东山煤矿71505开采沉陷观测站设计说明书

1、东山煤矿71505工作面开采沉陷观测站设计说明书东山煤矿有限责任公司71505工作面开采沉陷观测站设计说明书东 山 煤 矿太 原 理 工 大 学2008年7月目录1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 33 设站地区的地形地质条件.33.1 71505工作面位置.33.2 地形条件.44 观测站设计时所用到开采沉陷系数.45观测线的位置及长度、观测及控制点的数目的确定.56 工作测点和控制点的构造及埋设方法 66.1 测点的构造及埋设方法. 66.2 测点数目及其密度. 77 观测内容及所

2、使用的仪器，与控制网的连测方法，精度要求 8 7.1地表移动观测站观测的主要内容.87.2 地表移动观测站观测所使用的仪器及精度.87.3 地表移动观测站连测、观测的方法及要求的精度.97.3.1 连接测量.97.3.2全面观测.107.3.3日常观测工作.108 观测成果的整理方法与分析步骤，所要获得的成果.118.1 观测成果的检查和计算.11.8.2 移动和变形计算.128.3 绘图工作.148.4 观测成果整理.159 项目总体研究进度.1510 经费估算.16太原东山煤矿有限责任公司71505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1.1设计地表移动观测站的意

3、义在建筑物、水体、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，是进行此项工作唯一有效的方法。为

4、此，太原东山煤矿有限责任公司在71505工作面上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律，以及开采对地面建筑物的影响和破坏机理和规律。项目研究的目的意义： 1、由于国内外对重复采动下的地表移动变形及对外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，探寻重复采动条件下地表移动变形的规律，对本矿区重复开采沉陷问题起到现实的指导意义。 2、综合分析观测资料，求取地表变形的角量参数及概率积分法预计参数。 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、

5、减少和避免不必要的采矿纠纷。 1.2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、采矿、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； 4、移动稳定后地表移动和变形的分布及其主要参数;移动角、裂缝角、边界角、最大下沉角、下沉系数、主要影响半径、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等。2 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

6、柱留设与压煤开采规程，煤炭工业管理局制定，2000年。2、煤炭测量规程，煤炭工业管理局制定，2000年。3、工程测量收费标准，中华人民共和国收费标准，2002年。4、工程测量规范，中华人民共和国行业标准，1998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、矿山测量手册，煤炭工业出版社，2000年。3 设站地区的地形地质条件3.1 71505工作面位置 71505工作面位于东山煤矿有限责任公司柳树渠井750水平七采区内，地面标高为9501050m，工作面标高为670711m。地表地形起伏较大，上部多为黄土分布，部

7、分区域有裸露基岩，其间高差变化较大，地形较为复杂。71505工作面井下位于715轨道下山以南，F17断层以北，东为71504工作面（未采掘），西为未掘区。 71505工作面走向长460480m，平均为470m，工作面倾向宽150m，煤层厚度在6.87.5m，平均厚度为7.1m，平均开采深度为309m，工作面范围有以下4点控制，编号见设计图。表1 71505工作面控制坐标及采深控制点1234坐标X59140591285963259643坐标Y27123272812707927238采深H3302743153003.2 地形条件 东山煤矿矿井井田位于太原东山西缘，西与太原盆地相邻。区内地势东高西低

8、，东部最高海拔1100m左右，西部最低860m左右，相对高差240m。本区地貌按其成因和形态，可分为剥蚀侵蚀地貌、黄土地貌和堆积地貌。沟谷纵横，切割剧烈，多呈“V“字形，山顶黄土分布，沟谷两侧基岩裸露。 71505工作面位于东山煤矿有限责任公司柳树渠井750水平七采区内，地面标高为9501050m，工作面标高为670711m。地表地形起伏较大，上部多为黄土分布，部分区域有裸露基岩，其间高差变化较大，地形较为复杂。71505工作面井下位于715轨道下山以南，F17断层以北，东为71504工作面（未采掘），西为未掘区。4 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：

9、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到的参数是结合本矿区2、3号煤开采现场观测资料，参照相邻矿区的移动值以类比的方法来确定移动参数。地表移动观测站设计的开采沉陷参数取值如下： 基岩移动角（走向，倾向上山，倾向下山）： =72 =-(0.70.8)=68 表土层移动角：=45 移动角修正值（走向，倾向上山，倾向下山）：=20 =18 充分采动角（走向3、倾向上山2、倾向下山1） 1=65,2=753=65 最大下沉角：=90-0.7=835 观测线的位置及长度、观测点及控

10、制点的数目的确定观测站共设三条观测线（见附图），其中走向一条（A线），倾向二条（B线和C线），各观测线的总长度、分段长度以及点间距和点数见表3。每条观测线长度等于工作面内长度加边界段长度再加上控制段长度。各观测线边界长度均按下式计算：式中H为工作面边界开采深度（m）。倾向观测B线距开切眼的平面位置约为242m，C线距B线的平面距离约为60m。走向观测A线的位置位于工作面倾斜方向中央偏下山的方向，根据最大下沉角来确定其位置为倾斜方向的中心向下山偏移约37m。根据观测线边界长度的近似计算公式可得三条观测线的实际长度即每条测线上的控制点数目、测点数、测点间距。详见表3。表3 实际图上设计地表移动观测

11、线长度观测线总长度控制点数监测点数测点总数71505走向A7303293271505倾向B8004353971505走向C80043539合计23301199110 根据实际计算得出地表移动观测站，A、B和C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）。KB1KB2KA1 KA KA3回采工作面KB3KB4KC3KC4KC1KC2图1 东山煤矿71505工作面观测线布置示意图6 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 观测站的每条观测线两端各设置一组（3个）固定点（如条件不具备，也可在一端设置一组三个固定点），固定点间

12、距离为50m左右；固定点距采空区边界的水平距离应大于0.7H（H为开采深度）。观测点布置在两组固定点之间。 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，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（可使用一层标石），其底部埋设深度应低于当地冻土深度2.5m。并保证它和土层密实固结，以使测点和地表一起移动。 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

13、，周围填紧土石，以方测点受冻土影响。6.2 测点数目及其密度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，本矿区地表移动观测点间距采用20m。在观测线工作长度以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，必要时应对控制点的

14、稳定性定期进行检测。控制点应埋设在观测线的两端，每端不少于两个，如因地形、地物等条件的限制，只能在观测线一段设控制点时，控制点不得少于三个。工作测点的外端点至控制点的距离及控制点间的距离为50m。按设计要求，本地表移动变形观测站变形监测点数目为：99个，控制点数目为：11个。观测站测点总数为110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7.1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6。表6 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

15、地表移动活跃期全面测量水准测量采动影响前全面观测巡视测量地表移动衰退期水准测量地表移动初始期水准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 地表移动观测站建立后，要分别进行与观测矿区控制网连测、全面观测及高精度的水准测量等测量工作，测量工作采用常规的测量仪器及方法进行，拟使用的仪器及测量内容如表7。表7 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全站仪DTM532C测角精度 2测距精度2mm+2ppm与矿区控制网连测全面测量水准仪DS31Km往返水准测量精度3mm巡视测量水准仪DS11Km往返水准测量精度1mm水准测量GPS至少双频三台

16、套静态平面精度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，单独进行的水准测量，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：7.3.1 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互位置关系，应在观测站的某一个控制点与矿区控制网之间进行测量，以确定这个控制点的平面位置和高程，然后再根据它来测定其余的控

17、制点和工作测点的平面位置。根据矿区地面控制网和观测站位置及其地形情况，按照规程对四等点的测量要求，用插点或敷设经纬仪导线的方法，测定观测线交点或一个控制点的平面坐标和高程，其余控制点的平面坐标可按四等导线测角方法所测得时角度和观测线边长丈量的结果求得。如果观测线仅在一端埋设控制点，应在每个控制点上用精度不低于2的经纬仪或全站仪，以四个测回与三角点或固定目标连测方向。如采用GPS进行观测，用不少于三台套的静态GPS接收机进行静态测量，按规程规定的C级网精度标准进行施测。高程连测在矿区水准点至观测站附近的水准点之间进行水准测量，再由水准点测定观测站控制点的高程。如矿区水准基点距观测站较近时，也可由

18、水准基点直接和观测站连测，高程连测以不低于三等水准测量的精度要求进行。7.3.2 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，在于矿区控制网连测后、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，各测点间的距离等。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，地表移动稳定的标志是：连续6个月观测地表各点的

19、累计下沉值均小于30mm。7.3.3 日常观测工作 日常观测工作，指的是首次和末次全面观测之间适当增加的水准测量工作，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，要进行日常观测工作，即重复进行水准测量。重复水准测量的时间间隔，视地表下沉的速度而定，一般是每隔半个月观测一次。在移动的活跃阶段，还应在下沉较大的区段，增加水准观测次数。采动过程中的水准观测，可用单程的符合水准或

20、水准支线的往返测量，施测按四等水准测量的精度要求进行。在采动过程中，不仅要及时地记录和描述地表出现的裂缝，塌陷的形态和时间，还要记载每次观测时的相应工作面位置、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量短的时间内完成，特别是在移动活跃阶段，水准测量必须在一天内完成，并力争做到高程测量和平面测量同时进行。8 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 野外手簿的检查 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 先进

21、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 由实测数据加入各种距离改正后求得。8.2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）的曲率变形，观测点的下沉等。各移动和变形值按下式计算：次观测时点的下沉 mm式中 地表n点的下沉值； 、 分别表示地表n点在首次和m次观测时的高程相邻两点的倾斜=,mm/m式中 、 分别为地表点和号点的下沉值； 分地表至号点间的水平距离。号附近的曲率，即号点至号点之间的曲率= ，mm/m式

22、中 、分别表示号点至号点和号点至号点的倾斜；、分别表示号点至号点和号点至号点的水平距离。号点的水平移动，mm式中地表点的水平移动；、 分别表示首次观测和m次观测时地表点至观测线控制点间的水平距离，用点间距累加求得。号点至号点间的水平变形，mm/m或10-3式中、分别表示号点至号点在首次观测时和次观测时的水平距离。号点的下沉速度，mm/d式中、分别表示次和次观测时点的下沉值； 两次观测的间隔天数。 号点的横向水平移动，mm式中、分别表示第次观测和首次观测时号点的支线值。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8

23、，地表移动、变形综合成果整理表如下表9：表8 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9 地表移动、变形综合成果整理测点编号标高下沉mm下沉差mm倾斜mm/m倾斜变化mm/m曲率10-3线段线段长水平变形水平移动mm第一次观测第一次观测第一次观测第一次观测绝对值mm相对值mm用全站仪（或测距仪配合经纬仪）进行观测，观测数据的整理工作除须加入气象改正和斜距改正外，其余的计算和常规方法相同。8.3 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：