五沟煤矿1013工作面地表移动观测站设计

皖北煤电集团有限责任公司

五沟煤矿1013工作面地表移动观测站设计

安徽理工大学

五沟煤矿

2008年4月

前言

为了获得五沟煤矿1013工作面最可靠的地表移动参数，掌握该地质采矿条件下的地表移动规律，皖北煤电集团有限责任公司五沟煤矿决定建立1013首采面地表移动观测站，进行该工作面地表移动的观测和研究工作。

1013首采面地表移动观测与研究的主要内容：

(1)掌握地质采矿条件与地表移动与变形的关系；

(2)获得厚松散层、综采条件下地表移动与变形的分布规律；

(3)确定首采面地质采矿条件下的角量参数、动态参数和预计参数。

通过对首采面地表移动观测站的研究，为五沟煤矿保护煤柱留设、征地、迁村和实现煤矿安全生产等提供科学依据，并进一步探求厚松散层条件下的地表移动规律，丰富和发展我国“三下”采煤技术。

1 1013首采工作面地质采矿条件

1013工作面倾向长1000m，走向宽150m，面积约15万m2，平均采深为385m，平均倾角10o，该工作面10煤层厚度在0~5.5m之间，平均3.1m。采用走向长壁垮落采煤法，综合机械化采煤。本工作面掘进水文地质条件较复杂，本区有“四含”水，其中四含岩性复杂，泥质含量高，渗透性差，补给条件较差，直接覆盖在煤系地层之上，而与上覆一、二、三含水层无直接水力联系。该工作面老顶为泥岩、粉细砂岩，岩性和厚度变化大。直接顶工作面外段为中厚层灰白色中、细粒砂岩，厚度为6.4~10m；中段为灰色~浅灰色粉砂岩，一般厚度为3.7m；里段直接顶板则为深灰色~灰黑色块状泥岩，含炭质，厚度为2.5m。直接底板岩性变化不大，岩性为粉、细砂岩或粉细砂岩互层。上部松散层厚度为270m左右。

1013工作面上方主要为农田和沟渠，地表地势平坦，无大型建筑物，地面标高+26.7~+27.5m 。

2 地表移动观测站的设计

1） 观测站设计原则

为了能够获得准确、可靠、有代表性的观测资料，在观测站设计中，应遵循以下原则：

（1）观测线应设在地表移动盆地的主断面上； （2）观测线在观测期间不受邻近开采的影响； （3）观测线的长度要大于地表移动盆地的范围；

（4）根据开采深度和设站目的，观测线上的测点应有一定的密度； （5）观测站的控制点要设在移动盆地范围以外，埋设要牢固。在冻土地区，控制点底面应在冻土线0.5m 以下。 2） 角量参数的选定

由于该观测站为五沟煤矿第一个观测站，角量参数的选定只能参照邻近相似地质采矿条件矿区地表移动观测站成果资料。

徐州西部矿区的角度参数为：

，

040=?αβ*8.0~750＝ 000075~7075~70==δγ，

由淮北矿区地表移动规律研究报告中经验公式可得:

0000

005.49.585.46.257

.508.71±=±-H h H m －＝＝综综γδ 0000

009.15.589.132.02.247

.555.73±=±--αβH h H m －＝综

其中?——松散层移动角；

γ、β——上、下山移动角；

δ——走向移动角；

α——煤层倾角；

m——煤层平均厚度；

h——松散层厚度；

H——回采工作面平均开采深度。

3）观测线位置的确定

根据观测站设计原则，在1013工作面上方地表布置两条观测线。A号观测线位于工作面下山边界43m，B号观测线位于距离开切眼325m的采空区上方，详见图1、2。

图1 A号观测线断面图

图2 B 号观测线断面图

观测站平面位置设计见附图。 4） 观测线长度的确定

根据《煤矿测量试行规程》第217条规定，调整β?、γ?、δ?取020。以剖面法求得A 号和B 号观测线长度分别为1610m 和1095.5m ，共计2705.5m ，如图1所示。

A 号观测线长度按下式计算：

l h A A +?--=)cot()2(H 0581δδ

式中l —工作面走向长度；

δ

?—为走向移动角的修正值。

同理可得B 号观测线的长度：

αγγββcos )cot()cot(21361L H H B B +?-+?-=

式中γ?、β?—分别为上、下山移动角的修正值；

L —工作面倾斜长度；

1H 、2H —分别为采区下边界和上边界的开采深度。

3 控制点及工作测点的个数和埋设方法

1) 控制点及工作测点数

按《煤矿测量试行规范》规定，测点间距为25m，控制点间距为50m，

由观测线长度计算得各测线控制点和工作测点的个数，见表1。

2）控制点和工作测点结构

所有控制点和工作测点全部为混凝土予制桩，钢筋露出水泥桩的高度

为5mm,如图2和图3。

3）埋设方法

（1）埋设控制点应用全站仪根据施工测量要求按设计坐标在实地标定其位置，工作测点用全站仪标定，尽量使其中心位于同一方向线上，用木桩做标志；

图2 控制点图图3 工作测点图

（2）挖坑前先把点位引到1米外的四个临时十字桩上，在所标定位置

挖一直径为0.5m左右，控制点坑深为0.7m以上、工作测点坑深为0.5m 以上的坑，坑底捣实，先铺一层0.1米厚的混凝土后放置予制桩，并用混凝土固定工作测点及控制点周围，固定高度分别为0.3m和0.5m；由十字桩拉线指示测点位置，控制点的偏心不要大于1cm，工作测点偏心不要大于5cm。观测线上为三个控制点时，先埋设两端点，然后用全站仪标埋中间控制点；

（3）在整个观测期间必须采取有效措施对控制点和工作测点严加保护，如有破坏应及时补埋；

（4）部分控制点和工作测点标定坐标见表2；

（5）观测站各控制点和工作测点的埋设工作应于5月10日前完成。

表2 控制点和工作点坐标

4 观测项目、方法、精度和时间

1）连接测量

①平面连接

控制点的平面位置采用D级GPS或全站仪导线控制，点位误差不得大于7mm。全站仪导线布置如图4所示。

图 4 连接测量平面图

②高程连接

由D013、D016点分别向观测线控制点引测三等水准，形成附合水准网，如图5所示。

图 5 连接测量水准网图

观测站连接测量成果的内业数据处理方法和常规方法一样，最终求出观测站各控制点的平面坐标和高程。野外数据采集工作包括全面观测和加密水准测量两大部分，内业均采用严密平差进行数据处理。

2) 全面观测

在观测站未受开采影响之前，独立进行两次全面观测。两次测得同一点的高程差值小于10mm，同一边长的长度差小于4mm，取两者平均值作为原始数据。

高程测量直接从观测站控制点开始，按三等水准测量的精度要求进行，观测工作测点时，可使一些测点作为中间点，但视线不宜超过50m（即不超过3个中间点）。若观测站两端有控制点，可进行附合水准测量；若只在一端有控制点，则需进行往返水准测量（或闭合水准测量）。

平面测量采用全站仪导线，正倒镜往返观测，直接测定出各测点的平面位置和高程，通过平面坐标反演，确定出各测点的支距和相邻测点之间在观测线方向的水平距离。

3) 日常观测

在首次和末次全面观测之间适当加密水准测量次数，为判定地表是否开始移动，在回采工作面推进一定距离(相当于0.1～0.5平均开采深度

H，

即工作面回采38m),在预计可能首先移动的地表，选择若干个工作测点，每星期进行一次水准测量。重复水准测量的时间间隔，视地表下沉的速度而定，一般是每隔1～3个月观测一次。在移动的活跃阶段，还应在下沉较大的区段，增加水准观测次数。

观测站的各项观测，一般情况下可参照表3的程序进行。为了保证所

获得观测资料的准确性，每次观测应在尽量短的时间内完成，特别是在移动活跃阶段，水准测量必须在一天内完成，并力争做到高程测量和平面测量同时进行。

表3观测站观测程序

注：地表移动稳定后指6个月内地表各点的下沉值均小于30mm

4) 地表裂隙调查及井下工作面测量

调查记录产生裂缝的日期、位置、长、宽、深及其变化过程，并拍摄图片。

在每次地表移动观测的同时，应在井下测定工作面的推进位置、采厚和采高等采煤状况，并每周测定一次实际回采上限的位置。

5 观测成果的整理

地表移动观测站的观测成果预处理，必须在外业成果无误的基础上进行。观测数据的处理工作包括计算和绘图两部分。

1）观测成果的计算

为了确保观测成果的正确性，在进行内业数据处理之前，应对野外观测成果再次检查，然后进行各种改正数的计算和严密平差计算。

(1) 观测数据的预处理

观测数据预处理主要是计算各测点的高程、相邻两测点在观测线方向的水平距离，然后计算各测点的移动和变形值及下沉速度等。

对于全站仪而言，观测数据的处理除须加入气象改正和斜距改正之外，其余的计算和常规方法相同。有关气象改正和斜距改正的具体计算方法参看全站仪使用说明书。 (2) 移动和变形计算

观测数据经过预处理之后，便可计算观测线上各测点和各测点间的移动和变形值。移动和变形计算主要包括：各测点的下沉和水平移动，相邻两测点间的倾斜和水平变形，相邻两线段（或相邻三点）的曲率变形，观测点的下沉速度等。各移动和变形计算公式如下：

① m 次观测时n 点的下沉

m n n n H H W -=0,mm

式中 n W —n 号点的下沉值；

0n H 、m n H —分别为首次和m 次观测时n 号点的高程。

② 相邻两点间的倾斜

1

~11~+++-=

n n n

n n n l W W i ，mm/m 式中 1~+n n l —n 号点至n 1+号点的水平距离；

1+n W 、n W —分别表示n 1+号点和n 号点的下沉量。

③ n 号点附近的曲率，即n -1号点至n +1号之间的曲率

1~~1-+n n n K =

2

1~~11~~1-+-++-n n n n n n n n l l i i =1

~~11~~1)

(2-+-++-n n n n n n n n l l i i ， mm/m 2或310-/m

式中 n n i ~1+、1~-n n i —表示n +1号点至n 号点和n 号点至n -1号点的倾斜；

n n l ~1+、1~-n n l —表示n +1号点至n 号点和n 号点至n -1号点的水平距离。 ④ n 号点的水平移动

n U =nm L -0n L ，mm

式中 n U —n 号点的水平移动；

nm L 、0n L —分别表示m 次观测时和首次观测时n 号点至观测线控制点间的水平距离，用点间距累加求得。

⑤ n 号点至n +1号点间的水平变形

n n ~1+ε=

~10

~1~1)()()(n n n n m n n l l l +++-， mm/m

式中 0~1)(n n l +、m n n l )(~1+—分别表示n +1号点至n 号点在首次观测时和m 次观测时的水平距离。

⑥ n 号点的下沉速度

t

W W V nm nm n 1

--=

，mm/d 式中 1-nm W 、nm W —分别表示m -1次和m 次观测时n 点的下沉值；

t —两次观测的间隔天数。 ⑦ n 号点的横向水平移动

'

n

U =nm y -0n y ，mm 式中 nm y 、0n y —分别表示第m 次观测和首次观测时n 号点的支距值。

横向水平移动是垂直于观测线方向的水平移动，计算时需注意正、负号。

每次观测结束之后应及时进行移动和变形计算，计算数字的取位见表4。

表4 移动、变形计算时的取位参考

（3）地表移动变形参数确定

地表移动变形计算之后，绘制移动变形曲线图和下沉速度曲线图。在图上可确定出移动变形的角量参数有：移动角、边界角、裂缝角、最大下沉速度角、超前影响角等，通过专业程序计算求得的地表移动预计参数有：下沉系数、水平移动系数、主要影响角正切、拐点偏移距等。

2）绘图工作

根据每次观测的计算结果绘制CAD曲线图，由这种曲线图能够清楚地看出沿观测线(主断面)的地表移动与变形的分布特征及其发展过程。

绘制移动和变形曲线图时，选择竖直比例尺的原则是：使绘制的曲线能清楚的反映出移动和变形的分布规律，并便于分析比较。水平比例尺与观测站平面图一致。

曲线图和观测线断面图应绘在一起，以表明各种地质采矿条件对移动和变形分布形态的影响。断面图的竖直和水平比例尺与井上下对照图的相同。在断面图上应标出地面，测点及其编号，松散层厚度，岩层柱状，采区位置，开采厚度，各次观测时的工作面位置及采区周围的开采情况等。

在观测站平面图上应表示出：测点的实际位置，地形，地物，钻孔，保护煤柱边界线，每次观测时的工作面位置，回采边界，地表裂缝，塌陷坑的形态及出现日期，并根据实测的移动和变形值勾绘等值线图。

每一次观测后，要及时进行计算和绘制移动、变形曲线图。观测站观测工作全部结束后，为了求出最终结果，应对每次观测结果进行综合分析，以便获得观测站受开采影响产生的移动、变形的发展过程，以及移动和变形的最终值。

绘制移动、变形曲线时，具有正号的移动、变形值绘在水平线的上方，负号值绘在水平线的下方，但下沉值除外。图6根据观测成果绘制的移动、变形曲线示意图。绘图展点时需注意：下沉是展在测点的正下方；水平移动是依据其正、负号分别展在测点的正上方或正下方；倾斜和水平变形是依据其正负号展在两测点间中点的正上方或正下方，曲率是依据其正负号两相邻线段的不同情况展点；当相邻两线段的长度相等时，曲率点展在中间点的正上方或正下方。

绘制下沉速度曲线时，按下沉速度值，在两次观测时间间隔的正中间展点。

图6移动和变形曲线绘制方法示意图

3）提交成果

观测站的实测资料经过数据处理后，可求得下列成果：

（1）地表移动盆地的范围、形状、大小，以及各种角值参数（边界角、移动角、裂缝角、最大下沉角、充分采动角等）；

（2）地表移动盆地主断面上的移动和变形分布及其特征，移动和变形值的位置；

（3）工作面推进过程中移动和变形的发展过程及其相应的主要动态参数（起动距、超前距、超前影响角、滞后角等）；

（4）地表移动过程中，地表移动速度的变化以及与工作面的相应关系；

（5）地表移动各个阶段（初始阶段、活跃阶段、衰退阶段）的持续时间以及地表移动持续的总时间；

（6）工作面开始回采到地表开始下沉的时间等。

6 观测站经费预算及工作进度

附图：地表移动观测站设计平面图