开采沉陷观测站设计说明书

1、开采沉陷观测站设计说明书1西山煤电集团有限责任公司马兰矿西山煤电集团有限责任公司马兰矿18101 工作面开采沉陷观测站设计说明书工作面开采沉陷观测站设计说明书西山煤电集团有限责任公司西山煤电集团有限责任公司2011 年 6 月开采沉陷观测站设计说明书I目目 录录1 设立地表移动观测站的意义和任务设立地表移动观测站的意义和任务.11.1 设计地表移动观测站的意义 .11.2 建立地表移动观测站的任务 .22 进行地表移动变形观测所依据的规程规定进行地表移动变形观测所依据的规程规定 .33 设站地区的地形地质条件设站地区的地形地质条件.33.1 18101 工作面概况.33.2 地形条件.43.3

2、 地质条件.44 观测站设计时所用到开采沉陷角量参数观测站设计时所用到开采沉陷角量参数.55 观测线的位置及长度、观测点及控制点数目的确定观测线的位置及长度、观测点及控制点数目的确定 .66 工作测点和控制点的构造及埋设方法工作测点和控制点的构造及埋设方法.96.1 测点的构造及埋设方法.96.2 测点数目及其密度.97 观测内容及所使用的仪器，与控制网的连测方法，精度要求观测内容及所使用的仪器，与控制网的连测方法，精度要求 .107.1 地表移动观测站观测的主要内容 .107.2 地表移动观测站观测所使用的仪器及精度.117.3 地表移动观测站连测、观测的方法及要求的精度.118 观测成果的

3、整理方法与分析步骤，所要获得的成果观测成果的整理方法与分析步骤，所要获得的成果 .148.1 观测成果的检查和计算.148.2 移动和变形计算.148.3 绘图工作.168.4 观测成果整理.179 研究成果研究成果.1810 项目总体研究进度项目总体研究进度.1811 经费估算经费估算.18开采沉陷观测站设计说明书II开采沉陷观测站设计说明书1西山煤电集团有限责任公司西山煤电集团有限责任公司18101 工作面开采沉陷观测站设计说明书工作面开采沉陷观测站设计说明书1 设立地表移动观测站的意义和任务设立地表移动观测站的意义和任务1.1 设计地表移动观测站的意义设计地表移动观测站的意义建筑物、水体

4、、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程第一章第十二条中规定：煤炭开采必然伴随着发生围岩及地表移动和变形。各矿区的围岩及地表移动规律及有关参数具有地区特征，获取和积累有关围岩及地表移动的科学数据，是煤矿企业工程技术和有关业务主管部门的职责。每个矿区应有计划、有目的在开展上述科学试验与现场勘测，综合分析，求取参数，总结规律，用于解决本矿区的开采沉陷问题。生产矿井必须解决好建筑物下、铁路下和水体下（简称“三下”）安全、合理地开采煤炭和留设保护煤柱，必须开展地表移动和岩层移动的观测工作，掌握地表和岩层移动的基本规律。建立地表移动与变形观测站进行现场观测，是进行此项工作有效的方法。 另外，由于山区地表沉

5、陷影响因素较多、沉陷规律非常复杂，其与平地开采沉陷规律差别较大。为此，西山煤电集团有限责任公司拟在马兰矿 18101 工作面上方设立地表移动变形观测站，研究开采引起的地表移动变化和破坏规开采沉陷观测站设计说明书2律，以及地表移动与变形对地面建筑物的影响。项目研究的目的及意义： 1、由于国内外山区重复采动情况下的地表移动变形及对建筑物的影响和破坏的研究还不很充分，所以本项目通过地表移动的观测研究，探寻重复采动情况下，地表移动变形及其采动滑移的规律，以求取得本矿区相同条件下开采沉陷的规律，为安全生产提供现实的指导意义。 2、综合分析观测资料，求取综采放顶煤采煤方法、重复采动时地表变形的角量参数及概

6、率积分法预计参数。 3、用实测的移动变形参数进行建筑物、铁路和水体下的保护煤柱设计，有效地减少铁路、建筑物、水体下压煤量，并可以合理确定综采工作面的尺寸，提高煤炭采出率。 4、减少和避免由采矿引起的农工纠纷。 1.2 建立地表移动观测站的任务建立地表移动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：1、分析特定采矿条件（如综采放顶煤开采方法） 、地质条件与地表移动和变形的关系； 2、地表在移动过程中的移动和变形特点及分布规律； 3、地表移动和变形中的动态移动变化规律；

7、 4、移动稳定后地表移动和变形的分布及其主要参数，即移动角、开采沉陷观测站设计说明书3裂缝角、边界角、最大下沉角、下沉系数、水平移动系数、主要影响角正切、超前影响角、超前影响距，滞后角及滞后距和地表最大下沉速度、拐点偏移距等。 5、在开采过程中，引起采动滑移的初步原因，总结相近地质条件下采动滑移的形成条件。2 进行地表移动变形观测所依据的规程规定进行地表移动变形观测所依据的规程规定1、 建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程 ，煤炭工业管理局制定，2000 年。2、 煤矿测量规程 ，煤炭工业管理局制定，1989 年。3、 工程测量收费标准 ，中华人民共和国收费标准，2002 年。4

8、、 工程测量规范 （GB50026-2007） ，中华人民共和国国家标准，2008.5.1 年。5、 全球定位系统城市测量技术规程 ，中华人民共和国行业标准，1997 年。6、 煤炭安全规程 ，国家煤炭安全检察局，2001 年。7、 煤矿测量手册 ，煤炭工业出版社，1990 年。3 设站地区的地形地质条件设站地区的地形地质条件3.1 18101 工作面概况工作面概况 18101 工作面走向长 1000m，工作面倾向宽 116/76m， 8 号煤层厚度 3.604.38m，平均厚度 4.17m，平均煤层倾角5。井下巷道底板标高 915973m，平均开采深度 278m。开采沉陷观测站设计说明书4工

9、作面四周均为 8 号煤未采区，上部为 2 号煤层 12403、12414采空区，8 号煤层结构为（1.83（0.23）2.11） ，该工作面采用高支架一次采全高。3.2 地形条件地形条件马兰井田位于吕梁山东翼，属中低山区，地形复杂，切割强烈，沟谷纵横。全井田地势西南高东北低，最高处在井田南部上白泉北芦则岩，标高 1521.2m ； 最低处在马兰村东北屯兰河河谷中， 标高 1065.5m，相对高差一般 200-300m。 18101 工作面地面位于从峁山北西部，轨道巷段 310 米北部68 米为 548 煤田孔，切眼北东部间隔 282 米为南一补回风斜井，化坡沟从工作面中部穿过。主要出露 P1X

10、2、P2S1、P2S2、Q2+3地层，盖山厚度 176414 米，平均厚度 278 米。植被发育，灌木丛生，地面标高 11591329m。3.3 地质条件地质条件18101 工作面位于屯兰河背斜，工作面走向方向为煤层的倾斜方向，煤层平均倾角5。工作面共有 20 条断层，其中在掘进中揭露 18 条断层，另外有2 条断层位于工作面内，断层落差 H=0.95.5 米，其中 F181016断层对回采影响极大，有 4 条断层对回采影响中等，其余断层对回采影响较小。据邻近工作面揭露情况分析，本面陷落柱不太发育。煤层直接顶为 L1泥灰岩（0.60m2.1m） ，深灰色，富含动物化开采沉陷观测站设计说明书5石

11、，致密坚硬，裂隙发育，裂隙内充填方解石脉。老顶为粉砂岩及中砂岩（2.80m4.43m） ，下部为深灰色粉砂岩，富含植物化石，水平层理发育；上部为浅灰色中砂岩，成分以石英、长石为主，含条带状炭质成分，顶部常含一层厚 0.2 米的煤线。直接底为细砂岩（1.80m4.3）深灰色，富含根化石，缓波状层理发育，夹薄层黄铁矿；8下煤（0.3m）煤线；泥岩(1.10m) 浅灰色，松散状，含少量根化石；老底为中细砂岩（9.2012.70） 。4 观测站设计时所用到开采沉陷角量参数观测站设计时所用到开采沉陷角量参数 地表移动观测站设计所用的开采沉陷系数有：走向充分采动角3、倾向上山充分采动角 2、倾向下山充分采

12、动角 1、走向移动角、倾向下山移动角 、倾向上山移动角 ，移动角修正值、 及最大下沉角 等。 地表移动观测站设计时所用参数依据西山矿区保护煤柱设计规程 （试行）确定，取值如下： 当表土层与基岩厚度难以分别确定，移动角5、100mH300 m时，=70 移动角修正值（走向，倾向上山，倾向下山）：=20 充分采动角（走向 3、倾向上山 2、倾向下山 1） 重复采动时，覆岩性质较软，取 3=55 1=30. 5=52.5 开采沉陷观测站设计说明书62=3+0. 5=57.5 最大下沉角：=90-0.6=87 5 观测线的位置及长度、观测点及控制点数目的确定观测线的位置及长度、观测点及控制点数目的确定

13、观测站共设两条观测线（见附图） ，沿工作面走向布第一条（A线） ，工作面倾向布第二条（B 线） ，各观测线的总长度、分段长度以及点间距和点数见表 1。每条观测线长度等于工作面内长度加边界段长度。各观测线边界长度均按下式计算：50/tgHL 式中 H 为工作面边界开采深度（m） 。按上式计算，考虑本工作面呈刀把形，观测 B 线距小开切眼的平面位置为 578m，宽切眼 232m，观测 A 线位于宽工作面中心的方向。测点间距 25m。观测线位置详见观测线布置图。表 1 实际图上设计地表移动观测线长度控制点、监测点及方位观测线总长度控制点数监测点数测点间距测线方位走向 A820352552倾向 B60

14、042625142合计1300461 根据实际计算得出地表移动观测站，A 和 B 观测线的具体坐标、编号详见设计图所示（各控制点与测点的平面坐标可在图中直接量取，然后进行实地放点） 。在山区，控制点的位置应保证在沉陷影响区外，其点位可根据地形来选择，尽可能视野开阔。18101 工作面测点布置如图：开采沉陷观测站设计说明书7表 2 控制点标定坐标：点号坐标高程G1G2G3G4测点标定坐标见表 3、表 4。表 3 A 线点标定坐标值点号坐标A1X= 4190057.767Y= 37590376.606A2X= 4190077.468Y= 37590392.000A3X= 4190097.168Y=

15、37590407.388A4X= 4190116.877Y= 37590422.769A5X= 4190136.579Y= 37590438.160A6X= 4190156.275Y= 37590453.554A7X= 4190175.976Y= 37590468.947A8X= 4190195.676Y= 37590484.338A9X= 4190215.376Y= 37590499.730A10X= 4190235.132Y= 37590515.037A11X= 4190254.844Y= 37590530.439A12X= 4190274.533Y= 37590545.824A13X=

16、4190294.234Y= 37590561.219A14X= 4190313.878Y= 37590576.688A15X= 4190333.578Y= 37590592.079开采沉陷观测站设计说明书8A16X= 4190353.278Y= 37590607.471,A17X= 4190372.978Y=37590622.862A18X= 4190392.678Y= 37590638.254A19X= 4190412.379Y= 37590653.645A20X= 4190432.079Y= 37590669.037A21X= 4190451.779Y= 37590684.428A22X=

17、 4190471.480Y= 37590699.820A23X= 4190491.180Y= 37590715.212A24X= 4190510.880Y= 37590730.603A25X= 4190530.623Y= 37590745.935A26X=4190550.320Y=37590761.327A27X= 4190570.021Y= 37590776.722A28X= 4190589.717Y= 37590792.112A29X= 4190609.451Y= 37590807.532A30X= 4190629.125Y= 37590822.906A31X= 4190648.850Y=

18、 37590838.319A32X= 4190668.482Y= 37590853.735A33X= 4190688.182Y= 37590869.127A34X= 4190707.920Y=37590884.477A35X= 4190727.617Y= 37590899.868表 4 B 线点标定坐标值点号坐标B1X= 4189878.114Y= 37590632.700B2X= 4189893.618Y= 37590613.061B3X= 4189908.985Y= 37590593.284B4X= 4189924.421Y= 37590573.576B5X= 4189939.856Y=

19、37590553.937B6X= 4189955.292Y= 37590534.229B7X= 4189970.452Y= 37590514.521B8X= 4189986.025Y= 37590494.813B9X= 4190001.323Y= 37590475.174B10X= 4190016.690Y= 37590455.397B11X= 4190032.038Y= 37590435.751B12X= 4190047.384Y= 37590416.075B13X= 4190062.850Y= 37590396.351B14X= 4190078.213Y= 37590376.611B15X

20、= 4190093.616Y= 37590356.951B16X= 4190108.979Y= 37590337.211B17X= 4190124.382Y= 37590317.552B18X= 4190139.858Y= 37590297.815B19X= 4190155.294Y= 37590278.107开采沉陷观测站设计说明书9B20X= 4190170.729Y= 37590258.399B21X= 4190186.096Y= 37590238.691B22X= 4190201.394Y= 37590218.983B23X= 4190216.296Y= 37590200.000B24

21、X= 4190232.127Y= 37590179.568B25X= 4190247.563Y= 37590159.929B26X= 4190263.068Y= 37590140.2906 工作测点和控制点的构造及埋设方法工作测点和控制点的构造及埋设方法6.1 测点的构造及埋设方法测点的构造及埋设方法 观测站的控制点布设为四 4 个 GPS 点：G1、G2、G3、G4，现场踏勘选择视野开阔，交通方便、便于保存之处。 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，最好能直接架接收器，以消除对中误差。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（可

22、使用一层标石） ，其底部埋设深度应低于当地冻土深度以下 0.5m。 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0.20.3m，深度不小于 0.6m 的坑，用混凝土灌注，中间用1620mm 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，以防测点受冻土影响。在岩石裸露地区，测点可直接在岩石上钻孔，埋设测点，其规格与上述相同。并保证它和土层密实固结，以使测点和地表一起移动。6.2 测点数目及其密度测点数目及其密度开采沉陷观测站设计说明书10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。工

23、作测点设置在预计的移动盆地范围内观测线上，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，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，本次地表移动观测点间距采用 25m。在观测线工作长度以外（预计地表移动范围外）设置观测站控制点。在观测站存在期间，以控制点的空间位置（x、y、z）作为观测站的起算数据，因此必须保证其坚固、稳定。为了保证观测资料的准确，两个月应对控制点的稳定性进行检测。工作测点的外端点至控制点的距离及控制点间的距离大于 50m。按设计要求，本地表移动变形

24、观测站变形监测点数目为：61 个，控制点数目为：4 个。观测站测点总数为 65 个。7 观测内容及所使用的仪器，与控制网的连测方法，精度要求观测内容及所使用的仪器，与控制网的连测方法，精度要求7.1 地表移动观测站观测的主要内容地表移动观测站观测的主要内容地表移动观测站建立后即要进行观测，在开采过程中不同的时间内进行不同的观测内容，主要观测时间及观测列表如表 5。表表 5 5 地表移动观测站观测时间及观测内容地表移动观测站观测时间及观测内容观测时间观测内容观测时间观测内容设站后 1015天与矿区控制网连测地表移动活跃期全面测量开采沉陷观测站设计说明书11采动影响前全面观测巡视测量地表移动衰退期

25、全面测量地表移动初始期全面测量地表移动稳定后全面测量7.2 地表移动观测站观测所使用的仪器及精度地表移动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 GPS 控制网连测及全面观测，测量工作采用 GPS 进行，拟使用的仪器及测量内容如表 6。表表 6 6 地表移动观测站所使用的仪器及测量内容地表移动观测站所使用的仪器及测量内容仪器名称仪器等级型号仪器精度测量内容GPS美国天宝 Trmible4000SSE、TrmibleR8静态平面精度 5mm+1ppm静态高程精度 1cm+1ppm与矿区控制网连测、全面测量7.3 地表移动观测站连测、观测的方法及要求的精度地表移动观

26、测站连测、观测的方法及要求的精度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，地表破坏的测定和编录。在观测点埋好 1015 天，点位固结之后，进行观测。观测工作包括下列内容：7.3.17.3.1 连接测量连接测量在采动之前，为了确定观测站与开采工作面之间的相互位置关系，应在观测站的所有控制点与矿区控制网之间进行测量，以确定控制点的平面位置和高程，然后再根据它来测定工作测点的平面位开采沉陷观测站设计说明书12置及拟合高程。（1） 、控制点联测于观测区域内稳定地点布设四个控制点即 G1、G

27、2、G3、 G4。测量方法为PS 观测方法，PS 观测采用静态定位模式，基准点选用 D 级控制点马兰（D0703） 、房顶（在 0704）及风机房 D0711。按规程规定的 C 级网精度标准进行施测，每一时段视接收卫星信号，采集数据不少于 60 分钟。控制点高程采用PS 拟合高程。7.3.27.3.2 全面观测全面观测为了准确地确定工作测点在地表移动开始前的空间位置，在与矿区控制网连测后，地表开始移动之前，应对地表观测站的全部测点独立进行两次全面观测，两次观测的时间间隔不超过 5 天。全面观测的内容，包括测定各测点的平面位置和高程等。全面测量采用PS 观测方法，每次观测基准站布设于控制点上。P

28、S 观测采用静态定位模式，按规程规定的 D 级网精度标准进行施测，在每一测点上，每一时段视接收卫星信号，一般采集数据 20 分钟。高程采用PS 拟合高程。独立进行的两次全面观测，两次测得的同一点高程差不大于10mm、同一边的长度差不大于 4mm 时，取平均值作为观测站的原始观测(又称为初次观测)数据。同时，按实测数据将各测点展绘到观测站设计平面图上。在地表稳定后，要进行最后一次全面观测，地表移动稳定的标开采沉陷观测站设计说明书13志是：连续 6 个月观测地表各点的累计下沉值均小于 30mm。7.3.37.3.3 日常观测工作日常观测工作 日常观测工作，指的是在移动过程中测定监测点位置的测量工作

29、。为判定地表是否已开始移动，在回采工作面推进一定距离(相当于 0.20.5 平均开采深度)后，在预计可能首先移动的地区，选0H择几个工作测点，每隔几天用 DS3型进行一次水准测量，按等外水准测量要求进行，如果发现测点的累计下沉量大于 10mm 时，即认为地表已经开始移动。在移动过程中，日常观测工作全部采用 GPS 观测，直接测定观测点的空间三维坐标，通过数据处理的方法，求其移动变形值。每次观测基准站布设于控制点上。PS 观测采用静态定位模式，在每一测点上，按规程规定的 D 级网精度标准进行施测，每一时段视接收卫星信号，一般采集数据 20 分钟。高程采用PS 拟合高程。重复测量的时间间隔，视地表

30、下沉的速度而定，一般是每隔 10天至 15 天观测一次。在移动的活跃阶段（地表每月下沉值大于50mm） ，还应在下沉较大的区段，增加观测次数，5 到 10 天观测一次。在采动过程中，不仅要及时地记录和描述地表出现的裂缝位置、宽度的变化，塌陷的形态和时间，并及时上图，还要记载每次观测时工作面开采的相应位置、实际采出厚度、工作面推进速度、顶板陷落情况、煤层产状、地质构造、水文条件等有关情况。为了保证所获得观测资料的准确性，观测站的各项观测应在尽开采沉陷观测站设计说明书14量短的时间内完成，特别是在移动活跃阶段，观测应在一天内完成。需要注意，在观测过程中，应定期监测控制点的变化，如发现控制点发生位移

31、，应把控制点作为观测点与其他观测点一起进行监测。而另行布置控制点。8 观测成果的整理方法与分析步骤，所要获得的成果观测成果的整理方法与分析步骤，所要获得的成果8.1 观测成果的检查和计算观测成果的检查和计算每次观测后应及时进行检查。如发现粗差或超限，应及时重测，直到全部观测数据符合要求为止。各点高程计算时先进行平差，然后计算高程，并将所得的各点的高程填入综合计算表中。计算各点间沿观测线方向的水平距离。8.2 移动和变形计算移动和变形计算观测数据经过整理改正后，便可计算测线上各测点和各测点间和移动和变形。移动和变形主要包括：各点的下沉和水平移动，相邻两测点间的倾斜和水平变形，相邻两段（或相邻三点

32、）的曲率变形等。各移动和变形值按下式计算：次观测时 点的下沉mn mmnmnnHHW0式中 地表 n 点的下沉值；nW 、 分别表示地表 n 点在首次和 m 次观测时的高程0nHnmH开采沉陷观测站设计说明书15相邻两点的倾斜=,mm/m1 nni11nnnnlWW式中 、 分别为地表点 和号点的下沉值；1nWnWn1n 分地表 至号点间的水平距离。1 nnln1n 号附近的曲率，即号点至号点之间的曲率n1n1n= ，mm/m11nnnK111121nnnnnnnnllii式中 、分别表示号点至 号点和 号点至号点的倾nni11 nni1nnn1n斜；、分别表示号点至 号点和 号点至号点的水n

33、nl11 nnl1nnn1n平距离。 号点的水平移动n，mm0nnmmLLU式中地表 点的水平移动；mUn、分别表示首次观测和 m 次观测时地表 点至观测线控制nmL0nLn点间的水平距离，用点间距累加求得。号点至号点间的水平变形n1n，mm/m 或 10-3nnnnnnnnnnlll10111式中、分别表示号点至 号点在首次观测时和nnnl101 nnl1nn次观测时的水平距离。m 号点的下沉速度n开采沉陷观测站设计说明书16，mm/dtWWVnmnmn1式中、分别表示次和次观测时 点的下沉值； nmW1nmW1mmnt两次观测的间隔天数。 号点的横向水平移动n，mmnommnyyU式中、分

34、别表示第次观测和首次观测时 号点的支线值。mmynoymn横向水平移动是垂直于观测线方向的水平移动，计算时注意正负号。每次观测之后均应及时地进行移动和变形计算，计算数字的取位可参考下表 7，地表移动、变形综合成果整理表如下表 8：表表 7 7 地表移动和变形计算计算数字的取位地表移动和变形计算计算数字的取位名称下沉W(mm)水平移动U(mm)倾斜I(mm/m)水平变形E（mm/m）曲率K(10-3)横向水平移动 U(mm)下沉速度V(mm/d)取位110.10.10.0110.1表表 8 8 地表移动、变形综合成果整理地表移动、变形综合成果整理标高线段长(m)水平变形测点编号第一次观测第 n次观测下沉mm下沉差mm倾斜mm/m倾斜变化mm/m曲率10-3线段第一次观测第 n次观测绝对值 mm相对值mm水平移动mm开采沉陷观测站设计说明书178.3 绘图工作绘图工作根据每次观测的计算结果绘制曲线图，由这种曲线图能够清楚地看出沿观测线（主断面）的地表移动和变形的分布特征及其发展过程。绘制移动和变形曲线图时，选择竖直比例尺的原则是：使绘制的曲线能清楚的反映出移动和变形的分布规律，并便于分析比较。水平比例尺与观测站平面图一致，1：1000 或 1：2000。曲线图和观测线断面图应绘制在一起，以表明各种地质采矿条件下移动和变形分布形态的影响。断面图的竖直和水平比例尺与井上下下对照图