重力变化值，进而计算出该监测点的地表下沉值。本发明相对于现有技术，具有监测基础数据采集仪器简单，测量精度高、监测结果准确可靠，且操作高效、简便等有益效果。本发明不仅能提供几何意义上的数值，而且能够反映出某些物理机制，如地下物质的迁移和地表高程的变化。

Description

一种煤矿开采过程中地表沉陷的相对重力监测方法

技术领域

本发明涉及一种煤矿开采过程中地表沉陷监测方法，尤其涉及一种煤矿开采过程中地表沉陷的相对重力监测方法。

背景技术

煤矿开采过程中可能造成的地表沉陷将对矿区生态环境造成了严重影响。煤矿开采沉陷监测是煤矿采动过程中的一项必要任务，此项任务的完成不仅能够揭示煤矿沉陷的基本规律，可以用来判别建筑物构筑物等受开采影响的程度，及时对建筑物进行维修、加固、搬迁，或就地重建，而且对促进矿井安全生产和正常生产、提高经济技术效益等具有重大的理论和现实意义。

而如何能够及时高效地监测煤矿引起的地表沉陷，这就需要高效的监测手段和技术。

现有技术中，用于监测地面沉降的经典方法主要是精密水准测量，基于卫星技术的GPS、合成孔径雷达(InSAR)和三维激光扫描技术也逐步用于地表沉陷监测。其中，GPS可以高效率的监测高程变化，但是需要足够长时间的数据记录和专用的环境影响改正模型来获取毫米级的观测精度；InSAR提供有限空间分辨率的二维表面的变形，但精度通常由于SAR图像、地形效应和大气效应的空间改正而降低；精密水准测量在获取高精度的水准测量数据，尤其区域较大时，既费时又费力；而三维激光扫描技术具有较高的测量精度和极高的数据采集率，但是在采集数据时需要考虑视场的通视情况，此外，由于地面激光三维扫描采样的非连续性，可能导致设定的变形监测点未能成为激光扫描仪的采样点，从而不适合煤矿沉陷监测。

发明内容

本发明的目的是，提供一种监测效率高、操作简便、测量精度高、监测结果真实可靠的煤矿开采过程中地表沉陷的相对重力监测方法。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是，一种煤矿开采过程中地表沉陷的相对重力监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，在矿区内选择一个重力观测基准点，并在煤矿开采的地表下沉区域内或煤层主断面上选择特征点作为监测点，根据煤层开采工作面的进度，使用相对重力仪，分期对监测点相对于重力观测基准点的相对重力值进行监测；

第二步，选取相邻两期的相对重力值，以在后一期的相对重力值减去在前一期的相对重力值，计算出该监测点在该相邻两期之间的重力变化值；

第三步，使用相对重力仪，先在监测点位置处的零高度处先测定第一重力值，后在监测点位置处的上方某单位高度处测定第二重力值，将第二重力值减去第一重力值得到重力值差；

重复上述第一重力值和第二重力值的测定数次，取所得重力差值的平均值；

再用所得重力差值的平均值除以单位高度的数值，得到该监测点的重力梯度值；

或者，

将相对重力仪置于支架的不同高度位置处h₂、h₁，分别测出上、下高度的相对重力值g₂、g₁，按如下公式(4)计算出重力梯度值：

$\mathrm{grad}\left(g\right)=\frac{g_2-g_1}{h_2-h_1}---\left(4\right)$

第四步，按如下公式(3)计算出该监测点的地表下沉值：

$\mathrm{\ΔH}=\frac{1}{\mathrm{grad}\left(g\right)}(\mathrm{\Δg}+\frac{{\mathrm{GM}}_0}{R^2})---\left(3\right)$

上式(3)中：

grad(g)为重力垂直梯度；

G为万有引力常数；

R为开采煤炭质心与监测点之间的距离；

M₀为采出的煤炭重量；

△g为监测点在相邻两期之间的重力变化值。

优选为，上述采出的煤炭重量由称重计量的方式获得。

进一步优选，上述采出的煤炭重量是按照如下公式(2)计算得出：

上式(2)中：

L₂为煤层开采宽度；

L₁为煤层开采长度；

m_煤厚为开采煤层厚度；

ρ为煤层密度；

v为沿煤层开采长度方向上的采掘工作面的推进速度。

上述技术方案直接带来的技术效果是，相对于繁琐费时的水准测量方法，上述重力观测监测点的布置比较自由，观测过程中不需要考虑能见度或视野的通视情况，受自然条件、气候条件等因素的制约小；

更为重要的是，上述技术方案的煤矿开采过程中地表沉陷的相对重力监测方法，其不仅能提供几何意义上的数值，而且能够反映出某些物理机制(如，地下物质的迁移和地表高程的变化)；而现有技术中，无论是GPS，水准测量还是其他的观测技术，它们只是给出了几何意义上的数值。

上述技术方案的煤矿开采沉降的相对重力监测方法，重力测量所用的相对重力仪的观测精度可达10^-8m/s²量级，测量精度较高(例如，加拿大Scintrex公司制造的数字式CG-5相对重力仪，其采用微处理器装置，可以实现自动测量；其传感器为无静电熔石英弹簧，设计精度可达5×10^-8m/s²，读数分辨率为1×10^-8m/s²)，因而，监测结果准确度高、真实可靠；

而且，由于监测过程简单，所需测量的数据(项目)少，偶然误差出现的几率相对较小。这进一步保证了监测结果的真实性和准确性。

上述技术方案的煤矿开采沉降的相对重力监测方法，所用工器具少、监测过程的操作十分简便，可有一人独立操作，并且每个监测点用时很短，尤其在区域较大时，上述相对重力测量方法的监测效率优势十分明显。

为更好地理解上述技术方案，下面详细说明其工作原理和理论依据：

煤矿开采沉陷引起的地面监测站重力的变化主要包括地表观测站的下沉引起的重力变化和煤层开采后地下质量的减少而引起的地表观测站重力值的变化。

一般地区的重力变化与高程变化呈线性负相关，可以通过重力梯度值实现重力变化和高程变化之间的相互转换；而质量变化所造成的重力变化与质量变化成正比，与距离的平方成反比。

在煤矿开采区域，除了煤矿开采之外没有其他的质量变化，那么地表监测点重力变化是由地下煤炭质量减少和地表高程降低共同引起的。

根据物理大地测量理论，在质量没有变化情况下，重力变化与高程变化成反比；在没有高程变化前提下，重力变化反映了地下质量迁移；

根据牛顿万有引力定律，重力变化应与质量变化成正比，与距离成反比。

设在煤矿采掘区的地表布设了监测点A(x，y)，高程沉降为(设沉降为正值)，采出的煤炭重量(或煤炭开采量)为M₀，那么在点A的重力变化△g为：

上式(1)中：

grad(g)为重力垂直梯度；

G为万有引力常数；

ρ为煤层密度；

R为开采煤炭质心点(x₀,y₀,z₀)与监测点(x,y,z)之间的距离，即

$R=\sqrt{{\left({x-x}_0\right)}^2+{\left({y-y}_0\right)}^2+{\left({z-z}_0\right)}^2};$

△g_H为地表观测站的下沉引起的重力变化；

△g_m为煤层开采后地下质量的减少而引起的地表观测站重力值的变化。

采出的煤炭重量可由煤炭称重计量的方式获得；

或者，

通过如下公式(2)计算得到：

上式(2)中：

L₂为煤层开采宽度；

L₁为煤层开采长度；

m_煤厚为开采煤层厚度；

ρ为煤层密度；

v为沿煤层开采长度方向上的采掘工作面的推进速度。

如果进行某一监测点的重力测量，已知开采区域位置和开采量，就可以由上述公式(1)计算出该监测点的地表下沉值：

$\mathrm{\ΔH}=\frac{1}{\mathrm{grad}\left(g\right)}(\mathrm{\Δg}+\frac{{\mathrm{GM}}_0}{R^2})---\left(3\right)$

基于以上原理，可以看出：根据矿区实际情况布设由若干监测点组成的重力监测网，在煤矿开采过程中，就可对各监测点进行重力测量和煤炭质量称重，并根据上式(3)计算出各监测点的地表下沉值。

简言之，相对重力测量是测定两个位置的重力差值，也就是由一已知重力点位作为基准，利用其与未知点位的重力较差求得该未知点位的相对重力值。

从上述工作原理不难看出，本发明煤矿开采过程中地表沉陷的相对重力监测方法，其相对于现有技术，具有监测基础数据采集仪器简单，测量精度高、监测结果准确可靠，且操作高效、简便等有益效果。

更为重要的是，上述技术方案的煤矿开采过程中地表沉陷的相对重力监测方法，其不仅能提供几何意义上的数值，而且能够反映出某些物理机制(如，地下物质的迁移和地表高程的变化)；而现有技术中，无论是GPS，水准测量还是其他的观测技术，它们只是给出了几何意义上的数值。

附图说明

图1为本发明相对重力监测点布置情况示意图。

图中标记说明：

K：重力监测基准点；

矩形ABDE区域：采空区；

XOY：直角坐标系；

线段DE：工作面推进停采线；

测线1：沿走向主断面的观测线；

测线2：沿倾向主断面的观测线；

线段BC：工作面长度；

线段AB：工作面宽度。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的实施例进行详细说明。

实施例1

如图1所示，以某一煤矿为例，在矿区内有一重力观测基准点K，该点的重力值不变。如图1所示，工作面走向长1000米，倾向宽200米。

为简便，图1中仅给出了沿煤层走向主断面和倾向主断面的监测点的点位布置情况。如图1所示，图中共47个重力监测点。

就以前两期的相对重力监测为例，在工作面开采前使用相对重力仪对重力监测点进行一次相对重力监测，当工作面推进约240米时，如图中线DE所示的位置时，再进行一次相对重力监测。

第二步，计算得到此相邻两期的监测点的重力变化值(详见下表1)

表1：各监测点的重力变化值(单位10^-8m/s²)

监测点编号	9	25	41	57	73	89	105	121	137	153	169
												重力变化值	-1	-1	-1	-1	-1	-1	-1	-2	-2	-2	-2
监测点编号	185	201	217	233	249	257	258	259	260	261	269
												重力变化值	-2	-3	-3	-3	-3	-3	-3	-3	-3	-3	-3
监测点编号	270	271	272	262	263	264	265	266	267	268	281
												重力变化值	-3	-3	-3	-3	-3	-2	-2	-2	-3	-3	3
监测点编号	297	313	329	345	361	377	393	409	425	441	457
												重力变化值	19	57	124	214	303	362	368	318	232	140	68

监测点编号	473	489	505
												重力变化值	25	5	-2

第三步，由于煤矿区域较小，区域重力垂直梯度的变化不大，在该区域内选择一些监测点测量重力梯度值，并取平均得到该区域的重力垂直梯度值。即使用相对重力仪，先在监测点位置处的零高度处先测定第一重力值，后在监测点位置处的上方某单位高度处测定第二重力值，将第二重力值减去第一重力值得到重力值差；重复上述第一重力值和第二重力值的测定数次，取所得重力差值的平均值；再用所得重力差值的平均值除以单位高度的数值，得到该监测点的重力梯度值；

或者，

将相对重力仪置于支架的不同高度位置处h₂、h₁，分别测出上、下高度的相对重力值g₂、g₁，按如下公式(4)计算出重力梯度值：

$\mathrm{grad}\left(g\right)=\frac{g_2-g_1}{h_2-h_1}---\left(4\right)$

经过多测量得到该区域的重力梯度值大小约为0.3086mGal/m。

第四步，按如下公式(3)计算出该监测点的地表下沉值：

$\mathrm{\ΔH}=\frac{1}{\mathrm{grad}\left(g\right)}(\mathrm{\Δg}+\frac{{\mathrm{GM}}_0}{R^2})---\left(3\right)$

上式(3)中：

grad(g)为重力垂直梯度，由第三步知其值大小约为0.3086mGal/m；

G为万有引力常数，取值为6.67259×10^-11Nm²/kg²；

R为开采煤炭质心与监测点之间的距离，随着工作面的推进，煤炭质心位置不断移动，所以R和工作面的推进位置有关；

M₀为采出的煤炭重量；

△g为监测点在相邻两期之间的重力变化值(详见表1)。

根据权利要求1所述的煤矿开采过程中地表沉陷的相对重力监测方法，其特征在于，所述采出的煤炭重量由称重计量的方式获得。

根据权利要求1所述的煤矿开采过程中地表沉陷的相对重力监测方法，其特征在于，所述采出的煤炭重量是按照如下公式(2)计算得出：

上式(2)中：

L₂为煤层开采宽度200米；

L₁为煤层开采推进长度约240米；

m_煤厚为开采煤层厚度3.67米；

ρ为煤层密度为1.2×10³kg/m³；

v为沿煤层开采长度方向上的采掘工作面的推进速度。

由上述所述，可以计算得到当工作面推进240米时，根据煤炭称重或公式(2)得到煤炭开采质量约为21.14万吨，由此可以计算出煤炭开采引起的重力变化值，进一步可得到第四步所要求的各监测点的下沉值(详见下表2)。

表2：本实施例所计算出的各重力监测点的下沉值与水准法测量所得下沉值对比情况表

                                           (单位：mm)

监测点编号	9	25	41	57	73	89	105	121	137	153	169
												本实施例	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0
水准法测量	-1	1	-2	1	1	3	-2	-4	3	5	-4
												监测点编号	185	201	217	233	249	257	258	259	260	261	269
本实施例	0	0	0	0.2	1.1	0	0	0.2	0.5	1.3	1.3
												水准法测量	-3	2	-3	4	6	-4	-3	5	1	4	-8
监测点编号	270	271	272	262	263	264	265	266	267	268	281
												本实施例	0.5	0.2	0	2.5	4.0	5.3	5.8	5.3	4.0	2.5	24.0
水准法测量	-8	5	7	-3	8	6	4	2	8.0	5	34
												监测点编号	297	313	329	345	361	377	393	409	425	441	457
本实施例	78.1	201.8	419.8	712.7	1004.8	1195.8	1214.6	1054.1	774.4	474.0	237.7
												水准法测量	74	207	411	718	1011	1191	1208	1050	771	479	230
监测点编号	473	489	505
												本实施例	96.1	31.0	7.9
水准法测量	102	34	10

为了验证本发明的可靠性，用四等水准测量监测点进行了水准测量，与本发明观测值进行了对比，并计算了所有监测点残差的统计值(详见下表3)。

表3：本实施例所得结果与水准法测量所得结果二者之间的残差值统计表

统计量	MAX	MIN	MEAN	RMS	STD
						残差(mm)	9.3	-10.0	-0.1	4.7	4.7

从上表3可以看出，本实施例所得结果与水准法测量所得结果二者之间的最大残差值MAX为9.3mm，最小残差值MIN为-10mm，均方根RMS和标准偏差STD均小于5mm。

根据煤矿开采相关规定，地表下沉值达到10mm的点认为是移动盆地的边界点，即认为是开始下沉的点。

因此，相对于水准测量，本发明的重力测量得到的下沉值与水准测量值是基本一致的。

Claims (3)

1.一种煤矿开采过程中地表沉陷的相对重力监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，在矿区内选择一个重力观测基准点，并在煤矿开采的地表下沉区域内或煤层主断面上选择特征点作为监测点，根据煤层开采工作面的进度，使用相对重力仪，分期对监测点相对于重力观测基准点的相对重力值进行监测；

第二步，选取相邻两期的相对重力值，以在后一期的相对重力值减去在前一期的相对重力值，计算出该监测点在该相邻两期之间的重力变化值；

第三步，使用相对重力仪，先在监测点位置处的零高度处先测定第一重力值，后在监测点位置处的上方某单位高度处测定第二重力值，将第二重力值减去第一重力值得到重力值差；

重复上述第一重力值和第二重力值的测定数次，取所得重力差值的平均值；

再用所得重力差值的平均值除以单位高度的数值，得到该监测点的重力梯度值；

或者，

将相对重力仪置于支架的不同高度位置处h₂、h₁，分别测出上、下高度的相对重力值g₂、g₁，按如下公式(4)计算出重力梯度值：

$\mathrm{grad}\left(g\right)=\frac{g_2-g_1}{h_2-h_1}---\left(4\right)$

第四步，按如下公式(3)计算出该监测点的地表下沉值：

$\mathrm{\ΔH}\frac{1}{\mathrm{grad}\left(g\right)}(\mathrm{\Δg}+\frac{{\mathrm{GM}}_0}{R^2})---\left(3\right)$

上式(3)中：

grad(g)为重力垂直梯度；

G为万有引力常数；

R为开采煤炭质心与监测点之间的距离；

M₀为采出的煤炭重量；

△g为监测点在相邻两期之间的重力变化值。

2.根据权利要求1所述的煤矿开采过程中地表沉陷的相对重力监测方法，其特征在于，所述采出的煤炭重量由称重计量的方式获得。

3.根据权利要求1所述的煤矿开采过程中地表沉陷的相对重力监测方法，其特征在于，所述采出的煤炭重量是按照如下公式(2)计算得出：

上式(2)中：

L₂为煤层开采宽度；

L₁为煤层开采长度；

m_煤厚为开采煤层厚度；

ρ为煤层密度；

v为沿煤层开采长度方向上的采掘工作面的推进速度。