礦井工作面地表移動(dòng)觀測(cè)站設(shè)計(jì)與研究

魏朋WEI Peng；危威WEI Wei；張清鸞ZHANG Qing-luan

（昆明理工大學(xué)國(guó)土資源工程學(xué)院，昆明 650093）

（Faculty of Land Resource Engineering，Kunming University of Science and Technology，Kunming 650093，China）

0 引言

中國(guó)的主要能源，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占有重要的地位，2001年煤炭占中國(guó)一次能源總量的76.3%，比2000年提高4.3%；占消費(fèi)總量的68.7%，比2000年提高0.9%[1]。由于對(duì)礦山資源進(jìn)行大規(guī)模的開采，雖然給人類帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，也對(duì)人類生存環(huán)境產(chǎn)生了一系列的影響。其中，礦山的開采對(duì)環(huán)境的影響是非常重要的。在對(duì)地下層的煤進(jìn)行開采時(shí)，就會(huì)對(duì)開采區(qū)域的周圍巖體的原始應(yīng)力的平衡狀態(tài)進(jìn)行破壞，應(yīng)力就需要重新分布，打開新的平衡。在開采過程中，開采煤層的周圍巖層遭到破壞會(huì)開裂、冒落等，在開采面積達(dá)到一定的范圍后，就會(huì)波及到地表，使地表產(chǎn)生沉陷，隨之破壞沉陷區(qū)范圍內(nèi)的農(nóng)田、房屋及其建（構(gòu)）筑物，這種現(xiàn)象被稱為“開采沉陷”（Mining subsidence）[2-3]。礦山的開采還會(huì)引起地表移動(dòng)和變形，嚴(yán)重的還會(huì)影響下沉盆地范圍內(nèi)的建筑物、河流以及鐵路和管道等建筑物，使其原有的狀態(tài)的到改變，甚至破壞。而開采所引起的環(huán)境問題大多造成巖層和地表移動(dòng)。而開采沉陷造成環(huán)境災(zāi)害主要有土地塌陷或積水以及農(nóng)田減產(chǎn)或絕產(chǎn)，嚴(yán)重的還會(huì)使道路塌陷、裂縫、房屋變形破壞等[4]。因此，開采沉陷的防治是一項(xiàng)極其重要的、刻不容緩的工作。

1 工作面地表移動(dòng)觀測(cè)站設(shè)計(jì)

1.1 觀測(cè)站設(shè)置 綜合礦井地質(zhì)采礦條件、工作面上方地面的地形條件，可以沿煤層走向方向設(shè)置一條走向觀測(cè)線，方便控制點(diǎn)和監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)；而兩觀測(cè)線構(gòu)成礦山工作面地表移動(dòng)觀測(cè)站[5]。觀測(cè)站共設(shè)置控制點(diǎn)9 個(gè)（各條觀測(cè)線兩端分別設(shè)置3 個(gè)控制點(diǎn)，間距50m～100m），監(jiān)測(cè)點(diǎn)93個(gè)，觀測(cè)線總長(zhǎng)度2300m。

表1 觀測(cè)站情況統(tǒng)計(jì)表

選用開采沉陷參數(shù)[3]，為：

移動(dòng)角：γ=65°38'，β=65°38'，δ=60°54'；

最大下沉角：θ=89°。

1.2 走向觀測(cè)線的位置和長(zhǎng)度的確定從采空區(qū)中心用最大下沉角劃線與地表相交于點(diǎn)，通過點(diǎn)作平行煤層走向的垂直斷面就是走向觀測(cè)線的位置[3]。工作面平均采深為500.1 米，因此走向觀測(cè)線的位置與中心線的位置的距離為s=500.1/tan88°48'=1048 米，在下山方向。走向觀測(cè)線的全長(zhǎng)為：

式中：H0—平均開采深度，取500.1m；

H—松散層厚度，取439.7m；

δ—走向移動(dòng)角；

Δδ—走向移動(dòng)角修正值，煤層傾角α=5°，取值為20°；

φ—松散層移動(dòng)角；取φ=45°；

l—工作面長(zhǎng)度，取值為960m。

1.3 傾向觀測(cè)線的位置和長(zhǎng)度的確定 傾向觀測(cè)線的位置到開切眼的距離為：

式中：δ—走向移動(dòng)角，取值δ=60°54'；

Δδ— δ 的修正值，取Δδ=20°；

H0—平均采深，H0=500.1 米；

h—松散層厚度，取h=439.7 米；

φ—松散層移動(dòng)角，取φ=45°；由此計(jì)算得d1=509.43 米。

傾向觀測(cè)線的位置到停采線的距離為：

傾向觀測(cè)線的長(zhǎng)度為：

實(shí)地布設(shè)點(diǎn)位30 米埋設(shè)了一個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，個(gè)別不適宜埋點(diǎn)位置相鄰觀測(cè)點(diǎn)間距離稍長(zhǎng)。由于工作面南面臨近港河，所以布設(shè)半條傾向觀測(cè)線，取觀測(cè)線長(zhǎng)度≥s/2，為720 米。

圖1 觀測(cè)站總平面布置圖

2 觀測(cè)站數(shù)據(jù)處理

開采沉陷的數(shù)據(jù)處理是一項(xiàng)復(fù)雜的工程，其數(shù)據(jù)的最大特點(diǎn)主要就是數(shù)據(jù)量比較大，涉及的坐標(biāo)點(diǎn)較多，因此我們?cè)趯?duì)沉陷數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的過程中我們可以通過觀測(cè)站實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分析進(jìn)行計(jì)算，并預(yù)計(jì)各種移動(dòng)變形參數(shù)，以此繪制下沉、傾斜、曲率、水平移動(dòng)、水平變形等值曲線[3]。

2.1 坐標(biāo)變換在對(duì)觀測(cè)資料進(jìn)行整理的時(shí)候，主要目的就是求得各測(cè)點(diǎn)的下沉、水平移動(dòng)、傾斜以及曲率和水平變形。下沉主要是由兩次不同的水準(zhǔn)測(cè)量或三角高程差來計(jì)算：水平移動(dòng)分別是監(jiān)測(cè)點(diǎn)沿觀測(cè)線縱向方向和橫向方向的水平移動(dòng)的。為了計(jì)算兩個(gè)方向的水平移動(dòng)，可按實(shí)際計(jì)算的點(diǎn)位坐標(biāo)進(jìn)行坐標(biāo)的變換。以走向觀測(cè)線為例，求得走向觀測(cè)線的坐標(biāo)方位角為αA，以走向觀測(cè)線方向建立假定坐標(biāo)系X′OY′，則以αA作為坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)角，作坐標(biāo)轉(zhuǎn)換即可得沿測(cè)線或垂直測(cè)線方向坐標(biāo)系X′OY′中的坐標(biāo)。

公式如下：

2.2 地表點(diǎn)移動(dòng)變形計(jì)算 在以觀測(cè)線方向建立的X′OY′坐標(biāo)系中，相應(yīng)觀測(cè)點(diǎn)不同的兩次觀測(cè)的坐標(biāo)差即為該測(cè)點(diǎn)的水平移動(dòng)的橫向水平移動(dòng)。

任意監(jiān)測(cè)點(diǎn)的二種移動(dòng)計(jì)算公式如下：

下沉：Wi，j=Hi，j-Hi，o

水平移動(dòng)：Ui，j=X′i，j-X′i，o

橫向水平移動(dòng)：Ti，j=Y′i，j-Y′i，o

式中：Wi，j—i 點(diǎn)j 次觀測(cè)下沉；

Ui，j—i 點(diǎn)j 次觀測(cè)水平移動(dòng)；

Ti，j—i 點(diǎn)j 次觀測(cè)橫向水平移動(dòng)；

Hi，j、Hi，o—i 點(diǎn)j 次和i 點(diǎn)首次觀測(cè)高程；

X′i，j、X′i，o—i 點(diǎn)j 次和i 點(diǎn)首次觀測(cè)的縱坐標(biāo)；

Y′i，j、Y′i，o—i 點(diǎn)j 次觀測(cè)和i 點(diǎn)首次觀測(cè)的橫坐標(biāo)。

通過計(jì)算的地面監(jiān)測(cè)點(diǎn)下沉和水平移動(dòng)，進(jìn)而可計(jì)算地面的變形值，相應(yīng)的傾斜、曲率和水平變形值按下列各式計(jì)算：

2.3 地表移動(dòng)變形靜態(tài)特征 運(yùn)用Matlab 繪制實(shí)測(cè)移動(dòng)、變形分布曲線圖，包括下沉曲線，水平移動(dòng)曲線，橫向水平移動(dòng)曲線，傾斜曲線，曲率曲線，水平變形曲線。以傾向下沉曲線為例：

圖2 傾向下沉曲線

3 結(jié)束語(yǔ)

文章根據(jù)煤礦工作面地質(zhì)采礦資料以及開采沉陷觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)該工作面的地標(biāo)移動(dòng)觀測(cè)站設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理進(jìn)行了研究。研究取得如下結(jié)論：結(jié)合工作面地質(zhì)采礦資料以及地表移動(dòng)觀測(cè)站設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)出觀測(cè)線的位置，包括走向觀測(cè)線位置和傾向觀測(cè)線位置，并確定了觀測(cè)線長(zhǎng)度、測(cè)點(diǎn)數(shù)目及其密度。通過外業(yè)觀測(cè)，得到地標(biāo)移動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)，包括測(cè)點(diǎn)平面位置及高程，并利用平差軟件對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行平差處理，得到各觀測(cè)點(diǎn)在觀測(cè)周期內(nèi)各個(gè)時(shí)期的三維坐標(biāo)。將平差后的觀測(cè)點(diǎn)三維坐標(biāo)按規(guī)定格式輸出，導(dǎo)入到Matlab 內(nèi)，并結(jié)合各移動(dòng)變形曲線的計(jì)算方法編寫代碼進(jìn)行計(jì)算，最終利用Matlab 導(dǎo)出下沉、水平移動(dòng)、橫向水平移動(dòng)、傾斜、曲率和水平變形曲線，實(shí)現(xiàn)地表移動(dòng)變形曲線的可視化。而地表移動(dòng)變形曲線可以劃定地表移動(dòng)盆地的最外邊界、危險(xiǎn)移動(dòng)邊界、裂縫邊界，可以很好的預(yù)測(cè)沉陷區(qū)的范圍，還可為礦區(qū)下一步的安全生產(chǎn)提供決策支持，為礦區(qū)今后開采工作面的合理布局及煤炭的合理開采提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

[1]劉順國(guó).基于制度創(chuàng)新的中國(guó)煤炭資源開發(fā)管理研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2008.

[2]鄒友峰等.礦山開采沉陷工程[M].徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2003.

[3]何國(guó)清.礦山開采沉陷學(xué)[M].江蘇：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，1994.

[4]Guo G L，Zhang G L，He G Q，et al.Comprehensive treatment for mining subsidence area in East China [A].In:Xie H P，Golosinski T S，eds.Mining Science and Technology’99 [C].Rotterdam:A.A.Balkma，1999：597-600.

[5]謝鋒珠.東山煤礦71505 工作面開采沉陷觀測(cè)站設(shè)計(jì)[J].科技情報(bào)開發(fā)與經(jīng)濟(jì)，2009，19（17）：224-225.