吳金鑫,王列平,王紅梅,牛茂靖

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

某礦8102工作面巖移觀測(cè)站方案設(shè)計(jì)

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(cè)繪學(xué)院,安徽淮南 232001; 2.河北中色測(cè)繪有限公司,河北三河 065201)

煤層開(kāi)采造成覆巖及地表的移動(dòng)變形是一復(fù)雜變化的過(guò)程。掌握地表與覆巖受采動(dòng)影響的移動(dòng)和變形規(guī)律,最大限度地減少由于開(kāi)采沉陷而造成的損失具有重要的意義。地表移動(dòng)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(cè)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(duì)該工作面地表移動(dòng)觀測(cè)站、觀測(cè)線、觀測(cè)方法、精度要求及觀測(cè)數(shù)據(jù)處理等技術(shù)方案進(jìn)行了設(shè)計(jì),成果具有現(xiàn)實(shí)意義。

開(kāi)采沉陷;巖移觀測(cè)站;觀測(cè)線;數(shù)據(jù)處理

1 引 言

為合理、妥善安排采動(dòng)區(qū)上方臨近村莊搬遷時(shí)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(dòng)變形參數(shù)。為此,建立某煤礦8102工作面的巖移觀測(cè)站,并通過(guò)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(dòng)變形參數(shù),同時(shí)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(hù)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(kāi)采。工作面可采走向長(zhǎng)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(chǔ)量982 374.6 t,可采儲(chǔ)量933 255.8 t,工作面機(jī)、風(fēng)巷掘進(jìn)施工方位為274.5°,機(jī)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(jiàn)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(shì)平坦,地面標(biāo)高為+27.3 m～+31.7 m,工作面內(nèi)沒(méi)有大的河流經(jīng)過(guò),有豐溝、民豐運(yùn)河等季節(jié)性水溝,在工作面北部有村莊,回采之前需要對(duì)村莊進(jìn)行搬遷。

3 地表移動(dòng)觀測(cè)站設(shè)計(jì)

3.1 觀測(cè)站設(shè)計(jì)原則

為了能夠獲得準(zhǔn)確、可靠、有代表性的觀測(cè)資料,在觀測(cè)站進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中,應(yīng)遵循以下幾點(diǎn)原則:

(1)觀測(cè)線應(yīng)該選擇在地表移動(dòng)盆地的主斷面上;

(2)每個(gè)觀測(cè)周期不應(yīng)受到來(lái)自其他附近開(kāi)采面的采動(dòng)影響;

(3)走向觀測(cè)線的設(shè)計(jì)長(zhǎng)度應(yīng)大于地表移動(dòng)盆地的范圍;

(4)觀測(cè)線上的布設(shè)測(cè)點(diǎn)應(yīng)能夠保證足夠的密度一般取25 m;

(5)控制點(diǎn)應(yīng)遠(yuǎn)離地表變形盆地范圍,若存在凍土,控制點(diǎn)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(jì)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(dòng)變形觀測(cè)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(cè)線設(shè)計(jì)

(1)走向觀測(cè)線位置設(shè)計(jì)

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(rèn)為近似水平煤層。此時(shí),走向觀測(cè)線可以布設(shè)在該工作面中部。

(2)走向觀測(cè)線長(zhǎng)度設(shè)計(jì)

式中:H0:回采工作面平均開(kāi)采深度;h:松散層厚度;φ:松散層厚移動(dòng)角;δ:走向移動(dòng)角;△δ:走向移動(dòng)角的修正值;l:工作面長(zhǎng)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(gè)參數(shù)值帶入式(1)中,最后確定走向觀測(cè)線長(zhǎng)約1 118 m。

3.4 傾向觀測(cè)線長(zhǎng)度設(shè)計(jì)

(1)傾向觀測(cè)線位置設(shè)計(jì)

計(jì)算公式如下:

式中:H1、H2:分別為采區(qū)下邊界和上邊界開(kāi)采深度;h:松散層厚度;β:下山移動(dòng)角;α:煤層傾角;△β:下山移動(dòng)角的修正值;L:工作面斜長(zhǎng);γ:上山移動(dòng)角;△γ:上山移動(dòng)角修整值;φ:松散層厚移動(dòng)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(gè)參數(shù)值帶入上式公式中,最后確定傾向觀測(cè)線長(zhǎng)約900 m。

考慮到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際地表情況,同時(shí)根據(jù)觀測(cè)站上觀測(cè)線的設(shè)計(jì)原則,在8102工作面上方地表還布置附近村莊網(wǎng)狀監(jiān)測(cè)站。

綜上,8102工作面地表移動(dòng)觀測(cè)站:走向觀測(cè)線長(zhǎng)1 118 m,工作點(diǎn)29個(gè),路上點(diǎn)間距為30 m,田里點(diǎn)間距為50 m;傾向觀測(cè)線長(zhǎng)900 m,布設(shè)在溝堤上,工作點(diǎn)31個(gè),點(diǎn)間距為30 m。附近村莊網(wǎng)狀監(jiān)測(cè)站:在村莊地表另布設(shè)了37個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),點(diǎn)間距為50 m。觀測(cè)站設(shè)計(jì)平面圖如圖1所示。

4 觀測(cè)項(xiàng)目、方法、精度和時(shí)間

4.1 連接測(cè)量

所謂連接測(cè)量是指,為了獲取觀測(cè)站設(shè)計(jì)中的某個(gè)控制點(diǎn)三維坐標(biāo)信息(平面坐標(biāo)和高程信息),同時(shí)以此來(lái)確定測(cè)區(qū)中的其他控制點(diǎn)和工作測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)信息,所進(jìn)行的測(cè)量工作,該測(cè)量工作稱之為連接測(cè)量。連接測(cè)量工作要在水泥混凝土觀測(cè)點(diǎn)固結(jié)之后,在礦區(qū)工作面采動(dòng)之前進(jìn)行。連接測(cè)量包括平面連接測(cè)量(GPS靜態(tài)測(cè)量)以及高程連接測(cè)量。

(1)平面連接測(cè)量(GPS靜態(tài)測(cè)量)

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

圖2 GPS連接測(cè)量平面圖

(2)高程連接測(cè)量

高程連接測(cè)量要利用礦區(qū)提供的水準(zhǔn)基點(diǎn)(K1、K3、K4、K6),布設(shè)水準(zhǔn)控制網(wǎng)時(shí)要求盡可能利用礦區(qū)已有水準(zhǔn)控制點(diǎn)資料,組成閉合環(huán)路。特別指出,交點(diǎn)要設(shè)計(jì)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(cè)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(cè)量水準(zhǔn)網(wǎng)圖

觀測(cè)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(jìn)行處理,最終求出觀測(cè)站各控制點(diǎn)的平面坐標(biāo)和高程。

4.2 全面觀測(cè)

為了提高監(jiān)測(cè)精度,增加觀測(cè)可靠性。在煤層開(kāi)采之前,需要對(duì)觀測(cè)值進(jìn)行兩次獨(dú)立的全面觀測(cè)。規(guī)范要求,高程不符合值為10 mm,即對(duì)同一工作測(cè)點(diǎn)來(lái)說(shuō),兩次獨(dú)立測(cè)得的高程差值應(yīng)小于10 mm,同理,邊長(zhǎng)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(cè)量直接從觀測(cè)站控制點(diǎn)開(kāi)始,按三等水準(zhǔn)測(cè)量的精度要求進(jìn)行。為了提高觀測(cè)速度,觀測(cè)工作測(cè)點(diǎn)時(shí),往往將觀測(cè)線上的一些測(cè)點(diǎn)作為中間點(diǎn)(平差點(diǎn)),但同時(shí)視距不宜超過(guò)50 m(實(shí)際中一般不超過(guò)3個(gè)中間點(diǎn))。當(dāng)遇到工作點(diǎn)同時(shí)又是測(cè)量控制點(diǎn)時(shí),可進(jìn)行附合水準(zhǔn)測(cè)量;若水準(zhǔn)路線中只有一個(gè)控制點(diǎn),水準(zhǔn)線路需要設(shè)計(jì)成閉合線路或者進(jìn)行水準(zhǔn)往返觀測(cè),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(cè)量方法(全站儀附和導(dǎo)線),每個(gè)測(cè)站兩個(gè)測(cè)繪觀測(cè)水平角,同時(shí)要求正倒鏡往返觀測(cè),水平距離取平均值。根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算出各控制點(diǎn)所在坐標(biāo)系下的平面坐標(biāo)。通過(guò)極坐標(biāo)法推算出觀測(cè)線上其他觀測(cè)點(diǎn)的平面坐標(biāo)。最后通過(guò)個(gè)觀測(cè)點(diǎn)平面坐標(biāo)進(jìn)行反演,確定出各測(cè)點(diǎn)的支距和相鄰測(cè)點(diǎn)之間在觀測(cè)線方向的水平距離。

4.3 日常觀測(cè)

在首次和末次全面觀測(cè)之間適當(dāng)加密水準(zhǔn)測(cè)量次數(shù),為判定地表是否開(kāi)始移動(dòng),在回采工作面推進(jìn)一定距離(相當(dāng)于0.1～0.5平均開(kāi)采深度H0,即工作面回采60 m),在預(yù)計(jì)可能首先移動(dòng)的地表,選擇若干個(gè)工作測(cè)點(diǎn),每星期進(jìn)行1次水準(zhǔn)測(cè)量。重復(fù)水準(zhǔn)測(cè)量的時(shí)間間隔,視地表下沉的速度而定,一般是每隔1個(gè)月～3個(gè)月觀測(cè)1次。在移動(dòng)的活躍階段,還應(yīng)在下沉較大的區(qū)段,增加水準(zhǔn)觀測(cè)次數(shù)。

為了保證所獲得觀測(cè)資料的準(zhǔn)確性,每次觀測(cè)應(yīng)在盡量短的時(shí)間內(nèi)完成,特別是在移動(dòng)活躍階段,水準(zhǔn)測(cè)量必須在1 d內(nèi)完成,并力爭(zhēng)做到高程測(cè)量和平面測(cè)量同時(shí)進(jìn)行。觀測(cè)站的各項(xiàng)觀測(cè),要遵循一定的觀測(cè)程序。一般情況下,在測(cè)區(qū)控制線測(cè)設(shè)到設(shè)計(jì)位置后10 d～15 d開(kāi)采生產(chǎn)還沒(méi)有開(kāi)始,這時(shí)應(yīng)抓緊進(jìn)行的觀測(cè)工作是與礦區(qū)控制網(wǎng)進(jìn)行連測(cè)。在采動(dòng)影響開(kāi)始之前,與礦區(qū)控制網(wǎng)進(jìn)行連測(cè)之后應(yīng)進(jìn)行全面觀測(cè)(獨(dú)立進(jìn)行2次),同時(shí)對(duì)觀測(cè)站可能發(fā)生的變形量和下沉值影響范圍,進(jìn)行科學(xué)的預(yù)測(cè)。在地表移動(dòng)的初始期、活躍期、衰退期要定期進(jìn)行水準(zhǔn)觀測(cè)。特別指出,在地表移動(dòng)活躍期間應(yīng)加密水準(zhǔn)觀測(cè)的觀測(cè)次數(shù),縮短觀測(cè)周期。地表移動(dòng)穩(wěn)定后,需要對(duì)觀測(cè)站再次進(jìn)行全面觀測(cè)。

5 觀測(cè)數(shù)據(jù)的處理

觀測(cè)數(shù)據(jù)的處理工作一般包括計(jì)算和繪圖兩部分組成。

5.1 觀測(cè)成果的計(jì)算

在正式進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算之前還要對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)成果進(jìn)行再次檢查,這是保證觀測(cè)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(jìn)行各種改正數(shù)的計(jì)算和嚴(yán)密平差計(jì)算等。觀測(cè)成果計(jì)算主要有預(yù)處理、移動(dòng)變形量計(jì)算、參數(shù)確定3個(gè)步驟。

(1)預(yù)處理

觀測(cè)數(shù)據(jù)預(yù)處理主要內(nèi)容有:高程值求取、測(cè)點(diǎn)間水平距離以及測(cè)點(diǎn)的移動(dòng)和變形值及下沉速度等。采用全站儀觀測(cè)時(shí),要加入氣象改正和斜距改正。

(2)移動(dòng)量和變形值的計(jì)算

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

(3)地表移動(dòng)變形參數(shù)確定

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

通過(guò)MATLAB專業(yè)數(shù)據(jù)計(jì)算程序能夠?qū)崿F(xiàn)下沉系數(shù)、水平移動(dòng)系數(shù)、主要影響角正切、拐點(diǎn)偏移距等地表移動(dòng)預(yù)計(jì)參數(shù)。

5.2 繪圖工作

一般情況下,在CAD中繪制移動(dòng)變形曲線圖是較常用、簡(jiǎn)便的方法。通過(guò)繪制曲線圖進(jìn)行觀測(cè)線的地表移動(dòng)與變形的規(guī)律分析及其地表下沉動(dòng)態(tài)發(fā)展過(guò)程。

繪制移動(dòng)變形曲線圖時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn):

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

(2)曲線圖和觀測(cè)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(duì)照?qǐng)D的相同。

(4)在觀測(cè)站平面圖上應(yīng)包括的內(nèi)容有測(cè)點(diǎn)的實(shí)際位置,保護(hù)煤柱邊界線,每次觀測(cè)時(shí)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(shí)進(jìn)行計(jì)算繪制。

6 結(jié) 論

采用GPS技術(shù)和精密監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)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(cè)站,獲得該工作面重復(fù)采動(dòng)條件下的地表移動(dòng)參數(shù)。在進(jìn)行野外觀測(cè)數(shù)據(jù)處理之前,要對(duì)野外觀測(cè)一切成果進(jìn)行檢核,這個(gè)過(guò)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(guò)程能否順利進(jìn)行。所以,觀測(cè)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(dòng)基本規(guī)律后,可以監(jiān)測(cè)到8102工作面開(kāi)采是否影響附近村莊,如若影響,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查,確定其破壞等級(jí),為地面建筑物加固或修改8103工作面回采設(shè)計(jì)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(cè)與數(shù)據(jù)處理。