《开采损害学》课程讲义5.docx
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《开采损害学》课程讲义5
第5章采动损害的观测研究方法
重点：
①观测研究的目的；②具备设观测站的基本条件；③观测线布置方法；
④测量要求；⑤数据整理分析；⑥观测新技术方法应用概况。
5.1地表观测工作
1观测站的类型
地表、建筑物上、线状、网状
5.1.1地表移动观测站设计
1.观测站设计的原则及内容
（1）设计原则
a）观测线应设在地表移动盆地的主断面上；
b）设站地区在观测期间不受临近采动的影响；
c）观测线的长度要大于地表移动盆地的范围；
d）测点的密度应与采深和设站的目的相适应；
e）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。
（2）观测设计的基本资料
a）设站区的井上下对照图和开采计划图（1:
2000或1:
1000）；
b）设站区的地质和水文地质资料，包括：
地形地质图、地质柱状图、矿层赋存条件、覆岩物理力学性质、水文条件等；
c）开采工作面设计资料，包括：
巷道布置、采矿方法、顶板管理方法、开采厚度、工作面推进速度、回采时间及周围开采情况等；
d）测区井上下测量资料，主要是：
控制点、导线点和水准点的坐标；
e）矿区已有的开采沉陷资料，如：
移动角、最大下沉角、充分采动角、松散层移动角及其它有关参数。
若矿区尚无自己的沉陷参数时，可选用地质采矿条件相似矿区的参数进行设计。
（3）观测站的布置形式
剖面线状观测站是我国矿区多采用的一种形式。
观测站两条观测线（矿层走向、倾斜方向）。
充分采动的条件下，通过移动盆地的平底部分都可设置观测线。
非充分采动的条件下，观测线需设在移动盆地的主断面上。
观测线控制范围
（4）设计内容
观测站包括编写设计说明书和绘制设计图两部分工作。
设计说明书应包括下列内容：
a）建立观测站的目的和任务；
b）设站地区的地形、地物及地质采矿条件；
c）观测站设计时所用的开采沉陷参数；
d）观测线的位置及长度的确定，测点及控制点的数目、位置及编号；
e）工作测点和控制点的构造及其埋设方法；
f）观测内容及所用仪器，与矿区控制网的连接方法，精度要求，连测的起始数据，定期观测的时间、方法及精度要求，有关地表采动影响的测定和编录方法；
g）经费估算：
包括观测站所需的材料、购地、人工等费用的预算；
h）观测成果的整理方法与分析步骤，所要获得的成果。
观测站设计中，除需要编写设计说明书外，还应绘制设计图。
设计图包括观测站的设计平面和断面图。
主要内容为：
a）设站地区的地形、地物、地质构造、岩层柱状、矿层产状等；
b）已有的和新设计的采区巷道；
c）现有的和新设计的保护矿柱轮廓；
d）观测线的平面位置，沿观测线的断面图。
在断面图上应标出工作测点、控制点的位置及编号，岩层柱状，地质构造，矿层产状，开采位置等。
2.地表移动观测站的设计方法
图5.3观测线位置确定方法
（1）确定走向观测线的位置及长度
如图5.3所示，观测线要有足够的长度，且沿走向布置的观测线位于开采区沿倾斜的最大下沉点位置，以使得观测线能够控制半盆地，控制线的长度为G—F+2～3个测点的间距：
（5-1）
式中H0—回采工作面的平均开采深度；
D2—布置两条相互平行的观测线，线间的平距一般取D2=50m；
h—松散层厚度；
—走向移动角；
—走向移动角的修正值；
—松散层移动角。
走向观测线位于采空区中心向下山方向偏移d0的位置：
（5-2）
（2）确定倾斜观测线的位置及长度
倾斜观测线应能够控制沿倾斜的全盆地，其长度A—B为：
（5-3）
式中L—工作面倾斜长度；
—上山移动角；
—下山移动角；
—上山移动角的修正值；
—下山移动角的修正值；
H1、H2—分别为开采区下山边界和上山边界的开采深度。
倾斜观测线距工作面开切眼距离D1、距工作面停采线的距离D3、必须满足：
（5-4）
观测站设计所使用的移动角修正值：
、一般取20；和急倾斜矿层底板移动角的修正值可按表5-1选取；松散层不加修正值。
加入移动角修正的目的是使观测线长度超过盆地边界一定距离。
（3）测点数目及密度
表5-1移动角修正值[8]
矿层倾角（）
（）
（）
矿层倾角（）
（）
（）
0
10
20
30
40
20
17
15
13
12
50
60
70
80以上
11
9
7
6
10
10
10
表5.2测点密度[27]
开采深度m
测点间距m
开采深度m
测点间距m
<50
50～100
100～200
5
10
15
200～300
300～400
>400
20
25
30
（4）观测站的设置
在工作面未开采之前或开采未波及到设站地表时，就应将设计好的观测站标定到实地上。
其方法是：
从矿区控制点T，根据图中量取得的和L值，先标出观测线上控制点R4，再根据标出倾斜观测线R4R1的方向。
在两观测线交点O处，标出与倾斜观测线垂直的走向观测线方向R5R6。
然后从O点开始，根据设计的各测点间距，在两条观测线上标出各测点的平面位置，并对各测点进行编号。
图5.4观测站的标定
5.1.2地表移动观测站的观测工作
1.连接测量
在观测点埋设好10～15天、点位固结后，测站地区未被采动之前应完成连接测量工作。
连接测量是通过矿区控制网来确定测站控制点的平面位置和高程，然后根据它确定其余控制点和测点的平面位置及开采工作面与测站之间的相互关系。
连接测量的目的就是把矿区控制网与测站联系起来，以确定井上下的对应关系。
连接测量需独立进行两次。
连接测量按5导线测量的精度要求确定。
所谓高程连测就是在矿区水准基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（或观测线交点）的高程。
高程连测三等水准测量的精度要求进行。
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，在连测后、地表移动开始之前，应独立进行两次全面观测，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，各测点偏离观测线方向的距离（称支距）等工作。
未受采动之前独立进行两次全面观测，两次观测同一点高程差不大于10mm、支距差不大于30mm，同一边的长度差不大于4mm时，取平均值作为观测站的原始（初始）观测数据。
末次观测连续6个月观测地表各点的累计下沉值均小于30mm。
采动影响前及移动稳定后的初次全面观测和末次全面观测，按下列要求进行：
（1）高程测量
确认观测站控制点未遭碰动，其高程值没有变化的情况下，可直接从观测站控制点开始进行水准测量。
如果观测站两端都设有设控制点，则符合到两端控制点上。
若只在观测线一端有控制点，则需进行往返水准测量。
使其按三等水准测量的精度要求进行。
经平差后求得各测点的高程。
当观测站地区地形起伏较大（两点之间的倾角大于20）时，可用三角高程测量。
应不低于J6及经纬仪以两个测回测竖直角。
往返测量高差的允许互差h可按下式计算[27]：
，mm（5-5）
式中—两点间的水平距离，m。
三角高程测量沿观测线分段进行，观测线长度用钢卷尺丈量。
每段长（相当于转点间的长度）不超过钢卷尺长度，每段的高差往返测两次，中间点的高差，由前后转点各测一次。
（2）距离测量
测点间的距离须用经过比长的钢卷尺丈量。
在地面平坦时，沿地面丈量，否则悬空丈量。
两点间的距离应往返丈量两次，每次丈量以尺端不同起点读数三次，三次计算的长度互差应小于2mm，然后取平均值为其边长。
相邻两点间加入各项改正后水平边长的往返限差：
边长小于15m时为2mm；边长大于15m时为3mm，一般掌握在不超过总边长的1:
10000。
量距时须施以钢尺长时的拉力，并测记钢尺温度至1C。
有条件时，最好用半导体触点温度计，直接测量钢尺的表面温度。
（3）支距测量
各测点偏离观测线方向的距离称支距。
支距测量可用经纬仪配合支距尺来进行。
支距尺是由一根带有mm刻划的直尺、长水准管和照准设备组成。
在直尺上有一滑标，可沿直尺滑动。
观测时，支距尺可直接放在测点上，以尺子的零刻划对准测点中心标志；支距尺也可放在三脚架上，三脚架基座下挂垂球，用垂球对中测点的中心标志。
要求支距尺水平并和观测线垂直，将滑标移动到观测线方向上，在直尺上读数（图5.5）。
图5.5支距测量方法
支距测量时，经纬仪到测点的距离一般不应超过150m，否则须在观测方向上用两个测回标定临时测站，再由临时测站进行支距测量。
对于同一点的支距值首次全面观测和末次全面观测时都应独立进行两次测量，两次测量结果之差不大于30mm时，便可取其平均值作为该点的原始支距值和最终支距值。
3.日常观测工作
所谓日常观测工作，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，当开采工作面推进宽度达到采深的0.2～0.5倍后，在预计可能首先发生的地区，选择几个工作测点每隔几天进行一次水准测量，监控地表是否开始移动。
在地表移动过程中，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，视地表的下沉速度而定，一般是每隔1～3个月观测一次。
在移动活跃阶段，还应在下沉较大的区段，增加水准观测次数。
采动过程中的水准测量应按4等水准测量的精度要求进行。
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的位置、实际采出厚度、工作面推进速度、顶板陷落情况、矿层产状、地质构造、水文条件等有关情况。
表5.3观测站观测程序[8]
观测时间
观测内容
观测时间
观测内容
设站后10～15天
采动影响前
地表移动初始阶段
与矿区控制网连测
全面观测、预测
水准测量
地表移动活跃期
地表移动衰退期
地表移动基本稳定后
全面观测、加密水准测量
水准测量
全面观测
5.1.3观测成果整理
观测站连测成果的内业整理方法和常规方法一样，最后算出观测站控制点的平面坐标和高程。
观测成果整理工作包括计算和绘图两部分。
1.观测成果的计算
为了确保观测成果的正确性，在进行内业整理之前，应对野外观测成果再次检查，然后进行各种改正数的计算和平差计算。
（1）观测数据的内业整理计算
内业成果的整理计算主要是计算各测点的高程、相邻两测点的水平距离和各测点偏离观测线方向的支距，然后计算各测点的移动变形值及下沉速度等。
在进行移动和变形计算之前，应对观测数据加入各种改正。
比如：
对水准测量数据进行平差，计算各测点的高程；对钢尺丈量的边长加入比长、温度、倾斜、支距、垂曲等项改正，计算各测点在观测线方向上的水平距离；计算各测点到观测线控制点的水平距离。
支距改正的目的，是将相邻测点间的距离改化成观测线方向上的距离。
图5.5中1、2、3为观测线上相邻的三个点，点间的距离分别为1、2。
设三个点在观测线方向上的距离为
、
，支距改正按下式计算：
（5-6）
式中—相邻两点的支距差。
如1=y1-y2，2=y2-y3。
支距应考虑正负号，图中应是2=y2+y3。
（2）移动和变形计算
移动和变形计算主要包括：
各测点的下沉和水平移动；相邻两测点间的倾斜和水平变形；相邻两线段的曲率变形；观测点的下沉速度等。
移动和变形按下列公式计算：
a）m次观测时n点的下沉
，mm（5-7）
式中wn—n点的下沉值；
—分别为首次和m次观测时n点的高程。
b）相邻两点间的倾斜
，mm/m（5-8）
式中
—n号点至n+1号点间的水平距离；
wn+1、wn—分别表示n+1号点和n号点的下沉量。
c）n号点附近的曲率
，10-3/m（5-9）
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；
、
—分别表示n+1号点至n号点和n号点至n-1号点的水平距离。
d）n号点的水平移动
，mm（5-10）
式中
、
—分别表示m次观测和首次观测时n号点至观测线控制点间的水平距离。
e）n号点至n+1号点间的水平变形
，mm/m（5-11）
式中
、
—分别表示n+1号点至n号点在首次和m次观测时的水平距离。
f）n号点的下沉速度
，mm/d（5-12）
式中
、
—分别表示m-1次和m次观测时n点的下沉值；
t—两次观测的间隔天数。
g）n号点的横向水平移动
，mm（5-13）
式中
、
—分别表示m次和首次观测时n号点的支距值。
横向水平移动是垂直于观测线方向的水平移动，计算时须注意正、负号。
计算结果由专门的表格形式输出，计算数字的取位可参考表5-4。
表5-4地表观测数据取位
名称
w（mm）
u（mm）
i（mm/m）
（mm/m）
K（10-3/m）
v（mm）
V（mm/d）
取位
1
1
0.1
0.1
0.01
1
0.1
2.绘图工作
根据每次观测的计算结果绘制曲线图，这种曲线图能够清楚地描述观测线（主断面）的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，以水平轴代表沿观测线的方向，垂直轴代表各移动和变形指标，这种剖面曲线图的绘制可借助计算机绘图软件完成，如GRAPHERV4.0FORWINDOWS软件，该软件能够以多种插入方法光滑，将连接各点的折线光滑为曲线。
在剖面曲线图中还应表达出矿层产状的有关参数及地表地形等情况，如图5.6及图5.7所示[5][44]。
当地表观测线为网状观测线时，可借助计算机绘图软件SURFER完成地表移动和变形的全盆地等值线分布图。
观测站的实测资料经处理后，可求得下列成果：
a）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）；
b）地表移动盆地主断面上的移动和变形分布及其特征，移动和变形的极值位置；
c）工作面推进过程中移动和变形的发展过程及其相应的主要参数（起动距、超前距、超前影响角、滞后距、滞后角等）；
d）地表移动过程中，地表移动速度的变化以及与工作面的相应关系；
e）地表移动各阶段（初始阶段、活跃阶段、衰退阶段）的持续时间以及地表移动持续的总时间；
f）工作面开始回采到地表开始下沉的时间等。
地表移动和变形的主要参数是根据最后一次全面观测结果确定的。
但是要取得一个矿区有代表性的地表移动规律，得出移动变形参数及合适的预计方法，一般应建立在多个观测站观测资料的基础上，并经详细的分析得出，才是比较可靠的。
3.实例
某长壁式开采工作面上方地表设一个观测站（图5.8），沿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为75m，煤层倾角为15，采高为2m，工作面走向长180m，倾斜长150m，工作面推进速度为20m/月。
走向观测线的最终观测成果和采动前的初次观测成果列于表5-5。
根据观测成果计算出最终的移动变形值，并由GRAPHER绘出移动变形曲线，如图5.9所示。
根据临界变形值
、
、
在图5.9中比较知，限制了临界变形值，由此可得走向移动角
；以下沉点等于10mm的点得出边界角
；以下沉值等于0.5wmax找出拐点位置，确定出拐点偏移距等。
表5-5地表移动变形成果综合表
矿务局观测站观测者
矿观测线计算者年月日
测点编号
标高m
下沉
mm
下沉差
mm
倾斜
mm/m
倾斜变化
mm/m
曲率
10-3/m
线段
线段长
水平变形
水平移动
mm
第1次观测85.12.26
第8次观测
88.07.27
第1次观测
85.12.26
第8次观测
88.07.28
绝对值
mm/m
相对值
mm/m
A1
68.728
68.728
0.0
+8
+19
+41
+79
+167
+277
+338
+375
+193
+81
+38
-6
+5
+2
+1.0
+2.9
+8.0
+12.8
+26.0
+34.8
+34.5
+14.2
+5.6
+2.5
-0.4
+0.3
A1-18
42.772
47.733
+11
+0.2
0
18
65.353
65.345
-8
+0.8
+0.02
18-17
18.309
18.321
+11
+0.6
+11
17
62.952
62.925
-27
+1.9
+0.12
17-16
14.054
14.085
+31
+2.2
+22
16
64.470
64.402
-68
+5.1
+0.43
16-15
9.834
9.870
+36
+3.7
+53
15
65.426
65.279
-147
+4.8
+0.42
15-14
12.975
13.018
+43
+3.3
+89
14
66.775
66.441
-314
+13.2
+1.11
14-13
10.663
10.796
+133
+12.3
+132
13
69.890
69.218
-591
+8.8
+0.85
13-12
9.720
9.862
+142
+14.4
+265
12
71.130
70.201
-929
-0.3
-0.03
12-11
10.854
10.954
+100
+9.1
+407
11
76.161
74.857
-1304
-20.3
-1.65
11-10
13.686
13.634
-52
-3.8
+507
10
72.697
71.200
-1497
-8.6
-0.61
10-9
14.565
14.410
-155
-10.6
+455
9
66.840
65.262
-1578
-3.1
-0.21
9-8
15.409
15.243
-166
-10.8
+300
8
69.593
67.977
-1616
-2.9
-0.19
8-7
15.372
15.308
-64
-4.2
+134
7
71.553
69.947
-1610
+0.7
+0.47
7-6
14.933
14.862
-70
-4.7
+70
6
70.979
69.364
-1615
0
图5.8某矿观测平面图图5.9地表移动变形曲线图
5.33S技术在开采沉陷中应用简介
遥感、地理信息系统与全球定位系统（的英文名称中最后一个单词均含有“S”，人们习惯将这三种技术合称之为“3S”技术。
5.3.1GIS在开采沉陷分析中的应用
1.GIS的基本概念
地理信息系统是以采集、贮存、管理、分析和描述整个或部分地球表面与空间和地理分布有关的数据的空间信息系统，或者说是管理和分析空间数据的计算机系统。
G1S的概念是加拿大的RogerF．Tomlinson和美国的DuaneF．Marble于二十世纪六十年代初提出的。
二十世纪七十年代是GIS的发展阶段，有关学术交流活动开始活跃，企业也步入GIS市场。
二十世纪八十年代是GIS的应用阶段，GIS跨越国界，应用于解决许多全球性问题。
二十世纪九十年代是GIS的成熟阶段，表现在理论研究逐步深入、系统功能强大、商业运作开始规范、学术机构众多、应用领域不断扩大、应用方法渐趋成熟。
一个完整的地理信息系统主要由四部分构成（硬件系统、软件系统、地理空间数据和系统开发、管理与使用人员）。
GIS硬件配置一般包括计算机主机、数据输入设备、数据存储设备和数据输出设备四部分。
GIS软件系统是指GIS运行所必需的各种程序，通常包括计算机系统软件、地理信息系统软件和其他支持软件。
地理空间数据是指以地球表面空间位置为参照的自然、社会和人文景观数据，可以是图形、图像、文字、表格和数字等，由系统的建立者通过数字化仪、扫描仪、键盘、磁带机或其它通信系统输入GIS，是系统程序作用的对象，是GIS所表达的现实世界经过模型抽象的实质性内容。
GIS软件是地理信息系统的关键。
GIS具有以下基本特点：
（1）GIS具有图形和属性数据互查以及丰富的空间分析功能。
其中空间分析功能是GIS最主要的特点。
（2）GIS具有强大的空间数据的采集、管理和可视化功能。
（3）GIS具有坐标参考系统，能描述和处理图形数据及其空间关系，也能处理非图形属性数据。
（4）GIS具有丰富的符号库与属性库，可以处理和管理海量数据。
由于GIS的强大功能，使它成为许多工程项目开发的重要技术工具。
目前地理信息系统的应用遍及环境保护、灾害预测、投资评价、城市规划建设、政府管理、交通运输、测绘、教育、军事等众多领域，取得了良好的经济效益和社会效益。
2.GIS在开采沉陷分析中的应用[55、56]
矿区开采沉陷的研究工作内容包括开采沉陷的一般规律、数据处理方法、预计和模拟方法、沉陷的防治方法及开采沉陷对环境的影响及治理等。
应用GIS技术可以极大地方便开采沉陷研究工作，其主要功能为：
（1）矿区开采沉陷研究工作中涉及大量观测数据的处理和制图等工作，运用GIS软件对地理空间数据管理和制图等功能可以很好的完成开采沉陷数据的存储、处理、管理和制图任务。
（2）对矿区不同区域和不同时间开采引起的沉陷的预报和预测工作是开采沉陷研究的一项重要任务，对GIS软件进行二次开发可较容易地实现预测预报的程序算法功能。
（3）矿区开采沉陷具有动态变化特征，运用GIS技术，在及时获取开采沉陷信息的同时，可以有效地对各时期的沉陷变化进行动态监测和分析比较，研究其变化规律，从而做出沉陷的预测和预报，为科学决策提供依据。
（4）对矿区开采沉陷的治理、监测、预防工作是一项复杂的综合性管理工作，利用GIS的空间查询功能可以方便地进行数据查询、检索。
以便及时向各级技术管理部门提供有关沉陷的最新情况，如不同区域不同时间内沉陷区的范围、大小、破坏情况以及治理后沉陷区可能产生的各种效益等。
（5）对矿区开采沉陷采取的治理方法上，充分利用地理信息系统在空间分析功能、综合评价分析功能上的优势，如对沉陷区土地损害的分级，对沉陷区开发再利用的适宜性分析等，以求得出的解决方案最科学、最符合实际情况，获得最大的社会效益、经济效益和生态效益。
（6）充分发挥地理信息的网络优势，同时连接不同矿区，实现各个矿区的数据共享，信息互补，及时反馈各地沉陷信息，综合分析预测，及时采取多方面防范措施。
3.GIS应用于开采沉陷中的模块
通用的地理信息系统软件一般不具备辅助开采沉陷分析的功能，因而需要在通用GIS软件平台上进行二次开发，形成具有开采沉陷分析功能的专用系统软件，用户应用开采沉陷专用软件系统就可进行开采沉陷分析。
这种软件系统至少
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