張二鋼,姜楠,李篷
(安徽理工大學(xué) 測(cè)繪學(xué)院,安徽 淮南 232001)
顧北礦是年設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力800萬噸,為巨厚新生界松散層下開采中厚~特厚煤層的特大型現(xiàn)代化礦井,設(shè)計(jì)井型 3.0萬噸/年,礦井采用立井多水平、分組大巷及主要石門開拓方式,第一生產(chǎn)水平標(biāo)高-648 m,輔助回風(fēng)水平 -550 m。1312(1)工作面原設(shè)計(jì)防水煤柱線標(biāo)高-468.0 m,防水煤柱 44.2 m。設(shè)計(jì)工作面長(zhǎng) 978.6 m,寬200 m,煤厚 2.73 m ~5.57 m,平均 3.3 m,傾角3°~8°,平均 5°,開采儲(chǔ)量 88.1萬噸,煤層頂板最高點(diǎn)(-455.2 m)位于切眼上口處,該處對(duì)應(yīng)的基巖面標(biāo)高-426.8 m,最小防水煤柱 28.4 m。該面上覆新生界地層總厚 417.90 m~448.95 m。其中下部含水層厚 0 m~9.9 m,q=0.00495L/(s.m),下部隔水層(含“紅層”)厚26.40 m~37.25 m分布穩(wěn)定,對(duì)照“三下”開采規(guī)程劃分的水體采動(dòng)等級(jí)為Ⅲ類。按照設(shè)計(jì)采厚 3.3 m,根據(jù)實(shí)測(cè)資料類比及“三下”開采規(guī)程公式計(jì)算,該面采厚垮落帶最大高度為 17.46 m,小于留設(shè)的 28.4 m最小安全煤巖柱。1312(1)首采面采用全跨落法綜合機(jī)械采煤,一次采全高,計(jì)劃工作面推進(jìn)速度為 6.0 m/天,地表平坦,地物多為農(nóng)田,道路,溝渠,有3個(gè)村莊要受到開采的影響。
觀測(cè)站的設(shè)計(jì)包括觀測(cè)線的位置及長(zhǎng)度的設(shè)計(jì)、測(cè)點(diǎn)和控制點(diǎn)的密度、編號(hào)、布設(shè)方式等。顧北煤礦1312(1)工作面地表移動(dòng)觀測(cè)站由一條全走向觀測(cè)線,一條全傾斜觀測(cè)線組成。
設(shè)計(jì)顧北煤礦1312(1)工作面地表移動(dòng)觀測(cè)站時(shí),取用綜合開采沉陷參數(shù)為:
走向移動(dòng)角δ=69°,下山移動(dòng)角β=65°,上山移動(dòng)角γ=68°,松散層移動(dòng)角 φ=49°;最大下沉角 θ=86°。
最大下沉角θ是一個(gè)重要的移動(dòng)參數(shù),它的取值是否合理,直接影響到走向主斷面位置的準(zhǔn)確程度。根據(jù)淮南礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司和中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)承擔(dān)的“十一五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目“礦井深部開采安全保障技術(shù)及裝備開發(fā)”的課題三“三下”深部煤層高效高回收率開采技術(shù)子課題“淮南礦區(qū)‘三下’深部煤層巖層與地表移動(dòng)規(guī)律研究”的研究結(jié)果,地表綜合最大下沉角與傾角之間的關(guān)系為θ=89.12-0.6314ln(α)。將1312(1)工作面煤層平均傾角α=5°代入上式,計(jì)算的地表綜合最大下沉角θ=88°。
(1)走向觀測(cè)線位置設(shè)計(jì)
由于1312(1)工作面煤層是近水平煤層,煤層傾角α=5°,按下式計(jì)算(參見圖1)。
式中:θ為最大下沉角;H0為回采工作面平均開采深度。由顧北煤礦提供的資料和井巷圖分析計(jì)算得:θ取88°;H0取 487 m。
將上述數(shù)值代入式(1)得:
即走向觀測(cè)線距工作面中心線的距離D0=17 m。因此,將走向觀測(cè)線布設(shè)在采區(qū)地表中部。
(2)走向觀測(cè)線長(zhǎng)度的確定
1312(1)工作面走向觀測(cè)線長(zhǎng)度按下式計(jì)算:式中:H0為回采工作面平均開采深度,h為松散層厚度,φ為松散層移動(dòng)角,δ為走向移動(dòng)角,△δ為走向移動(dòng)角的修正值。
圖1 觀測(cè)站設(shè)計(jì)計(jì)算略圖
由顧北煤礦提供的資料和井巷圖分析計(jì)算得:
H0取487 m;h 取 440 m;φ 取 49°;δ取 69°;因煤層傾角α=5°,△δ取20°;l為工作面長(zhǎng)度,l取 978 m。
將上述數(shù)值代入式(2)得:
考慮到開采沉陷參數(shù)的準(zhǔn)確性,取走向線全長(zhǎng)S走向=197 8 m,其中切眼外側(cè) 500 m,停采線向外方向500 m。
由于回采工作面走向長(zhǎng)度 l=978 m>1.4H0=682 m,因此移動(dòng)盆地在走向上可達(dá)到超充分采動(dòng)。對(duì)于監(jiān)測(cè)點(diǎn),顧及到設(shè)站目的和規(guī)程規(guī)范要求,點(diǎn)間距主體取 30 m;根據(jù)設(shè)計(jì)距離,走向觀測(cè)線共布設(shè)66個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)(在實(shí)際放樣時(shí),還需要根據(jù)實(shí)際地形條件進(jìn)行調(diào)整),再加6個(gè)控制點(diǎn),總計(jì)72個(gè)點(diǎn)。測(cè)點(diǎn)編號(hào)自西向東進(jìn)行(沿工作面推進(jìn)方向),控制點(diǎn)編號(hào)由兩個(gè)字符和兩位阿拉伯?dāng)?shù)字組成,順序?yàn)镃L01、CL02、…CL06;監(jiān)測(cè)點(diǎn)編號(hào)由兩個(gè)字符和兩個(gè)阿拉伯?dāng)?shù)字組成。例如,西端第一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),其編號(hào)為ML01,其余的類推。其中“C”為控制點(diǎn)標(biāo)識(shí)碼;“L”走向觀測(cè)線,“M”為監(jiān)測(cè)點(diǎn)標(biāo)識(shí)碼,其后的數(shù)字為測(cè)點(diǎn)的順序編號(hào)。
傾向觀測(cè)線的設(shè)計(jì)包括位置設(shè)計(jì)和長(zhǎng)度設(shè)計(jì)。因1312(1)工作面走向采用L=978 m>1.4H0=714 m,考慮沿傾向布設(shè)1條觀測(cè)線。
(1)傾向觀測(cè)線位置設(shè)計(jì)
①到切眼的距離D1應(yīng)滿足
式中:δ為走向移動(dòng)角;△δ為走向移動(dòng)角的修正值;H0為回采工作面平均開采深度;h為松散層厚度;φ為松散層移動(dòng)角。
由顧北煤礦提供的資料和井巷圖分析計(jì)算得:
δ取69°;△δ取20°;H0取 487 m;h 取 440 m;φ取 49°。
將上述數(shù)據(jù)代入(3)式計(jì)算得傾斜觀測(cè)線到切眼的距離D1≥423 m。
②到停采線的距離D3應(yīng)滿足:
將有關(guān)數(shù)據(jù)帶入式(4)計(jì)算得距離D3≥341 m。
由于工作面長(zhǎng)度為978 m,傾向觀測(cè)線位置可以滿足上述要求。根據(jù)工程目標(biāo)(盡快掌握開采過程中地表移動(dòng)變形基本規(guī)律)和地形情況,將傾斜觀測(cè)線布設(shè)在主體離切眼約 472 m,離停采線約 506 m。
(2)傾斜觀測(cè)線長(zhǎng)度設(shè)計(jì)
按下式計(jì)算:
式中:H1、H2分別為采區(qū)下邊界和上邊界開采深度,h為松散層厚度,β為下山移動(dòng)角;α為煤層傾角;△β為下山移動(dòng)角的修正值;L為工作面斜長(zhǎng);γ為上山移動(dòng)角;△γ為上山移動(dòng)角修正值;φ為松散層厚移動(dòng)角。
由顧北煤礦提供的資料和井巷圖分析計(jì)算得:H1取498 m;H2取 477 m;h取440 m;β取 65°;α取5°;△β 取12.5°;L 取 200 m;γ 取68°;△γ 取20°;φ 取49°。
將上述數(shù)值代入式(5)計(jì)算得:
顧及到計(jì)算參數(shù)的精度及地形情況,取傾向觀測(cè)線長(zhǎng)度為S傾斜=120 0 m
在傾向觀測(cè)線兩端各設(shè)3個(gè)控制點(diǎn),共6個(gè)控制點(diǎn)。由于工作面寬度L=82 m<1.4H0=682 m,因此移動(dòng)盆地在傾向上未達(dá)到充分采動(dòng)。由于傾向觀測(cè)線北端為姬古湖和港河,無法布設(shè)足夠長(zhǎng)的觀測(cè)線,為了準(zhǔn)確地確定移動(dòng)盆地邊界,北端監(jiān)測(cè)點(diǎn)取點(diǎn)間距 10 m,南端 500 m范圍內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)取點(diǎn)間距 25 m,共布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)55個(gè),南端外加6個(gè)控制點(diǎn),共計(jì)61個(gè)點(diǎn)。
測(cè)點(diǎn)編號(hào)自北向南(下山至上山方向)順序進(jìn)行。編號(hào)由兩個(gè)字符和兩位阿拉伯?dāng)?shù)字組成,取“C”為控制點(diǎn)標(biāo)識(shí)碼,“M”為監(jiān)測(cè)點(diǎn)標(biāo)識(shí)碼,“S”為傾向觀測(cè)線,其后的數(shù)字為測(cè)點(diǎn)的順序編號(hào),則控制點(diǎn)編號(hào)分別為 CS01、CS02、…、CS06;監(jiān)測(cè)點(diǎn)的編號(hào)為 MS01,其余的類推。
根據(jù)以上設(shè)計(jì)方案,顧北礦1312(1)工作面的地表移動(dòng)觀測(cè)站的設(shè)置情況,統(tǒng)計(jì)于表1中。
觀測(cè)站情況統(tǒng)計(jì)表 表1
綜上所述的地表移動(dòng)觀測(cè)站的設(shè)計(jì),為傳統(tǒng)測(cè)量方法進(jìn)行觀測(cè)的移動(dòng)觀測(cè)站設(shè)計(jì),即在形變區(qū)域建立地面控制網(wǎng),并進(jìn)行定期的監(jiān)測(cè),通過對(duì)數(shù)據(jù)處理及分析獲取地面形變信息,從而來預(yù)計(jì)地表的移動(dòng)變形參數(shù),為下一步的安全施工和村莊搬遷提供參考。
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