煤矿地表沉陷观测设计及精度控制研究.doc

煤矿地表沉陷观测设计及精度控制研究 【摘要】本文通过对某煤矿一个工作面的地表沉陷观测站的设计及精度分析，介绍了观测站设计时所需的资料、设计原则及设计内容，并叙述了观测工作及观测数据的处理，掌握开采沉陷的规律，使井巷、建筑物、水体及铁路等免受或少受开采的有害影响。 【关键词】开采沉陷；观测站；数据处理 1前言 有用矿物被采出以后，开采区域周围的岩体的原始应力平衡状态受到破坏，应力重新分布，达到新的平衡。在此过程中，使岩层和地表产生连续的移动、变形和非连续的破坏，这种现象称为“开采沉陷”。 为了进行现代化建设，需要开采大量的有用矿物，但是开采这些有用矿物产生的开采沉陷，又反过来影响和破坏岩体内和地面上的一些生产和生活设施，影响生产的发展和人民生活的提高。要解决好这个矛盾，只有依靠对开采沉陷的深入研究。由于开采沉陷研究的重要性，各国矿山工程技术人员投入了越来越多的时间、技术和装备来进行此项研究。我国对开采沉陷的研究工作是从新中国成立以后开始的。经过近40年的努力，我国不近积累了上千条观测线的实测资料，并由此对开采沉陷的基本规律有了进一步的认识，而且还提出了具有我国特色的预计方法，在“三下”开采时间中，也取得了很大的成绩，积累了较为丰富的经验。 2地表岩层观测站的建立 2.1观测站设计的原则及内容 设计原则观测线应设在地表移动盆地的主断面上；设站地区，在观测期间不受邻近开采的影响；测线的长度要大于地表移动盆地的范围；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；观测站的控制点药设在移动盆地范围以外，埋设要牢固。 观测站设计时，必须具备下列资料设站地区的井上下对照图和开采计划图；设站地区的地质和水文地质资料；开采工作面设计资料；观测地区井上下测量资料；矿区已有的开采沉陷资料。 观测站的布设形式目前我国矿区大多采用剖面现状观测站。观测站一般由两条观测线组成。一条沿煤层走向方向，一条沿倾斜方向，他们互相垂直并相交。 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。 2.2观测站设计方法 不同类型的观测站设计方法不完全相同，下面仅介绍剖面线状的设计方法。 2.2.1确定观测线的位置 确定倾斜观测线的位置根据已给出的设计工作面情况，可通过充分采动区设计两条倾斜观测线R1R3和R4R6。如果在工作面推进过程中没站，倾斜观测线R1R3到邻近工作面的距离，除应满足D1外，还应考虑观测站设计到第一次观团之间工作面的推进距离。 确定走向观测线R7R9的位置走向观测线应设在移动盆地的走向主断面上，具体的确定方法是在倾斜主断面上，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。 2.2.2观测线长度的确定 观测线的长度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。 倾斜观测线长度的确定倾斜观测线的长度是在移动盆地的倾斜主断面上确定的。 走向观测线长度的确定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，一股情况下，走向观测线只设半条。 2.2.3测点数目及其密度 观测线上的到点数目及其密度，主要取决于开采深度和设站的目的。工作测点设置在预计的移动盆地范围内观测线上，一般是从移动盆地中央开始向两边的移动边界布置。在采动过程中，要求测点的埋设深度在本地区的冻土深度以下0.5m，并保证它和土层密实固结，以使测点和地表一起移动。工作测点应有适当的密度。为了以大致相同的精度求得移动和变形值及其分布规律，一段工作测点采用等间距。 2.3观测站的设置 在工作面开始回采之前，就应将设计好的观测站标定到实地上。其方法是在观测站设计平面图上，利用观测站附近的矿区控制点确定各观测线及观测线上各测点的平面位置。从矿区控制点T，根据设计图上量取的角值β和边长L，先标定出观测线上控制点R4，再根据a标出倾斜观测线R4R1的方向。在两观测线交点O处，以和倾斜观测线成直角标出走向观测线R5R6的方向。然后从O点开始在两条观测线的方向上，根指设计的测点间距，依次标出各测点的平面位置。各测点应尽可能在一条直线上，并对各测点进行编号。 2.4观测站的观测工作 地表移动观测的基本内容是在采动过程中，定期地、重复地测定观测线上各测点在不同时期内空间位置的变化。地表移动观测站的观测工作可分为观测站的连接测量，全面观测，单独进行的水准测量，地表破坏的测定和编录。 2.5日常观测工作 所谓日常观测工作，指的是首次和末次全面观测之间适当增加的水准测星工作，为判定地表是否巳开始移动，在回采工作面推进一定距离后，在预计可能首先移动的地区，选择几个工作测点，每隔几天进行一次水准测量，如果发现测点有下沉的趋势，即说明地表已经开始移动。在移动过程中，要进行日常观测工作，即重复进行水准则量。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。 3地表岩层移动观测站实测资料的分析和处理 3.1求取精度分析 开采沉陷区岩层及地表移动变形预计方法很多，按建立预计方法的途径分为基于实测资料的经验方法、影响函数法、理论模拟法。现阶段各种预计方法都存在10以上的误差，某些变形量的预计误差甚至在70以上。本文将对此进行分析，揭示造成各类误差的基本原因，为改进预计方法，提高预计精度提供基础。 （1）实测误差观测站的设计，特别是点密度和点位的选择，以及观测时刻和观测间隔的确定，对预计参数有较大影响，如选择不当，会造成较大误差。地面三维扫描仪的应用，尽管不能提高观测精度，但可以实现观测数据的由“线”到“面”。 （2）基于实测的各种预计方法的误差分析 函数模型选择误差开采沉陷造成的地表移动在不同的时段、不同的区域形态不同，所以简单地以一种函数来表示必然增加预计误差。 地表移动参数误差即便在同一矿区，甚至同一采区，条件完全相同的工作面也很少，有的地质条件如采深、倾角等不同；有的工作面形状不同，有的开采速度不同，有的周围开采影响不同，而且这种差异有时很大。现阶段，针对开采各阶段的移动参数预计公式较少，造成动态预计总体误差较大。 理论模拟法的误差当前的探测技术对这些结构面难以探明，造成理论模拟法建立模型时必须简化，而这些难以查明的大量的结构面对岩体移动规律的影响很大，常常使岩体的破坏更加复杂、剧烈、异常，造成预计的误差。 提高精度方法分析提高观测数据精度；采用钻探、物探等手段获得上覆岩土体的移动信息；改进预计方法。 4以某煤矿为例布设地表观测站 4.1建立地表观测站的任务 煤矿开采引起岩层和地表移动的过程非常复杂，是地质、水文、开采、地形等多种因素综合影响的结果。通过设立地表移动观测站进行观测可以获取并确定以下数据，并获取相关关系采矿、地质条件与地表移动和变形的关系；地表在移动过程中的移动和变形特点及分布规律；地表移动和变形中的动态移动变化规律；移动稳定后地表移动和变形的分布及其主要参数。 4.4.1.2走向观测先位置确定 由于最大下沉角θ为90，所以走向观测线应从采区中间穿过采区。 根据相关数据及参数，倾向观测B线距开切眼的平面位置应大于365m，C线距B线的平面距离约为60m。C线距终采线大于323m，满足上述条件布设倾向观测线。 4.4.2观测线长度的确定 4.4.2.1倾斜观测线的长度确定 4.5控制点与测点埋设方法 控制点标石应采用钢筋混凝土预置标桩或现场混凝土浇注标桩，标桩顶部中央应有半球形标志，标桩的规格应参照煤矿测量规程四等水准点标石要求按规格制作，其底部埋设深度应低于当地冻土深度2.5m。并保证它和土层密实固结，以使测点和地表一起移动。 测点标志可在现场埋设，埋点时，在标定的位置上挖一个直径0.2～0.3m，深度不小于0.6m的坑，用混凝土灌注，中间用16～20mm的铁杆作标志，中间顶部加工成球形刻十字细槽，作为测点标志的中心。在冻土地区，标志浇灌深度应在冻土线以下0.5m左右，周围填紧土石，以方测点受冻土影响。 观测线上的观测点数目及其密度，主要取决与开采深度和设站的目的。在采动过程中，定期观测这些测点的空间位置。为了以大致相同的精度求得移动和变形值及其分布规律，一般工作测点采用等间距。 按照建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程的规定，本矿区地表移动观测点间距采用25m。 4.6所需仪器及观测方法 （1）地表观测站观测所使用的仪器及精度地表移动观测站建立后，要分别进行与观测矿区控制网连测、全面观测及高精度的水准测量等测量工作，测量工作采用常规的测量仪器及方法进行。 （2）地表观测站的测量地表移动观测的基本内容是在采动过程中定期地、重复地测定观测线上各测点在不同时期内空间位置的变化。地表移动观测站的观测工作分为观测站的连接测量，全面观测，单独进行的水准测量，地表破坏的测定和编录。 参考文献 [1]中华人民共和国能源部.煤矿测量规程[S].北京煤炭工业出版社，2000. [2]郭增长.极不充分开采地表移动预计方法及建筑物深部压煤开采技术研究[D].北京中国矿业大学，2000.