变形与沉陷工程学第五章 开采沉陷的观测技术-修改

第三章岩层移动与地表变形监测3.1概述3.2地表移动观测站的设计3.3地表移动观测站的观测工作3.4观测成果的数据处理3.5

采动区建筑物变形观测方法3.6GPS技术在矿区变形监测中的应用3.7

岩层移动变形监测方法3.1

概述3.1.1观测站的概念3.1.2观测站的任务3.1.2观测站的种类

观测站(ObservationStation）：开采进行之前，在开采影响范围内的地表，按照一定要求设置的一系列互相联系的观测点。

通过定期地对这些观测点进行监测，确定其空间位置及其相对位置的变化，从而掌握地表移动变形规律。3.1.1观测站的概念3.1.2观测站的任务研究地质采矿条件与移动变形的关系，获得开采沉陷参数与地质采矿条件的关系；获得地表与岩层内部的移动变形规律；获得移动变形与建筑物破坏关系，确定临界变形值；获得岩体内部破坏规律。

按观测站设置的地点：地表移动观测站岩层内部观测站专门观测站按照观测的时间：普通观测站短期观测站按照布设的形式：网状观测站剖面线观测站3.1.3观测站的种类网状观测站布设示意图剖面观测站布设示意图3.2

地表移动观测站的设计3.2.1观测站设计的原则及内容3.2.2地表移动观测线位置和长度的确定3.2.1观测站设计的原则及内容资料准备图纸资料（采掘工程平面图、井上下对照图、钻孔柱状图、剖面图等）采矿资料（开采工作面设计图、采掘进度计划、周围工作面开采情况等）地质资料（采区及工作面地质说明书、地质地形图等）测绘资料（矿区控制点、已有的地表移动观测资料及参数等）观测线应布设在地表移动盆地的主断面上；设站地区在观测期间不受邻近开采的影响；观测线的长度要大于地表移动盆地的范围；观测线上的测点应有一定的密度；观测站的控制点要设在移动盆地范围以外，埋设要牢固。在冻土地区，控制点底面应在冻土线0.5m以下；测点埋设要牢固，设在移动范围内的观测点与地表同步移动。

观测站设计的原则

观测站设计的内容

设计说明书：建立观测站的目的和任务；设站地区的地形、地物及地质采矿条件（m，H，α，采空区大小，岩性，构造，开拓方式，顶板管理方法）；地表移动已有观测成果和设计所用参数（移动角，边界角，最大下沉角θ）观测站的设计内容：观测线的形式、位置及长度的确定，观测点数目、间距和控制点位置、数目的确定；观测站的实际标定方法和埋设方法；观测站观测的内容：包括观测所用的仪器，与矿区控制网的连测的方法和精度要求，连测的起始数据、观测时间、方法及精度要求；观测站成果整理与分析的方法和要求，所要获得的成果；经费估算：包括观测站所需材料、占地、人工等费用的预算。

绘制设计图：1）测站附近井上、下对照图，采掘工程平面图；2）观测站附近的岩层柱状图；3）已有的和设计的采掘巷道位置；4）已有的和设计的保护煤柱；5）沿观测线的断面图（测点位置，覆盖岩层柱状，地质构造，煤层产状，开采位置及其它条件）比例尺的大小图纸的内容注意：晋城赵庄矿1301观测站某矿观测线布设线路影像示意图3.2.2地表移动观测线位置和长度的确定观测线一般布设为直线状并与煤层走向垂直或平行观测线应设置在移动盆地的主断面上，而且不受邻近采区开采的影响。剖面线状观测线布设要求：观测线位置的确定倾斜观测线走向观测线地表移动观测站示意图（a）观测站平面图(b）倾斜断面图（c）走向断面图实际上是确定主断面位置倾斜观测线位置确定1）当地表非充分采动时，设在采空区中央2）当地表超充分采动时：当有充分采动角ψ3时，用ψ3确定：倾斜观测R1R3到开切眼的距离D1应为:式中：ψ3——走向充分采动角；H0——平均采深，H0=（H1+H2）/2D3——倾斜观测线距工作面边界的距离b）无充分采动角ψ3，取（ψ3=55°）1）当邻近有已采区时，观测线应不受前采空区的影响

式中，δ——走向移动角；

Δδ——调整值取20°h——表土厚度；

φ——表土移动角。在推进过程中设站，应考虑工作面在设站后推过的距离式中：c——工作面推进速度，m/日；t——设站至第一次观测的时间间隔；走向观测线位置的确定1)非充分采动

a、有θ时，用θ确定；

b、无θ时，按下式求θ

时，时,规程给出的值：坚硬：中硬：软弱：2）充分采动时，a）用θ确定；b）用充分采动角确定。2、观测线长度的确定（1）倾斜观测线长度确定—实际上是确定移动盆地边界式中：L——工作面倾斜长度；γ，β——上山和下山移动角；Δγ——上山移动角修正值，一般Δγ=20°；Δβ——下山移动角修正值，见表2-1h——表土厚度，φ——表土移动角（2）走向观测线的长度1）全走向观测线长度：2）半走向观测线长度

式中，l——走向工作面长度；

d——超出倾斜线的长度；一般为（3~5）个测点间距注意：也可采用边界角确定观测线长度，只要在上述各式中，以δ0→δ-Δδ，γ0→γ-Δγ，β0→β-Δβ后，再加上（5～7）个测点距即成。3、测点数目及密度（1）控制点数1）当观测线两端均可设控制点时，各端至少设两个控制点2）当只有一端可设控制点时，则不少于三个控制点（2）点间距1）控制点点间距L≥50；2）测点点间距视采深而定,均匀布设在观测线上（三）观测站的设置（自学）开采深度（m）点间距离（m）开采深度（m）点间距离（m）＜5050~100100~20051015200~300＞30020253.3地表移动观测站的观测工作3.3.1连接测量3.3.2全面观测3.3.3日常观测3.3.1连接测量

连接测量：在观测站地区被采动之前，为了确定观测站与开采工作面之间的相对位置关系，选取观测站的某几个控制点与矿区控制网之间进行的联系测量。设站后10～15天进行二次测量，两次间隔小于5天，点间误差≤7cm，按5"导线进行。高程测量按三等水准测量要求进行注意：独立进行两次分类：平面连接测量、高程连接测量3.3.2全面观测目的：确定测点的初始位置和高程1）测点的水准测量；2）测点间的间距测量；3）支距测量采动前：两次，两次间隔≤5天，高差≤10mm，支距差≤30mm，边长差≤4mm，三等水准2）活跃阶段：≥4次，间隔（规程），峰局（H0=50~350m），四等水准。3）移动稳定后：两次，要求同采动前

全面观测方法高程测量：确定观测线控制点未动；两端均有控制点，则附合水准测量；只有一端有控制点，则闭合水准测量；按照三等水准测量精度。平面位置测量：常用方法：边交会、角交会、边角交会、导线测量或GPS的方法导线测量：附合导线、闭合导线或复测支导线，5″导线的精度。3.3.3日常观测工作

日常观测：首次和末次全面观测之间增加的水准测量；时间间隔：视下沉速度而定，一般为1—3个月；观测方法：四等附合水准或闭合水准；相关工作：记录地表裂缝、塌陷的形态和时间，每次观测时相应工作面位置、实际采厚、工作面推进速度、顶板垮落情况、煤层产状、地质构造、水文条件等。注意：移动活跃阶段，水准测量必须在一天内完成。

观测时间观测内容观测时间观测内容设站后10-15天与矿区控制网连测地表移动活跃期全面观测、加密水准测量采动影响前全面测量、预测地表移动衰退期水准测量地表移动初期水准测量地表移动稳定后全面观测观测站的观测程序3.4观测成果的观数据处理3.4.1观测成果的计算3.4.2绘制图形3.4.1观测成果的计算观测数据的内业整理原始数据检查：发现粗差、是否超限高程计算：简易平差，计算各测点高程各点间水平距离：坐标反算测点水平移动值：根据移动前后坐标计算测点数据处理示意图

移动与变形值的计算m次观测时n点的下沉值(mm）

式中Wn—n点的下沉值；Hn0、Hnm—分别为首次和m次观测时n点的高程。

相邻两点间的倾斜(mm/m）式中：Wn+1、Wn—分别为n+1、n号点的下沉值；

Sn-n+1—n号点、n+1号点间的初次观测的水平距离。n号点附近的曲率，即n-1号点至n+1号点之间的曲率(mm/m2）

式中in+1-n、in-n-1—分别表示n+1号点至n号点和n号点至n-1号点的倾斜；Sn+1-n、Sn-n-1—分别表示n+1号点至n号点和n号点至n-1号点的初次观测的水平距离。n号点的水平移动(mm）采用全站仪或GPS观测时，按下式计算式中，Un为n号点的水平移动，mm；为m次观测时n点的坐标；为第一次全面观测时n点的坐标；α为表示待求水平移动方向的方位角。当采用钢尺两边时，按下式计算：Un=Lnm-Ln0式中Un──地表n点的水平移动，mm；

Ln0、Lnm──分别表示首次和m次观测时地表n点到观测线控制点R间的水平距离，mm。n号点至n+1号点间的水平变形(mm/m）式中：(Sn+1~n)m、(Sn+1~n)0—分别表示n+1号点至n号点在m次观测和首次观测时的水平距离。n号点的下沉速度

式中：Wnm-1、

Wnm—分别表示m-1次和m次观测时(即前、后两次观测）n点的下沉值；t—两次观测的间隔天数。n号点的横向水平移动

横向水平移动是垂直于观测线方向的水平移动，计算时需要注意正、负号。计算取值规定：下沉，水平移动，横向水平移动1mm改正数，倾斜，水平变形，下沉速度0.1，曲率0.013.4.1绘制图形1、图的比例尺选取水平比例尺与测站平面图一致：1：1000，1：2000

移动变形比例尺根据需要选取2、各图表示的内容1）曲线图：地表移动变形曲线w，u，i，k，ε，v2）断面图：地面，测点位置及编号，表土层厚度，岩层柱状，采空区位置，煤层开采厚度，倾角，各次观测时工作面位置3）平面图：测点实际位置，地形，地物，钻孔，保护煤柱边界线，工作面每月推进量及每次观测时工作面的位置，回采边界，地表裂缝、塌陷坑的形态及出现日期观测线的地表移动变形曲线图

地表移动和变形曲线图绘图点的确定一般按下列原则进行：①下沉、水平移动直接绘在点的上方；②倾斜、水平变形绘在线段的中点；③曲率绘在两线段的中点。3、一个地表移动观测站的成果：（1）地表移动盆地的范围、形状、大小，以及各种角值参数（边界角、移动角、裂缝角、最大下沉角、充分采动角）等；（2）地表移动盆地主断面上的移动变形分布及其特征，移动变形最大值及其位置；（3）工作面推进过程中移动变形的发展过程及其相应地表移动动态参数（起动距、超前影响距、超前影响角、滞后距、滞后角等）；（4）地表移动过程中，地表移动速度的变化及与工作面的相应关系；（5）地表移动各个阶段（初始阶段、活跃阶段、衰退阶段）的延续时间及地表移动延续总时间；（6）工作面开始回采到地表开始下沉的时间；（7）地表移动预测参数（下沉系数、水平移动系数、影响传播角、拐点偏距等）等。例题：某矿在一长壁式开采工作面上方地表设置一个观测站，倾斜方向设一条观测线，沿走向方向设半条观测线。工作面平均开采深度75m，煤层倾角15°,开采厚度2m。工作面走向方向有一侧为采空区，另外一侧为煤柱。工作面走向长180m，倾斜长150m，工作面推进速度为20m/月。例题例题3.5采动区建筑物变形观测方法3.5.1监测网和观测点的设置3.5.2监测网和观测点的精度设计3.5.3建筑物变形观测方法3.5.1监测网和观测点的设置

监测网的设置高程监测控制网平面监测控制网

基准点稳定基准点观测基准点

高程监测控制网布设原则：基准点应埋设在变形区域外，地质条件良好的地方，基准点不宜少于3个；基准点与工作点连接成网，网形线路应合理简短；基准点的标志应根据实际情况采用浅埋层标志或深埋标志。

平面监测控制网布设原则：根据不同的变形观测对象，布设不同的监测控制网。基准点及工作点的选点和高程控制点相同；平面监测控制网宜采用独立坐标系统，并进行一次布网，必要时可与国家坐标系统联测；对于精度要求较高的观测点，尽可能纳入监测网内统一平差，以消弱因分级传递带来的误差影响；观测点和工作点通常应设置观测墩，并安装强制对中装置。

观测点的设置能反映建(构)筑物变形特征布设在建(构)筑物变形明显的部位避免障碍物的影响，便于长期观测和保存布设要求：3.5.2监测网和观测点的精度设计观测点精度设计采空区上方建筑物变形观测取用的精度标准，一般按小于允许变形值的1/10～1/20的要求取值；不同建筑物的允许变形值，与其地基、基础、结构形式、重要程度有关。建筑工程规范中建筑物的允许变形值变形特征或结构形式允许变形值砖石承重结构的局部倾斜砂土和中低压缩粘土高压缩粘土0.0020.003工业与民用建筑物相邻桩基沉降当基础沉降不均匀不产生附加应力的结构0.002L0.003L0.005L0.005L桥式吊车轨道倾斜纵向0.004横向0.003高耸结构基础倾斜h≤200.00820＜h≤500.00650m＜h≤1000.005注：表中的单位为m；L—相邻柱基中心间距;h—相对地面的建筑物高度。

监测网的精度设计本质：确定监测网的最弱点精度m弱m观根据建筑物的允许变形值确定；m测取决于观测方法和测量仪器。调整m观和m测的关系选择合适的监测网和观测方法。

建筑物变形测量等级及精度等级垂直位移监测水平位移监测适应范围变形观测点的高程中误差(mm）相邻变形观测点的高差中误差(mm）变形观测点的点位中误差(mm）一等0.30.11.5变形特别敏感的高层建筑、高耸构筑物、工业建筑、重要古建筑、大型坝体、精密工程设施、特大型桥梁、大型直立岩体、大型坝区地壳变形监测等二等0.50.33.0变形比较敏感的高层建筑、高耸构筑物、工业建筑、古建筑、特大型和大型桥梁、大中型坝体、直立岩体、高边坡、重要工程设施、重大地下工程、危害性较大的滑坡监测等三等1.00.56.0一般性的高层建筑、多层建筑、工业建筑、高耸构筑物、直立岩体、高边坡、深基坑、一般地下工程、危害性一般的滑坡监测、大型桥梁等四等2.01.012.0观测精度要求较低的建构筑物、普通滑坡监测、中小型桥梁等3.5.3建筑物变形观测方法

全站仪自动跟踪测量基站参考点1目标点2目标点m参考点n参考系变形体测量机器人变形监测系统

GPS测量

GPS-RTK监测系统

三维激光扫描技术三维激光扫描仪的扫描过程摄影测量方法3.6GPS技术在矿区变形监测中的应用3.6.1GPS介绍3.6.2GPS在连接测量中的应用3.6.3GPS在全面观测中的应用3.6.1GPS介绍

系统组成空间星座部分地面监控部分用户部分工作原理：空间距离后方交会。

3.6.2GPS在连接测量中的应用

注意：GPS高程精度难以满足高程连接测量的要求，平面坐标连接测量可采用GPS静态测量方法。

观测站控制点的布设：选点、埋石GPS标石规格标准

GPS网观测技术要求

根据《工程测量规范》和《全球定位系统（GPS）测量规范》要求，GPS静态观测E级网可以满足连接测量的精度要求。接收机的选用准则GPS网观测的基本技术规定

数据处理和质量检核数据处理流程：

质量检核：观测记录完整性及合理性检查外业观测数据质量检核

3.6.3GPS在全面观测中的应用高程测量：三等水准测量平面位置测量：RTK（RealtimeKinematic）

RTK测量的一般流程

3.7

岩层移动变形监测方法3.7.1概述3.7.2巷道中观测岩层移动3.7.3钻孔中观测岩层移动

3.7.1概述

观测必要性：要了解岩层与地表移动的全过程，仅建立地表移动观测站是不够的，还需要对岩层内部的移动变形进行观测。岩层内部观测站：在岩层内部设置一系列互相联系的观测点

观测工作：巷道中观测岩层移动钻孔中观测岩层移动3.7.2巷道中观测岩层移动

巷道观测站示意图

根据观测的目的和条件，在采空区上方不同高度的巷道内设置观测点。

3.7.3钻孔中观测岩层移动钻孔观测：在采动影响范围内，从地面或井下巷道中向岩层内部打钻孔，并在钻孔内不同水平上设置观测点(称深部测点）进行观测。

观测方法：岩移钻孔钢丝观测法；钻孔伸长仪观测法；钻孔倾斜仪观测法。

岩移钻孔钢丝法结构安装示意图滑轮；2—重锤；3—钻孔；4—钢丝；5—测点；6—钢管；7—压缩木；8—垫圈；9—螺母岩移钻孔钢丝观测法钻孔伸长仪1、测量系统2、测量原理探头内的感应电路在接近感应环时，将引起蜂鸣器报警，并使指示器上指针偏转，当指针达到峰值时，探头中心正好对应感应环，利用电缆和标尺上的刻度，即可测得探头中心相对于地面的深度，从而求得感应环的高程，通过两次测量就可得到感应环的下沉。3、测量精度：±1.5mm钻孔测斜仪1、测量系统2、测量原理：当摆锤倾斜时，两线圈电感不同，倾斜量就转化为电量3、测量精度：6mm/25m一、测斜仪操作过程（一）步骤：（1）开机（2）>Inclinomerer↓（3）>New↓（4）>AD(设置钻孔号，用α键)（5）>599250↓(选择传感器类型)（6）>10↓(输入测量深度，用α键)（7）>10↓(输入测量步数Numberofsteeps)（8