煤矿地表沉陷观测站设计及观测精度控制分析毕业设计.docx
《煤矿地表沉陷观测站设计及观测精度控制分析毕业设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《煤矿地表沉陷观测站设计及观测精度控制分析毕业设计.docx（27页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
煤矿地表沉陷观测站设计及观测精度控制分析毕业设计
煤矿地表沉陷观测站设计及观测精度控制分析
摘要
本文主要研究在矿井上下对照图的基础上，对某矿一个工作面的地表沉陷观测站的设计及精度分析，详细介绍了观测站设计时所需的资料、设计原则、布设形式及设计内容。
并叙述了观测工作及观测数据的处理，在采动过程中，根据需要定期观测这些测点的空间位置及其相对位置的变化，以确定各测点的位移和点间的相对移动，从而掌握开采沉陷的规律，使井巷、建筑物、水体及铁路等免受或少收开采的有害影响，减少资源的损失。
关键词：
开采沉陷，观测站，数据处理
COALMININGSUBSIDENCEOBSERVATIONACCURACYCONTROLDESIGNANDOBSERVATORYWASANALYZED-FORPATIENTSWITHZHANGJI
ABSTRACT
Thisarticlemainlystudiesinminefluctuationcontrastdiagramonthebasisofaworkface，predicttedthedesignofsurfacesubsidenceobservatoryandanalyzestheprecisio,detailedintroducesthedesignofthedataneededobservatory,designprinciples,layoutformsanddesigncontent.Anddescribesobservationdataprocessingofworkandobservation,inminingprocess,accordingtoneedregularobservationthesepointpositioninspaceanditsrelativeposition,todeterminethechangeofdisplacementandpointthepointoftherelativemovementbetweenthemasterminingsubsidence,andruleofalley,buildings,waterbodiesandrailwaysfromorlesstochargetheharmfuleffectsofmining,reduceresourcesloss.
KEYWORDS：
miningsubsidence,observatory,dataprocessing
前言
煤炭是一种宝贵的不可再生资源，在目前的条件下仍为我国的主要能源。
中国煤炭资源丰富，截至2002年年底，全国共有煤炭资源的矿区6019个，查明煤炭资源储量为10201亿吨，其中煤炭基础储量3341亿吨（煤炭储量为1886亿吨），煤炭资源量为6872亿吨。
按照中国探明可直接利用的煤炭储量1886亿吨计算，我国人均探明煤炭储量145吨，按人均年消费煤炭1.45吨，即全国年产19亿吨煤炭匡算，可以保证开采上百年。
另外，包括3341亿吨基础储量和6872亿吨资源量共计10201亿吨的资源，可以留待后人勘探开发。
另外，中国炼焦用煤储量为649亿吨，还有基础储量1244亿吨、资源量1477亿吨；2003年中国生产焦炭1.78亿吨，出口量占世界贸易量的56.4%。
按照近期中国焦炭的生产能力，已经探明的炼焦用煤储量，可以保证开采200年左右。
我国煤炭储量主要分布在华北、西北地区，集中在昆仑山—秦岭—大别山以北的北方地区，以山西、陕西、内蒙古等省区的储量最为丰富。
晋陕蒙（西）地区（简称“三西”地区）集中了中国煤炭资源的60%，另外还有近9%集中于川、云、贵、渝地区。
山西省是资源储量最多的省份，占全国总储量的30%。
与资源分布相对应的，是煤炭生产也集中于这些地区。
在漫长的地质演变过程中，煤田受到多种地质因素的作用；由于成煤年代、成煤原始物质、还原程度及成因类型上的差异，再加上各种变质作用并存，致使中国煤炭品种多样化，从低变及程度的褐煤到高变质程度的无烟煤都有储存。
按中国的煤种分类，其中炼焦煤类占27.65%，非炼焦煤类占72.35%。
中国虽然煤炭资源丰富，但适于露天开采的煤炭储量少，仅占总储量的7%左右，其中70%是褐煤，主要分布在内蒙、新疆和云南。
煤炭作为我国的主要资源，国家对煤矿十分重视，尤其是安全问题。
对采区的观测站的定期观测，可以确定这些测点的空间位置及其相对位置的变化，掌握开采沉陷的规律，以此来减少开采带来的影响。
可见，煤矿的开采沉陷观测是十分有意义而且必要的。
1绪论
1.1开采沉陷的发展历史
有用矿物被采出以后，开采区域周围的岩体的原始应力平衡状态受到破坏，应力重新分布，达到新的平衡。
在此过程中，使岩层和地表产生连续的移动、变形和非连续的破坏（开裂、冒落等），这种现象称为“开采沉陷”（Miningsubsidence）
从研究史上来说，开采沉陷曾经用过“矿山岩层和地表移动”这个名称，有些国家仍沿用这一名称。
由于开采沉陷的力学机制（不仅仅是“移动”）正在越来越受到广大开采沉陷工作者的重视，研究领域也越来也宽（如开采沉陷的模拟、开采沉陷对环境的影响都被作为研究内容），所以，应用许多国家通用的“开采沉陷”这一名称更为合适。
1986年，在江苏省苏州市召开的全国开采沉陷学术讨论会是哪个已久这一点取得了较为一致的意见。
开采沉陷的研究对国民经济的发展和人民生活的提高都有着重要的意义。
为了进行现代化建设，需要开采大量的有用矿物，但是开采这些有用矿物产生的开采沉陷，又反过来影响和破坏岩体内和地面上的一些生产和生活设施，影响生产的发展和人民生活的提高。
要解决好这个矛盾，只有依靠对开采沉陷的深入研究。
仅仅从我国“三下”（建筑物下、水体下和铁路下）压煤的情况来看，就可以显示出开采沉陷的研究的重要性：
据1982年底的不完全统计，我国生产矿井“三下”压煤量总计达到133.48亿吨，其中建筑物下78.18亿吨、水体下（包括承压灰岩水上）36.39亿吨、铁路下18.91亿吨。
如果通过开采沉陷的研究，能将我国“三下”压煤哪怕只“解放”出来一半，就可供66个年产100万吨的大型煤矿井生产100年。
但是，到目前为止，我国从“三下”才出的煤炭尚不足7亿吨，只占整个“三下”压煤量的5%左右。
由此可见，开采沉陷的研究现状还远远不能满足生产和我国现代化建设的需要。
开采沉陷对人类生产和生活的影响早已被人们所认识。
早在15至16世纪，在比利时曾经发布过一项法令，对因进行开采而使列日城的水源（含水层）受到破坏的责任者处以死刑。
但由于开采沉陷研究不够，在本世纪初以前，因为底下开采使铁路、房屋遭到破坏，井下透水造成人员死亡的惨案时有发生。
1875年德国的约翰·载梅尔矿，由于地表塌陷是铁路的钢轨悬空、影响列车运行；1895年德国柏留克城地突然塌陷，毁坏了31所房屋；1916年日本海下采煤时，海水沿着由于开采而扩大的构造裂缝溃入井下，使得矿井全部淹没，237人死亡。
由于开采沉陷研究的重要性，各国矿山工程技术人员投入了越来越多的时间、技术和装备来进行此项研究。
前苏联、波兰、联邦德国、澳大利亚、英国、加拿大、日本和美国等国家，对开采沉陷的理论和“三下”开采技术都进行了深入的研究，并取得了丰硕的成果。
我国对开采沉陷的研究工作是从新中国成立以后开始的。
50年代起，在我国的一些主要矿区，如淮南、开滦、抚顺、阜新、峰峰、大同、鹤岗、新汶、阳泉、本溪等，先后建立了地表观测站，开展了开采沉陷观测工作。
经过近40年的努力，我国不近积累了上千条观测线的实测资料，并由此对开采沉陷的基本规律有了进一步的认识，而且还提出了具有我国特色的预计方法，在“三下”开采时间中，也取得了很大的成绩，积累了较为丰富的经验。
长期的开采沉陷理论研究和生产实践表明，开采沉陷研究设计测量、采矿、力学、电子计算机、建筑、地质等许多学科的只是。
近二三十年来，这些学科的新成果不断被引进到开采沉陷研究中来，使开采沉陷的研究得到了飞速的发展。
目前开采沉陷已经发展成为一门独立的、边缘性的学科。
但是，和生产发展及现代化建设的要求相比，目前的开采沉陷研究还显得很不够。
这就要求我们再学习前人经验的基础上，不断探索，努力在开采沉陷的理论研究、科学实验、应用技术开发和模拟、测试技术研究上多做工作，为实现我国社会主义现代化而努力奋斗。
1.2开采沉陷观测站类型
随着多年开采沉陷观测经验的积累和科学技术的发展，开采沉陷观测站的类型越来越多，概括起来有以下几种：
1.按观测站设置的地点不同可分为：
（1）地表移动观测站测点布设在地表。
主要是研究地表移动和变形的规律（本论文主要研究对象）；
（2）岩层内部观测站测点一般布设在井下巷道或岩层内部的钻孔中，用于研究岩层内部的移动和变形规律；
（3）专门观测站为了某一个特定的目的所设立的观测站，如建筑物观测站、铁路观测站、边坡移动观测站等。
2.观测站又有普通观测站和短期观测站之分。
普通观测站的观测时间较长（一般在一年以上），它是在地表移动的开始到移动结束的整个过程中定期进行观测，主要用于研究地表移动和变形的规律。
短期观测站观测时间较短（几个月到一年），只在移动过程中的某个阶段进行观测，而后对观测资料处理，求出一些近似的移动参数，如最大下沉速度、走向移动角等。
短期观测站只是在急需开采沉陷资料的情况下才采用。
这种观测站要求设站地区地质条件简单，采深较浅，开采厚度稳定，工作面均匀推进，达到超充分才懂等。
这些条件在实践中很难满足，加之求出的参数误差较大，所以目前很少设置这种观测站。
3.按布设形式的不同分为：
（1）网状观测站在产状复杂的煤层或在建筑物秘笈的地区开采时，可考虑多布设一些测点，组成网格状观测站。
网状观测站可观测整个采动范围，所得资料比较全面、准确。
单测点数目较多，野外观测和室内陈国整理工作量大，且受地形、地物条件的限制，所以只在研究专门问题时才采用，我国仅在河南平顶山矿务局和山东枣庄局的柴里矿设置过网状观测站。
（2）剖面现状观测站这是目前各矿区用得较多的一种布设形式，它是在选择的特定方向上布点成直线形。
若因条件限制不能布成直线时，可设少量转点而成折线形。
所谓特定方向是，指沿移动盆地主断面的方向。
沿走向主断面布设的观测线称为走向观测先，沿倾斜主断面布设的观测线称为倾斜观测线。
观测站通常又两条互相垂直且相交的观测线（即一条或半条走向观测线，一条或半条倾斜观测线）所组成。
因此，观测所得资料只反映观测线所在断面上的移动和变形的分布及其大小。
1.3观测站设置地点的选择
观测站设站地点的选择取决于设站的目的。
通过设站观测获得的资料，反映各种地质采矿条件的综合影响，因此要查明各种因素的影响，必须进行长期观测。
在设站观测的过程中，应遵循从简单条件到复杂条件，不断观测，积累资料，神华对移动规律的认识。
对一个矿区来说，应在开发初期就作出全面规划，明确本区要解决的主要问题及其性质。
比如是否有水下开采的问题，若存在水下压煤的问题，就要适时的观测两带高度。
又如井下开采大都是深部开采，若有井下开采任务，就应在深部开采时设站观测。
总之，在了解解决本矿区问题所需的资料和参数后，确定在哪些条件下建站。
然后随着开采工作向纵深发展，适时建站，使观测工作逐步深入和完善。
如先从单一煤层、单一工作面、地质构造简单的条件下开始观测，再进行多工作面、重复开采、有地质构造破坏及煤层产状变化大等条件下的观测和研究工作。
要解决地表沉陷的防护问题（如建筑物下和铁路下采煤），除必须掌握开采沉陷规律外，还应掌握建筑物、构建物变形、破坏与地表移动、变形的关系，了解各类保护物所害的特性及各种防护措施的效益，所以设站地点的选择是十分重要的，它直接影响到观测成果的使用价值。
另外，根据我国生产发展的具体情况及开采沉陷研究的现状，选择设站地点时，还应密切结合开采影响的实际问题。
岩层内部的移动规律及各种专门观测站的设置与观测，一般要求和地表移动观测站配合进行，才能获得可靠、全面的观测资料。
2地表岩层观测站的建立
2.1观测站设计的原则及内容
（一）设计原则
为了能够获得比较准确、可靠、有代表性的观测资料，观测站设计中，一般应遵循以下原则：
1.观测线应设在地表移动盆地的主断面上；
2.设站地区，在观测期间不受邻近开采的影响；
3.观测线的长度要大于地表移动盆地的范围；
4.观测线上的测点应有一定的密度，这要根据开采深度和设站目的而定；
5.观测站的控制点药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。
为特殊目的而建立专门观测站，可不受上述条件限制。
（二）观测站设计时，必须具备下列资料：
1.设站地区的井上下对照图和开采计划图，以便确定观测地区井下开采和地面位置的关系。
图的比例尺一般为1:
2000或1:
1000。
2.设站地区的地质和水文地质资料，包括：
地形地质图、地质柱状图、煤层赋存条件、覆岩物理力学性质、水文条件等。
3.开采工作面设计资料，包括：
巷道布置、采煤方法、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。
4.观测地区井上下测量资料，主要是：
控制点、导线点和水准点的坐标。
5.矿区已有的开采沉陷资料，如：
移动角、最大下沉角、松散度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。
（三）观测站的布设形式
根据设站目的，合理地选择观测站的布设形式是十分重要的。
目前我国矿区大多采用剖面现状观测站。
观测站的具体布置形式，见图（2-1）所示。
图2-1
观测站一般由两条观测线组成。
一条沿煤层走向方向，一条沿倾斜方向，他们互相垂直并相交。
在地表达到充分采动的条件下，通过移动盆地的平底部分都可设置观测线。
在地表未达到充分采动的条件下，观测线需设在移动盆地的主断面上。
由于我国煤矿区回采工作面大多是沿煤层走向方向较长，远远大于充分采动所要求的最小尺寸，因此为了检验观测成果的可靠性，往往在充分采动区内设置两条相距50～70m的倾斜观测线，如图（2-2）所示。
图2-2
观测线的长度应保证两端（半条观测线时为一端）超出采动影响范围，以便建立观测线控制点和测定采动影响边缘。
采动影响范围内的测点为工作测点，在采动过程中影保证它们和地表一起移动，以反映地表的移动状态。
（4）设计内容
观测站设计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：
1.建立观测站的目的和任务；
2.设站地区的地形、地物及地质采矿条件；
3.观测站设计时所用的开采沉陷参数；
4.观测线的位置及长度的确定，测点及控制点的数目。
位置及其编号；
5.工作测点的控制点的构造及其埋设方法；
6.观测内容及所用仪器，与矿区控制网的连测方法，精度要求，连测得起始数据，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，编录方法；
7.经费预算：
包括观测站所需材料、购地、人工等费用的预算；
8.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，除需编写设计说明书外，还应绘制设计图。
设计图包括观测站设计平面和断面图。
图的比例尺一般与井上下对照图一致。
观测站设计图中应具有下列内容：
1.设站地区的地形、地物、地质构造、岩层柱状、煤层产状等；
2.已有的和新设计的采区巷道；
3.现有的和新设计的保护煤柱轮廓；
4.观测线的平面位置，沿观测线的断面图。
断面图上应表示出工作测点、控制点的位置及编号，岩层柱状，地质构造，煤层产状，开采位置等。
2.2观测站设计方法
不同类型的观测站设计方法不完全相同，下面仅介绍剖面线状的设计方法。
（1）确定观测线的位置
图（2—3）为长壁工作面上方地表移动观测站设计图。
煤层厚度为m，煤层倾角为α，工作面下山边界的开采深度为H1，上山边界的开采深度为H2。
图2—3中1—2表示工作面开切眼的位置，3—4表示停采线的位置，1—3为运榆巷，2—4为通风平巷，并假定在3—4以外有足够长的煤柱（如工业场地煤柱或井田边界煤柱等），其余要素如图所示。
因工作面的走向长度D1+D2+D3＞1.4H0+50m，如需要，可考虑通过充分采动区设置两条间隔大于50m的倾斜观测线（也可只没一条倾斜观测线），沿煤层走向设置半条走向观测线。
根据已给出的煤层走向和倾向方向，按矿区已有的沉陷资料，在平面图上分别确定走向和倾斜观测线的位置。
1．确定倾斜观测线的位置
根据已给出的设计工作面情况，可通过充分采动区设计两条倾斜观测线R1R3和R4R6。
假设已知充分采动角φ1，φ2，φ3移动角δ、β、γ，移动角修正值∆δ、∆β、∆γ以及最大下沉角θ等沉陷参数。
为了使倾斜观测线R1R3不受邻近开采的影响，在走向主断面图（图2—3C）上，自开切眼用δ—∆δ和φ向工作面推进方向划线，相交于地表E点，R1R3观测线必须设在工作面推进方向上超过E点的位置。
也就是说，倾斜观测线R1R3到开切眼的距离D1应为
式中δ———走向移动角；
∆δ———走向移动角的修正值；
H0——回采工作面平均开采深度；
h——松散层厚度；
φ——松散层移动角。
如果在工作面推进过程中没站，倾斜观测线R1R3到邻近工作面的距离，除应满足D1外，还应考虑观测站设计到第一次观团之间工作面的推进距离。
此时，观测线到工作面的距离
应满足。
式中c——工作面的推进速度，
t——观测站设计到第一次观测的间隔时间。
为保证倾斜观测线R4R6通过充分采动区，观测线到停采的距离D3必须满足下列条件：
式中φ3——走向充分采动角。
在矿区尚未取得充分采动角数据的情况下，可根据一般地表移动规律选用：
两条倾斜观测线的间距以D2表示，要求D2＝50—70m。
在地表未达到充分采动的情况下设置倾斜观测线时，为了保证观测线设在移动盆地主断面上，一般是通过采空区中心作垂直煤层定向的断面，此断面即为倾斜主断面，也是倾斜观测线所在的位置。
如在工作面推进过程中设站，应考虑站的设计到第一次观测的间隔时间内工作面的推进距离。
2．确定走向观测线R7R9的位置
走向观测线应设在移动盆地的走向主断面上，走向观测线位置的确定如图2—3a所示。
具体的确定方法是：
在倾斜主断面（图2—3b）上，从采空区中心用最大下沉角θ划线与地表相交于O点，通过O点作平行煤层走向的垂直断面，此断面所在的位置就是走向观测线的位置。
观测线位置确定的准确与否，宜接影响到观测资料的质量，因此，在观测站的设计中，要求所用参数尽量准确。
观测线位置除应满足上述条件之外，还应考虑地形、地物以及便于测点埋设和进行观测等条件。
（二）观测线长度的确定
观测线的长度应超过移动盆地边界一段距离，以便确定移动盆地的边缘。
设站时，移动盆地边界是根据本矿区已有的沉陷参数或条件类似的其它矿区的参数确定的。
1．倾斜观测线长度的确定
倾斜观测线的长度是在移动盆地的倾斜主断面（图2—3b）上确定的。
具体方法是：
自采区的上、下边界分别以γ—∆γ和β—∆β划线与基岩和松散层接触面相交，再从交点以φ角划线交于地表A、B（或C、D）点，AB段（或CD段）即为倾斜观测线的工作长度。
此段长度亦可按下式计算：
式中L——工作面倾斜长度；
γ——上山移动角；
β——下山移动角；
∆β——上山移动角的修正值；
∆γ——下山移动角的修正值；
H1、H3——分别为采区下边界和上边界的开采深度。
2．走向观测线长度的确定
为了保证观测线不受邻近开采的影响，并使观测线位于移动盆地主断面上，一股情况下（首采工作面除外），走向观测线只设半条（如图2—3c）。
具体做法是：
自开切眼向工作面推进方向，以角值（δ—∆δ）划线与基岩和松散层交接面相交，再从交点以φ角划线与地表相交于E点。
E点便是不受邻区开采影响的边界点。
在工作面停采线处，向工作面外侧用（δ—∆δ）角划线与基岩和松散层接触面相交于一点，再从此交点用φ角划线交地表于点F。
在FE方向上设走向观测线。
要求走向观测线和倾斜观测线垂直、相交，并稍微超过交点一段距离（约2至3个测点间距）得G点（G点不得超过E点），FG段便是走向观测线的工作长度。
如果有条件，也可设一条走向观测线，其长度HF按下式计算：
式中l——工作面走向长度。
观测站设计中所使用的倾斜煤层下山移动角的修正值∆β和急倾斜煤层底板移动角的修正值∆λ，可根据表（2-1）按不同倾角α确定。
煤层上山和走向移动角的修正值∆γ、∆δ一般取20º，松散层移动角不加修正值。
加入移动角修正值的目的是使观测线长度超过盆地边界一段距离。
表2-1移动角修正值
煤层倾角α
（º）
∆β
（º）
∆λ
（º）
煤层倾角α
（º）
∆β
（º）
∆λ
（º）
0
20
50
11
10
17
60
9
10
20
15
70
7
10
30
13
80以上
6
10
40
12
（三）测点数目及其密度
观测线上的到点数目及其密度，主要取决于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，一般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，以反映地表点的移动情况。
因此，要求测点的埋设深度在本地区的冻土深度以下0.5m，并保证它和土层密实固结，以使测点和地表一起移动。
工作测点应有适当的密度。
为了以大致相同的精度求得移动和变形值及其分布规律，一段工作测点采用等间距。
测点密度除与采深（表2-2）有关外，还取决于设站的目的。
例如，为了较淮确地确定移动盆地边界或最大下沉点的位置，可在移动盆地边界附近或盆地中心部位适当加密测点。
确定观测线上测点位置冰还应在允许条件下考虑到便于埋点和观测。
表2-2测点密度
开采深度m
点间距离m
开采深度m
点间距离m
<50
5
200~300
20
50~100
10
>300
25
100~200
15
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，应以控制点的空间位置（坐标x、y、z）做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，每端不得少于两个，如因地形、地物等条件的限制，只能在观测线一端设控制点时，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50~100m。
观测线和测点的设计位置确定以后，就可格它们展绘到观测站设计平面团上。
2.3观测站的设置
在工作面开始回采之前，或工作面虽已开始回采，但至观涸燃还育足够距离，并且移动尚未波及到设站地区地表时，就应将设计好的观测站标定到实地上。
其方法是：
在观测站设计平面图上，利用观测站附近的矿区控制点确定各观测线及观测线上各测点的
平面位置，如图（2-3）所示。
从矿区控制点T，根据设计图上量取的角值β和边长L，先标定出观测线上控制点R4，再根据a标出倾斜观测线R4R1的方向。
在两观测线交点O处，以和倾斜观测线成直角标出走向观测线R5R6的方向。
然后从O点开始在两条观测线的方向上，根指设计的测点间距，依次标出各测点的平面位置。
各测点应尽可能在一条直线上，并对各测点进行编号。
如果矿区控制点离观测站较远，则需在观测站地区进
升级会员 