某高含煤矿井工程观测站设计

某高含煤矿井工程观测站设计

采矿业的沉降不仅破坏了矿区的生态环境，而且严重影响了地面和地表建筑（结构）的质量。开采沉陷引起的地表移动及地表建筑(构筑)物的破坏过程十分复杂,不仅与矿区的地质采矿条件有关,而且还受到开采厚度、开采深度、工作面推进速度,工作面宽度以及地表建筑(构筑)物结构和形状的影响。高等级公路是国民经济的动脉,属于延伸线状构筑物,同时一般设有桥梁、高架桥、隧道等附加构筑物,车辆的运行速度高、密度大、运量大,对开采沉陷损害极为敏感。开采沉陷引起的地表下沉、倾斜、曲率、水平移动和水平变形都将对高等级公路造成一定程度的破坏,而目前对于高等级公路下采煤研究甚少,国内外尚无成功案例。所以由此可知研究高等级公路下采煤具有重大的现实意义和科学意义:要掌握采煤沉陷区高等级公路的移动与变形规律,指导煤炭安全生产,减少对开采沉陷对高等级公路的损害,必须对开采工作面之上的高等级公路进行大量的实地观测,即建立高等级公路移动观测站。1移动观测站的布设原则根据设站目的和地表建筑(构筑)物的不同形状,必须选择合理的观测站布设形式。目前我国矿区大多采用剖面观测站,普通地表移动观测站的具体布设形式有6种。而对于高等级公路这种特殊构筑物,由于其纵向长度很大,而横向宽度相对较小,抗变形能力差,路基纵断面中央和路堤或路堑受开采影响的变形破坏规律也不完全一致。为了更加全面地掌握高等级公路在开采影响下的破坏规律与特点,其移动观测站的布设形式应具体情况具体分析,不能完全照搬普通建筑物移动观测站的设计方法。采空区上方地表可能产生连续性或非连续性的位移变形,对高等级公路的危害主要有如下几种方式:采空区的失稳冒落,使地表剧烈变形,产生陷坑、台阶等;路基沉陷,造成路基、路面局部开裂,使承载力下降,使用性能降低,或造成路面低洼积水破坏;倾斜使坡度发生变化,导致行驰车辆重心偏移,在弯道处易发生交通事故;水平变形和曲率使路面受拉伸开裂、受压缩隆起,使路面发生波浪起伏及路面与路基间的局部离层等。为了防止上述现象的发生,位于开采工作面上方高等级公路的路基路面移动观测线的长度应保证其2个端点(半条移动观测线时为一个端点)超出采动影响范围,以便建立移动观测站控制点和测定采动影响边界。开采影响范围内的测点为工作测点,在开采过程中应保证它们和高等级公路路基路面一起移动,以反映高等级公路的移动过程,如图1。1.1移动观测线的布设整个路面结构,铺筑于路基顶部的路槽中,是修筑于路基之上的层状结构物,高等级路面的路面包括面层和基层,面层常由2层或3层组成,分别称为面层上层和面层下层,或面层上、中、下层。路面直接承受行车荷载的作用,受各种不利自然因素和人为因素的影响最大,对开采沉陷引起的破坏也最为敏感。路面质量的好坏直接决定行车的舒适度和经济性,所以在进行地下煤层开采时应对高等级公路的路面进行变形观测,探究其破坏规律,以便采取相应的保护措施。鉴于以上原因,受开采影响的高等级公路的路面应合理布设移动观测线,结合高等级公路路面形状及结构特点,其移动观测线的布设形式如图1,即在纵断面方向上布设3条移动观测线,分别位于路面中央和两侧;在横断面方向上也布设3条,分别位于采煤工作面正上方公路的横断面中央和受开采影响的横断面边界处。每条移动观测线的长度都要超出受地下开采的影响边界。1.2路基移动观测线的设置路基是修筑于地基之上的带状结构物,承受路面的自重以及车辆的载荷,并将路面自重和车辆载荷传递到地基,是整个公路结构的核心,其质量的好坏直接决定高等级公路的使用年限和运输量。由于高等级公路的路基路面都是分层修筑的,路基路面在受到外界因素的影响后,路基路面的变形并不同步,变形量也不相同,所以受开采影响的高等级公路的路基也应单独布设移动观测线,以便研究路基受开采影响的破坏程度以及路基路面的变形差异与关系,为今矿区高等级公路的建设提供科学的理论指导。路面厚度较小,所以高等级公路路基移动观测线的长度应和路面一致,布设2条,即路基两侧各1条,并将2条移动观测线都布设于路基与路面交界处,避免由于路基自身的固结沉降而影响路基与路面的变形关系。高等级公路路基移动观测线的布设形式如图2所示。1.3移动观测线布设桥梁是高等级公路建设中不可避免的附属设施,常修筑于起伏较大或有大面积水域的地区。随着煤炭资源的大规模开采,高等级公路建设力度的加大,高等级公路桥梁下压煤现象频频出现。为了研究地下煤层开采对高等级公路桥梁影响,必须对其进行实地观测,即布设移动观测线。桥梁一般由桥墩和梁体构成,桥梁的破坏主要是由于梁体强度不够而发生断裂和垮塌或者由于两桥墩的下沉差过大而导致梁体向一侧滑移。鉴于此,桥梁移动观测线应布设在对变形敏感的地方,为了同时监测桥墩和梁体的纵向变形和横向变形,所有桥墩都要布设横纵向移动观测线,即每个桥墩布设4条移动观测线(图3),纵向1条,横向3条,分别位于桥墩顶部,桥墩中央和桥墩底部。此外,还应沿梁体布设1条移动观测线。路桥过渡段是极易破坏而引发跳车等交通事故的地方,因此,在路桥过渡处也要布设移动观测线,即沿路桥交界线布设1条,沿垂直于路桥交界线布设1条,具体布设形式如图4。1.4隧道分层开采影响下的开采沉陷对隧道布设移动观测线的需求高等级公路隧道为线性工程,由于地下煤层开采造成了覆岩的不均匀性沉降,容易造成隧道路面错落起伏、衬砌结构变形、开裂等破坏现象,对高等级公路隧道的正常运营以及破坏后的补救修复,都构成了严重的安全隐患和潜在危害。鉴于地下煤层开采后留下的采空区具有隐伏性强、空间分布特征规律性差、采空区顶板冒落情况难以预测等特点的原因,必须对受开采影响的高等级公路隧道布设移动观测线进行实地观测,获取现场资料,以便研究开采沉陷对高等级公路隧道的破坏规律,为工程实践和科学研究提供理论依据。为了监测隧道在开采影响下的移动变形规律,结合隧道自身的结构特点,高等级公路隧道移动观测线应沿着两洞口的拱形面和洞底的两人行道布设,具体布设形式如图5。1.5开采对高等级降低的破坏规律在煤炭开采过程中的应用探索涵洞是高等级公路跨越河谷、溪流、河流、人工渠道以及排除路基内侧边沟水流时需要修建的各种横向排水沟构造物,是高等级公路排水构造物的重要组成部分之一。矿区高等级公路涵洞在运营过程中除受到洪水冲击和上覆载荷的重压外,开采沉陷对其的破坏也很严重。为了保证矿区高等级公路涵洞能正常发挥功能,在煤炭开采过程中必须对其加以保护,因此,布设移动观测线进行实地观测,掌握高等级公路涵洞受开采破坏的规律就尤为重要。高等级公路涵洞的路涵过渡段对外界变形最为敏感,因此,在路涵过渡段布设两条相互垂直的移动观测线(图6),移动观测线长度与地基土质,涵洞大小有关。1.6路基与地基间的变形路基路面在受开采沉陷影响的同时,由于路基路面自身的固结作用也会产生下沉,造成路基与地基间的变形不一致。因此,必须对高等级公路的地基布设移动观测线,以研究地基变形和路基变形的关系。地基移动观测线布设在路基两侧与地表相交的基岩上,共两条,其长度和路基路面移动观测线一致,如图7。2高桥桥移动观测线观测高等级公路路基路面及其附属设施的移动观测站布设形式和位置较为特殊,利用常规移动观测站的“经纬仪+支距测量”数据获取方式进行观测比较困难,甚至无法完成任务。为了提高作业效率,高等级公路路基路面移动观测线、桥梁梁体移动观测线、路桥过渡段移动观测线、隧道洞底移动观测线、涵洞移动观测线可以利用GPS进行观测,而对于桥墩移动观测线和隧道洞口拱形面上的移动观测线可利用全站仪观测。获取实地观测数据后,通过各观测点坐标的反算就可求得观测点间的距离和高差,再将所得结果与前期数据比较,便可得到自上期观测后各观测点的变形量。3建站的建站位置的影响建立高等级公路移动观测站首先要了解工作面的采矿条件、周围的开采情况、公路等级、路面宽度以及有无桥梁、隧道等公路附属构筑物,如果已有开采对建站公路路基路面造成过影响,那就不能在此建立观测站,应该在不受临近开采影响的地方建站才合适。3.1地表移动资料收集建站前必须收集矿区的地质构造、岩层柱状、煤层产状、开采深度、上边界、下边界、松散层厚度、工作面的形状(最好是矩形工作面)、工作面的走向长度、倾斜长度、煤层倾角、采煤厚度的资料。并对矿区已有的地表移动资料进行收集,如充分采动角;上山移动角、下山移动角、走向移动角;移动角修正值;最大下沉角及松散层移动角。在矿区没有移动变形参数时,可选用地质采矿条件相似的临近矿区的移动参数。3.2公路的建筑工程建设情况建立高等级公路移动观测站之前,除了需要收集矿区的地质采矿条件资料外,还要收集高等级公路的基本信息,如公路的修建时间、路基填筑土质、路面材料、等级划分、日通行量、边坡坡度与高度、公路纵坡坡度、公路横坡坡度、路面破损情况、路面已有裂缝宽度及其长度、公路与采煤工作面的相对位置关系以及公路附属构筑物情况。设站前都要对上述信息做好详细的记录并到现场核实,以便日后能快速准确计算高等级公路在开采影响下的破坏程度。4移动观测线的布设原则(1)高等级公路是一种特殊线状构筑物,常常附属有桥梁、隧道、涵洞等设施,在对处于开采沉陷中的高等级公路进行变形监测时,不仅要设计路基路面移动观测线,而且还要考虑其附属设施移动观测线的设计。(2)由于高等级公路不同附属设施的结构和最弱变形点各不相同,布设移动观测线时要具体问题具体分析,将移动观测线设计在各附属设施的最弱变形处。(3)路基与路面之间,路基与地基之间都存在变形的不一致性,在对开采沉陷中的高等级公路进行监测时,必须在路面、路基和地基上分别设计移动观测线。(4)基于预计的路基路面移动观测线长度和基于移动参数的路基路面移动观测线