某礦8102工作面巖移觀測站方案設計

吳金鑫,王列平,王紅梅,牛茂靖

(1.安徽理工大學測繪學院,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計

吳金鑫1?,王列平1,王紅梅2,牛茂靖1

(1.安徽理工大學測繪學院,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確可靠地獲取十分重要,需要科學合理的觀測方案。論文結合某礦8102工作面地質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、精度要求及觀測數據處理等技術方案進行了設計,成果具有現實意義。

開采沉陷;巖移觀測站;觀測線;數據處理

1 引 言

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

2 8102工作面地質采礦條件

8102工作面位于該礦北一采區,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,傾向寬156.5 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,地質儲量982 374.6 t,可采儲量933 255.8 t,工作面機、風巷掘進施工方位為274.5°,機巷標高在-610.4 m～-529.5 m(巷道底板標高)之間,風巷標高在-561.9 m～-519.7 m(巷道底板標高)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,粉砂狀結構,斷口棱角狀,見波狀層理及平行層理,局部縱向裂隙發育并含方解石脈,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～平坦狀斷口,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,地面標高為+27.3 m～+31.7 m,工作面內沒有大的河流經過,有豐溝、民豐運河等季節性水溝,在工作面北部有村莊,回采之前需要對村莊進行搬遷。

3 地表移動觀測站設計

3.1 觀測站設計原則

為了能夠獲得準確、可靠、有代表性的觀測資料,在觀測站進行設計的過程中,應遵循以下幾點原則:

(1)觀測線應該選擇在地表移動盆地的主斷面上;

(2)每個觀測周期不應受到來自其他附近開采面的采動影響;

(3)走向觀測線的設計長度應大于地表移動盆地的范圍;

(4)觀測線上的布設測點應能夠保證足夠的密度一般取25 m;

(5)控制點應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大于等于500 mm。

3.2 角量參數的選定

本設計方案的角量參數依照原則為:參照該礦區首采區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 角量參數選定

3.3 走向觀測線設計

(1)走向觀測線位置設計

根據上述地質采礦條件,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在該工作面中部。

(2)走向觀測線長度設計

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

3.4 傾向觀測線長度設計

(1)傾向觀測線位置設計

計算公式如下:

式中:H1、H2:分別為采區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8102工作面地質采礦條件提供的各種參數,將各個參數值帶入上式公式中,最后確定傾向觀測線長約900 m。

考慮到現場實際地表情況,同時根據觀測站上觀測線的設計原則,在8102工作面上方地表還布置附近村莊網狀監測站。

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,布設在溝堤上,工作點31個,點間距為30 m。附近村莊網狀監測站:在村莊地表另布設了37個監測點,點間距為50 m。觀測站設計平面圖如圖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,為了獲取觀測站設計中的某個控制點三維坐標信息(平面坐標和高程信息),同時以此來確定測區中的其他控制點和工作測點的三維坐標信息,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之后,在礦區工作面采動之前進行。連接測量包括平面連接測量(GPS靜態測量)以及高程連接測量。

(1)平面連接測量(GPS靜態測量)

控制點的平面位置采用D級GPS或全站儀導線控制,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),多時段進行數據采集。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提供的水準基點(K1、K3、K4、K6),布設水準控制網時要求盡可能利用礦區已有水準控制點資料,組成閉合環路。特別指出,交點要設計在水準控制網內。儀器選擇為徠卡sprinter精密電子水準儀。組成如圖3所示的水準網,引測三等水準。網中K1、K3、K4、K6高程值分別為: 30.881 m、31.023 m、30.663 m、32.190 m。

圖3 連接測量水準網圖

觀測成果的內業數據處理方法采用現代數據處理理論進行處理,最終求出觀測站各控制點的平面坐標和高程。

4.2 全面觀測

為了提高監測精度,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小于10 mm,同理,邊長的不符合值為4 mm,所有數據需要取兩者平均值作為最終原始數據。高程測量直接從觀測站控制點開始,按三等水準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)。當遇到工作點同時又是測量控制點時,可進行附合水準測量;若水準路線中只有一個控制點,水準線路需要設計成閉合線路或者進行水準往返觀測,水準網示意如圖4所示。

圖4 水準網示意圖

平面控制采用傳統控制測量方法(全站儀附和導線),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。根據觀測數據計算出各控制點所在坐標系下的平面坐標。通過極坐標法推算出觀測線上其他觀測點的平面坐標。最后通過個觀測點平面坐標進行反演,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加密水準測量次數,為判定地表是否開始移動,在回采工作面推進一定距離(相當于0.1～0.5平均開采深度H0,即工作面回采60 m),在預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次水準測量。重復水準測量的時間間隔,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,還應在下沉較大的區段,增加水準觀測次數。

為了保證所獲得觀測資料的準確性,每次觀測應在盡量短的時間內完成,特別是在移動活躍階段,水準測量必須在1 d內完成,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,在測區控制線測設到設計位置后10 d～15 d開采生產還沒有開始,這時應抓緊進行的觀測工作是與礦區控制網進行連測。在采動影響開始之前,與礦區控制網進行連測之后應進行全面觀測(獨立進行2次),同時對觀測站可能發生的變形量和下沉值影響范圍,進行科學的預測。在地表移動的初始期、活躍期、衰退期要定期進行水準觀測。特別指出,在地表移動活躍期間應加密水準觀測的觀測次數,縮短觀測周期。地表移動穩定后,需要對觀測站再次進行全面觀測。

5 觀測數據的處理

觀測數據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

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

(1)預處理

觀測數據預處理主要內容有: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專業數據計算程序能夠實現下沉系數、水平移動系數、主要影響角正切、拐點偏移距等地表移動預計參數。

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律分析及其地表下沉動態發展過程。

繪制移動變形曲線圖時應注意以下幾點:

(1)豎直比例尺應能夠清楚的反映出移動和變形的分布規律,便于分析比較。

(2)曲線圖和觀測線斷面圖應繪在一起。

(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包括的內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,塌陷坑的形態及出現日期等信息。

(5)及時進行計算繪制。

6 結 論

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

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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:變形監測與數據處理。