地质采矿地表移动观测站设计

地质采矿地表移动观测站设计赵娜娜;武枝【摘要】矿山开采引起的地表移动过程十分复杂,它是许多地质采矿因素综合影响的结果.目前,研究地表移动的主要方法是实地观测.通过测量获得大量的实测数据资料,然后对这些数据资料进行综合分析,找出各种地质采矿因素对地表移动的影响规律.本文从观测站的类型、观测站的设计原则及内容、设站前资料收集、观测站设置地点选择、观测线的布设位置、长度、观测点的密度与建立等方面进行介绍,详细论述了地袁移动观测站的设计要点和步骤.【期刊名称】《北京测绘》【年(卷),期】2014(000)002【总页数】5页(P104-108)【关键词】地表移动;地质采矿;观测站;观测线;设计【作者】赵娜娜;武枝【作者单位】安徽理工大学测绘学院,安徽淮南232001;安徽理工大学测绘学院,安徽淮南232001【正文语种】中文【中图分类】TD325为了保护地质采矿影响下井巷、建筑物、水体及铁路等，使它们免受或少受开采引起的有害影响，减少地下资源的损失，必须研究地下开采引起的岩层与地表移动变形规律。

目前，研究地表移动的主要方法是实地观测，而为了进行实地观测，必须在开采进行之前，在选定的地点设置开采沉陷观测站，简称观测站［1］。

所谓观测站，是指在开采影响范围的地表、岩层内部或其它研究对象上，按一定要求设置的一系列互相联系的观测点。

在采动过程中，根据需要定期观测这些测点的空间位置及其相对位置的变化，以确定各测点的位移和点间的相对移动，从而掌握开采沉陷的规律。

1 观测站类型随着多年开采沉陷观测经验的积累和科学技术的发展，开采沉陷观测站的类型越来越多，概括起来有以下几种［2］：1.按观测站设置的地点不同可分为：（1）地表移动观测站：测点布设在地表。

主要是研究地表移动和变形的规律（本论文主要研究对象）；（2）岩层内部观测站：测点一般布设在井下巷道或岩层内部的钻孔中，用于研究岩层内部的移动和变形规律；（3）专门观测站：为了某一个特定的目的所设立的观测站，如建筑物观测站、铁路观测站、边坡移动观测站等。

2.按观测站观测时间长短可分为：（1）普通观测站：观测时间较长（一般在一年以上），它是在地表移动的开始到移动结束的整个过程中定期进行观测，主要用于研究地表移动和变形的规律。

短期观测站观测时间较短（几个月到一年），只在移动过程中的某个阶段进行观测，而后对观测资料处理，求出一些近似的移动参数，如最大下沉速度、走向移动角等。

（2）短期观测站：只是在急需开采的情况下才采用。

这种观测站要求设站地区地质条件简单，采深较浅，开采厚度稳定，工作面均匀推进，达到超充分采动等。

这些条件在实践中很难满足，加之求出的参数误差较大，所以目前很少设置这种观测站。

3.按布设形式的不同分为：（1）网状观测站：在产状复杂的煤层或在建筑物密集的地区开采时，可考虑多布设一些测点，组成网状观测站。

网状观测站可观测整个采动范围，所得资料比较全面、准确。

观测点数目较多，野外观测和室内成果整理工作量大，且受地形、地物条件的限制，所以只在研究专门问题时才采用，我国仅在河南平顶山矿务局和山东枣庄局的柴里矿设置过网状观测站。

（2）剖面线状观测站：这是目前我国矿区用得较多的一种布设形式，它是在选择的特定方向上布点成直线形。

若因条件限制不能布成直线时，可设少量转点而成折线形。

观测站的具体布置形式，如图1所示。

图1 观测站布设形式示意图具体步骤如下：（1）布设1条走向观测线AB；（2）只设1条倾斜观测线CD或EF；（3）可设2个半条观测线OB和OD；（4）可设2条观测线AB和CD；（5）可设3条观测线AB、CD、EF。

观测站一般由2条观测线组成。

1条沿煤层走向方向，1条沿煤层倾斜方向，它们互相垂直相交。

在地表达到充分采动的条件下，通过移动盆地的平地部分都可设置观测线。

在地表未达到充分采动的条件下，观测线需设在移动盆地的主断面上。

由于我国煤矿区回采工作面大多是沿煤层走向方向比较长，远远大于充分采动所要求的最小尺寸，因此为了检验观测成果的可靠性，往往在充分采动区内设置2条相距50～70m的倾斜观测线。

观测线的长度应保证2端（半条观测线时为1端）超出采动影响范围，以便建立观测线控制点和测定采动影响边缘。

采动影响范围内的测点为工作测点，在采动过程中应保证它们和地表一起移动，以反映地表的移动状态［3］。

2 观测站设计的原则及内容2.1 设计原则为了能够获得比较准确、可靠、有代表性的观测资料，观测站设计中，一般应遵循以下原则：（1）观测线应设在地表移动盆地的主断面上；（2）设站地区，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）观测线上的测点应有一定的密度，这要根据开采深度和设站目的而定；（5）观测站的控制点药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。

为特殊目的而建立专门观测站，可不受上述条件限制［4］。

2.2 设计内容观测站设计包括编写设计说明书和绘制设计图两部分工作。

设计说明书应包括下列内容：（1）建立观测站的目的和任务；（2）设站地区的地形、地物及地质采矿条件；（3）观测站设计时所用的开采沉陷参数；（4）观测线的位置及长度的确定，测点及控制点的数目。

位置及其编号；（5）工作测点的控制点的构造及其埋设方法；（6）观测内容及所用仪器，与矿区控制网的连测方法，精度要求，连测得起始数据，定期观测的时间、方法及精度要求，有关地表采动影响的测定，编录方法；（7）经费预算：包括观测站所需材料、购地、人工等费用的预算；（8）观测成果的整理方法与分析步骤，所要获得的成果［5］。

观测站设计中，除需编写设计说明书外，还应绘制设计图。

设计图包括观测站设计平面和断面图。

图的比例尺一般与井上下对照图一致。

观测站设计图中应具有下列内容：（1）设站地区的地形、地物、地质构造、岩层柱状、煤层产状等；（2）已有的和新设计的采区巷道；（3）现有的和新设计的保护煤柱轮廓；（4）观测线的平面位置，沿观测线的断面图。

断面图上应表示出工作测点、控制点的位置及编号，岩层柱状，地质构造，煤层产状，开采位置等。

3 设站前的资料收集建立观测站首先要了解工作面的采矿条件、周围的开采情况，应该在周围开采都影响不到的地方建站。

同时，还要收集必要的开采资料。

3.1 地质采矿条件收集地质构造、岩层柱状、煤层产状、开采深度、上边界H2、下边界H1、冲击层厚度h。

3.2 工作面条件工作面的形状，最好是矩形工作面。

工作面的走向长度l、倾斜长度L、煤层倾角α、采煤厚度m。

3.3 收集移动资料对该矿区已有的地表移动资料进行收集，要收集的主要参数有：充分采动角φ3、φ2、φ1；上山移动角γ、下山移动角β、走向移动角δ；移动角修正值Δδ、Δβ、Δγ；最大下沉角θ及松散层移动角。

若矿区尚无自己的沉陷参数时，可选用地质采矿条件相似矿区的参数进行设计。

4 观测站设置地点的选择在设站观测的过程中，应遵循从简单条件到复杂条件，从单一煤层、单一工作面、地质构造简单的条件下的观测，然后再进行多工作面、重复开采、有地质构造破坏及煤层产状变化大等条件下的观测和研究工作。

进而不断积累资料，深化对地表移动规律的认识。

观测站设站地点的选择取决于设站的目的。

比如若是水下采煤问题，就要适时的观测两带（冒落带、裂缝带）高度；如要解决地表沉陷的防护问题（如“三下”采煤），除必须掌握开采沉陷规律外，还要掌握建（构）筑物变形与地表移动变形的关系。

所以，观测站设站地点的选择是十分重要的，它直接影响到观测成果的使用价值。

另外，根据我国生产发展的具体情况及开采沉陷研究的现状，选择设站地点时，还应密切结合开采影响的实际问题［6］。

岩层内部的移动规律及各种专门观测站的设置与观测，一般要求和地表移动观测站配合进行，才能获得可靠、全面的观测资料。

5 确定观测线布设位置及长度不同类型的观测站，布设方法不完全相同，其中剖面线状观测站观测线都应布设在主剖面上，即走向观测线和倾斜观测线都应通过最大下沉点，这样才可求出较准确的各种参数。

图2为长壁工作面上方地表移动观测站设计图。

因工作面的走向长度D1＋D2＋D3＞1.4 H0＋50m，如需要，可考虑通过充分采动区设置两条间隔大于50m的倾斜观测线（也可只设1条倾斜观测线），沿煤层走向设置半条走向观测线。

根据已给出的煤层走向和倾向方向，按矿区已有沉陷资料，在平面图上分别确定走向和倾斜观测线的位置。

而对于观测线长度的确定，其应超过移动盆地边界一段距离，以便确定移动盆地的边缘。

设站时，移动盆地边界是根据本矿区已有的沉陷参数或条件类似的其它矿区的参数确定的［7］。

图2 地表移动观测站示意图在走向主断面图（图2（b））上，自开切眼用δ—Δδ和φ向工作面推进方向划线，相交于地表E点，R1R3观测线必须设在工作面推进方向上超过E点的位置。

也就是说，倾斜观测线R1R3到开切眼的距离D1应为式中δ——走向移动角；Δδ——走向移动角的修正值；H0——回采工作面平均开采深度；h——松散层厚度；φ——松散层移动角。

在矿区尚未取得充分采动角数据的情况下，可根据一般地表移动规律选用：D3≥0.7 H0，D2＝50—70m。

5.2 倾向观测线的设计长度倾斜观测线的长度是在移动盆地的倾斜主断面（如图2（c））上确定的。

具体方法是：自采区的上、下边界分别以γ—Δγ和β—Δβ划线与基岩和松散层接触面相交，再从交点以φ角划线交于地表A、B（或C、D）点，AB段（或CD 段）即为倾斜观测线的工作长度。

此段长度亦可按下式计算：式中：L——工作面倾斜长度；γ——上山移动角；β——下山移动角；Δβ——上山移动角的修正值；Δγ——下山移动角的修正值；H1、H2——分别为采区下边界和上边界的开采深度。

走向观测线应设在移动盆地的走向主断面上，走向观测线位置的确定如图2（a）所示。

具体的确定方法是：在倾斜主断面（图2（c））上，从采空区中心用最大下沉角θ划线与地表相交于O点，通过O点作平行煤层走向的垂直断面，此断面所在的位置就是走向观测线的位置。

观测线位置确定的准确与否，直接影响到观测资料的质量，因此，在观测站的设计中，要求所用参数尽量准确。

观测线位置除应满足上述条件之外，还应考虑地形、地物以及便于测点埋设和进行观测等条件。

5.4 走向观测线的长度为了保证观测线不受邻近开采的影响，并使观测线位于移动盆地主断面上，一般情况下（首采工作面除外），走向观测线只设半条（如图2（b））。

具体做法是：自开切眼向工作面推进方向，以角值（δ—Δδ）划线与基岩和松散层交接面相交，再从交点以φ角划线与地表相交于E点。

E点便是不受邻区开采影响的边界点。

在工作面停采线处，向工作面外侧用（δ—Δδ）角划线与基岩和松散层接触面相交于一点，再从此交点用φ角划线交地表于点F。