吳金鑫,王列平,王紅梅,牛茂靖

(1.安徽理工大學(xué)測繪學(xué)院,安徽淮南 232001; 2.河北中色測繪有限公司,河北三河 065201)

某礦8102工作面巖移觀測站方案設(shè)計

吳金鑫1?,王列平1,王紅梅2,牛茂靖1

(1.安徽理工大學(xué)測繪學(xué)院,安徽淮南 232001; 2.河北中色測繪有限公司,河北三河 065201)

煤層開采造成覆巖及地表的移動變形是一復(fù)雜變化的過程。掌握地表與覆巖受采動影響的移動和變形規(guī)律,最大限度地減少由于開采沉陷而造成的損失具有重要的意義。地表移動變形信息準(zhǔn)確可靠地獲取十分重要,需要科學(xué)合理的觀測方案。論文結(jié)合某礦8102工作面地質(zhì)采礦條件的具體情況,對該工作面地表移動觀測站、觀測線、觀測方法、精度要求及觀測數(shù)據(jù)處理等技術(shù)方案進行了設(shè)計,成果具有現(xiàn)實意義。

開采沉陷;巖移觀測站;觀測線;數(shù)據(jù)處理

1 引 言

為合理、妥善安排采動區(qū)上方臨近村莊搬遷時間和順序,需要提供本礦區(qū)地質(zhì)采礦條件下的準(zhǔn)確可靠的地表移動變形參數(shù)。為此,建立某煤礦8102工作面的巖移觀測站,并通過數(shù)據(jù)采集、處理和分析,獲得該工作面地質(zhì)采礦條件下準(zhǔn)確可靠的地表移動變形參數(shù),同時為下一步的生產(chǎn)決策服務(wù)。

2 8102工作面地質(zhì)采礦條件

8102工作面位于該礦北一采區(qū),東部以北翼軌道大巷保護煤柱線為界,南部以8101工作面為界,8101工作面已回采,西部以8煤巖漿巖侵蝕邊界為界,北部以8103工作面為界,8103工作面尚未開采。工作面可采走向長623.8 m～802.2 m,傾向?qū)?56.5 m～233.3 m,煤厚3.0 m～7.0 m,平均煤厚4.1 m,工作面面積約169 931.6 m2,地質(zhì)儲量982 374.6 t,可采儲量933 255.8 t,工作面機、風(fēng)巷掘進施工方位為274.5°,機巷標(biāo)高在-610.4 m～-529.5 m(巷道底板標(biāo)高)之間,風(fēng)巷標(biāo)高在-561.9 m～-519.7 m(巷道底板標(biāo)高)之間,工作面正常煤巖層平均傾角為5°。松散層厚度為222.4 m～226.8 m。

老頂:一般以灰～深灰色粉砂巖為主,粉砂狀結(jié)構(gòu),斷口棱角狀,見波狀層理及平行層理,局部縱向裂隙發(fā)育并含方解石脈,厚度2.8 m～9.85 m,均厚7.0 m。直接頂:以泥巖為主,泥巖,灰黑色～黑色,參差狀～平坦?fàn)顢嗫?下部含有大量植物根莖部化石。

偽頂:本工作面8煤偽頂不發(fā)育。

底板:8煤層直接底板巖性變化不大,巖性為深灰色泥巖,深灰～灰黑色,含有植物化石碎片,直接底厚3.1 m～5.91 m,均厚4.3 m。工作面上地面地勢平坦,地面標(biāo)高為+27.3 m～+31.7 m,工作面內(nèi)沒有大的河流經(jīng)過,有豐溝、民豐運河等季節(jié)性水溝,在工作面北部有村莊,回采之前需要對村莊進行搬遷。

3 地表移動觀測站設(shè)計

3.1 觀測站設(shè)計原則

為了能夠獲得準(zhǔn)確、可靠、有代表性的觀測資料,在觀測站進行設(shè)計的過程中,應(yīng)遵循以下幾點原則:

(1)觀測線應(yīng)該選擇在地表移動盆地的主斷面上;

(2)每個觀測周期不應(yīng)受到來自其他附近開采面的采動影響;

(3)走向觀測線的設(shè)計長度應(yīng)大于地表移動盆地的范圍;

(4)觀測線上的布設(shè)測點應(yīng)能夠保證足夠的密度一般取25 m;

(5)控制點應(yīng)遠離地表變形盆地范圍,若存在凍土,控制點水泥混凝土的底面距凍土線應(yīng)大于等于500 mm。

3.2 角量參數(shù)的選定

本設(shè)計方案的角量參數(shù)依照原則為:參照該礦區(qū)首采區(qū)和其臨近的其他工作面地表移動變形觀測站成果資料,如表1所示。

表1 角量參數(shù)選定

3.3 走向觀測線設(shè)計

(1)走向觀測線位置設(shè)計

根據(jù)上述地質(zhì)采礦條件,8102工作面正常煤巖層平均傾角為5°,可認為近似水平煤層。此時,走向觀測線可以布設(shè)在該工作面中部。

(2)走向觀測線長度設(shè)計

式中:H0:回采工作面平均開采深度;h:松散層厚度;φ:松散層厚移動角;δ:走向移動角;△δ:走向移動角的修正值;l:工作面長度;

根據(jù)8102工作面地質(zhì)采礦條件提供的各種參數(shù),將各個參數(shù)值帶入式(1)中,最后確定走向觀測線長約1 118 m。

3.4 傾向觀測線長度設(shè)計

(1)傾向觀測線位置設(shè)計

計算公式如下:

式中:H1、H2:分別為采區(qū)下邊界和上邊界開采深度;h:松散層厚度;β:下山移動角;α:煤層傾角;△β:下山移動角的修正值;L:工作面斜長;γ:上山移動角;△γ:上山移動角修整值;φ:松散層厚移動角;

根據(jù)8102工作面地質(zhì)采礦條件提供的各種參數(shù),將各個參數(shù)值帶入上式公式中,最后確定傾向觀測線長約900 m。

考慮到現(xiàn)場實際地表情況,同時根據(jù)觀測站上觀測線的設(shè)計原則,在8102工作面上方地表還布置附近村莊網(wǎng)狀監(jiān)測站。

綜上,8102工作面地表移動觀測站:走向觀測線長1 118 m,工作點29個,路上點間距為30 m,田里點間距為50 m;傾向觀測線長900 m,布設(shè)在溝堤上,工作點31個,點間距為30 m。附近村莊網(wǎng)狀監(jiān)測站:在村莊地表另布設(shè)了37個監(jiān)測點,點間距為50 m。觀測站設(shè)計平面圖如圖1所示。

4 觀測項目、方法、精度和時間

4.1 連接測量

所謂連接測量是指,為了獲取觀測站設(shè)計中的某個控制點三維坐標(biāo)信息(平面坐標(biāo)和高程信息),同時以此來確定測區(qū)中的其他控制點和工作測點的三維坐標(biāo)信息,所進行的測量工作,該測量工作稱之為連接測量。連接測量工作要在水泥混凝土觀測點固結(jié)之后,在礦區(qū)工作面采動之前進行。連接測量包括平面連接測量(GPS靜態(tài)測量)以及高程連接測量。

(1)平面連接測量(GPS靜態(tài)測量)

控制點的平面位置采用D級GPS或全站儀導(dǎo)線控制,點位誤差不得大于7 mm。K1、K3、K4和K6為GPS控制點,新增控制點K2、K5。20(54)為走向觀測線和傾向觀測線的交點。GPS控制網(wǎng)布置如圖2所示。觀測采用多臺接收機(大于等于4臺),多時段進行數(shù)據(jù)采集。此方法具有操作簡易、可靠性高、精度高等特點。

圖2 GPS連接測量平面圖

(2)高程連接測量

高程連接測量要利用礦區(qū)提供的水準(zhǔn)基點(K1、K3、K4、K6),布設(shè)水準(zhǔn)控制網(wǎng)時要求盡可能利用礦區(qū)已有水準(zhǔn)控制點資料,組成閉合環(huán)路。特別指出,交點要設(shè)計在水準(zhǔn)控制網(wǎng)內(nèi)。儀器選擇為徠卡sprinter精密電子水準(zhǔn)儀。組成如圖3所示的水準(zhǔn)網(wǎng),引測三等水準(zhǔn)。網(wǎng)中K1、K3、K4、K6高程值分別為: 30.881 m、31.023 m、30.663 m、32.190 m。

圖3 連接測量水準(zhǔn)網(wǎng)圖

觀測成果的內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理方法采用現(xiàn)代數(shù)據(jù)處理理論進行處理,最終求出觀測站各控制點的平面坐標(biāo)和高程。

4.2 全面觀測

為了提高監(jiān)測精度,增加觀測可靠性。在煤層開采之前,需要對觀測值進行兩次獨立的全面觀測。規(guī)范要求,高程不符合值為10 mm,即對同一工作測點來說,兩次獨立測得的高程差值應(yīng)小于10 mm,同理,邊長的不符合值為4 mm,所有數(shù)據(jù)需要取兩者平均值作為最終原始數(shù)據(jù)。高程測量直接從觀測站控制點開始,按三等水準(zhǔn)測量的精度要求進行。為了提高觀測速度,觀測工作測點時,往往將觀測線上的一些測點作為中間點(平差點),但同時視距不宜超過50 m(實際中一般不超過3個中間點)。當(dāng)遇到工作點同時又是測量控制點時,可進行附合水準(zhǔn)測量;若水準(zhǔn)路線中只有一個控制點,水準(zhǔn)線路需要設(shè)計成閉合線路或者進行水準(zhǔn)往返觀測,水準(zhǔn)網(wǎng)示意如圖4所示。

圖4 水準(zhǔn)網(wǎng)示意圖

平面控制采用傳統(tǒng)控制測量方法(全站儀附和導(dǎo)線),每個測站兩個測繪觀測水平角,同時要求正倒鏡往返觀測,水平距離取平均值。根據(jù)觀測數(shù)據(jù)計算出各控制點所在坐標(biāo)系下的平面坐標(biāo)。通過極坐標(biāo)法推算出觀測線上其他觀測點的平面坐標(biāo)。最后通過個觀測點平面坐標(biāo)進行反演,確定出各測點的支距和相鄰測點之間在觀測線方向的水平距離。

4.3 日常觀測

在首次和末次全面觀測之間適當(dāng)加密水準(zhǔn)測量次數(shù),為判定地表是否開始移動,在回采工作面推進一定距離(相當(dāng)于0.1～0.5平均開采深度H0,即工作面回采60 m),在預(yù)計可能首先移動的地表,選擇若干個工作測點,每星期進行1次水準(zhǔn)測量。重復(fù)水準(zhǔn)測量的時間間隔,視地表下沉的速度而定,一般是每隔1個月～3個月觀測1次。在移動的活躍階段,還應(yīng)在下沉較大的區(qū)段,增加水準(zhǔn)觀測次數(shù)。

為了保證所獲得觀測資料的準(zhǔn)確性,每次觀測應(yīng)在盡量短的時間內(nèi)完成,特別是在移動活躍階段,水準(zhǔn)測量必須在1 d內(nèi)完成,并力爭做到高程測量和平面測量同時進行。觀測站的各項觀測,要遵循一定的觀測程序。一般情況下,在測區(qū)控制線測設(shè)到設(shè)計位置后10 d～15 d開采生產(chǎn)還沒有開始,這時應(yīng)抓緊進行的觀測工作是與礦區(qū)控制網(wǎng)進行連測。在采動影響開始之前,與礦區(qū)控制網(wǎng)進行連測之后應(yīng)進行全面觀測(獨立進行2次),同時對觀測站可能發(fā)生的變形量和下沉值影響范圍,進行科學(xué)的預(yù)測。在地表移動的初始期、活躍期、衰退期要定期進行水準(zhǔn)觀測。特別指出,在地表移動活躍期間應(yīng)加密水準(zhǔn)觀測的觀測次數(shù),縮短觀測周期。地表移動穩(wěn)定后,需要對觀測站再次進行全面觀測。

5 觀測數(shù)據(jù)的處理

觀測數(shù)據(jù)的處理工作一般包括計算和繪圖兩部分組成。

5.1 觀測成果的計算

在正式進行數(shù)據(jù)計算之前還要對觀測數(shù)據(jù)成果進行再次檢查,這是保證觀測成果正確性的重要措施。之后再利用現(xiàn)代數(shù)據(jù)處理理論中的方法進行各種改正數(shù)的計算和嚴密平差計算等。觀測成果計算主要有預(yù)處理、移動變形量計算、參數(shù)確定3個步驟。

(1)預(yù)處理

觀測數(shù)據(jù)預(yù)處理主要內(nèi)容有:高程值求取、測點間水平距離以及測點的移動和變形值及下沉速度等。采用全站儀觀測時,要加入氣象改正和斜距改正。

(2)移動量和變形值的計算

移動和變形計算主要包括:各測點的下沉和水平移動,相鄰兩測點間的傾斜和水平變形,相鄰兩線段(或相鄰三點)的曲率變形,觀測點的下沉速度等。

(3)地表移動變形參數(shù)確定

通過移動變形曲線圖和下沉速度曲線圖可確定的移動變形的角量參數(shù)有:移動角、邊界角、裂縫角、最大下沉速度角、超前影響角等。

通過MATLAB專業(yè)數(shù)據(jù)計算程序能夠?qū)崿F(xiàn)下沉系數(shù)、水平移動系數(shù)、主要影響角正切、拐點偏移距等地表移動預(yù)計參數(shù)。

5.2 繪圖工作

一般情況下,在CAD中繪制移動變形曲線圖是較常用、簡便的方法。通過繪制曲線圖進行觀測線的地表移動與變形的規(guī)律分析及其地表下沉動態(tài)發(fā)展過程。

繪制移動變形曲線圖時應(yīng)注意以下幾點:

(1)豎直比例尺應(yīng)能夠清楚的反映出移動和變形的分布規(guī)律,便于分析比較。

(2)曲線圖和觀測線斷面圖應(yīng)繪在一起。

(3)斷面圖的豎直和水平比例尺與井上下對照圖的相同。

(4)在觀測站平面圖上應(yīng)包括的內(nèi)容有測點的實際位置,保護煤柱邊界線,每次觀測時的工作面位置,地表裂縫,塌陷坑的形態(tài)及出現(xiàn)日期等信息。

(5)及時進行計算繪制。

6 結(jié) 論

采用GPS技術(shù)和精密監(jiān)測技術(shù)進行三維空間數(shù)據(jù)的采集,建立某煤礦8102工作面巖移觀測站,獲得該工作面重復(fù)采動條件下的地表移動參數(shù)。在進行野外觀測數(shù)據(jù)處理之前,要對野外觀測一切成果進行檢核,這個過程是數(shù)據(jù)預(yù)處理的前提工作。檢核結(jié)果直接關(guān)系到數(shù)據(jù)預(yù)處理過程能否順利進行。所以,觀測站的野外數(shù)據(jù)檢查是預(yù)處理、保證數(shù)據(jù)處理可靠性的重要基礎(chǔ)。在掌握鄰近村莊下8102工作面采煤地表移動基本規(guī)律后,可以監(jiān)測到8102工作面開采是否影響附近村莊,如若影響,根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查,確定其破壞等級,為地面建筑物加固或修改8103工作面回采設(shè)計方案提供科學(xué)依據(jù)。

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8102 Face of a Mine Rock Movement Observation Station Design

Wu Jinxin1,Wang Lieping1,Wang Hongmei2,Niu Maojing1
(1.Institute of Geodesy and Geomatics,Anhui University of Science and Technology,Huainan 232001,China; 2.Hebei CNNC Surveying and Mapping Co.,Ltd,Sanhe 065201,China)

Overburden and surface movement and deformation because of coal mining is a complex process of change.Master surface and overburden affected by the movement and deformation law,to minimize the losses due to mining is great significance.Ground movement and deformation access to accurate and reliable information is important,a scientific and rational observation programs is required.This paper combines 8102 Face’s geological and mining conditions of the specific case,the face surface movement observation stations,observation line,methods of observation,precision observation data processing requirements and technical solutions were designed,the results have practical significance.

mining subsidence;rock movement observation station;observation line;data processing

2014—05—14

吳金鑫(1989—),男,碩士研究生,研究方向:變形監(jiān)測與數(shù)據(jù)處理。