顧北煤礦平面地表移動(dòng)變形觀測(cè)站設(shè)計(jì)案例目錄TOC\o"1-3"\h\u13203顧北煤礦平面地表移動(dòng)變形觀測(cè)站設(shè)計(jì)案例 188391.1測(cè)區(qū)概況 15121.1.1地層及煤層 1326511.1.2煤層頂、底板條件 241511.1.3地質(zhì)構(gòu)造 2273181.1.4水文地質(zhì) 3318421.2設(shè)計(jì)原則及依據(jù) 3204321.2.1設(shè)計(jì)原則 3144361.2.2設(shè)計(jì)技術(shù)資料 485801.3地表移動(dòng)觀測(cè)線設(shè)計(jì) 4233601.4測(cè)點(diǎn)設(shè)計(jì)及埋設(shè) 5301171.4.1測(cè)點(diǎn)設(shè)計(jì)坐標(biāo) 568751.4.2測(cè)點(diǎn)的測(cè)設(shè)位置 5113851.4.3測(cè)點(diǎn)結(jié)構(gòu)及埋設(shè) 662841.5觀測(cè)成果的計(jì)算 71.1測(cè)區(qū)概況顧北煤礦地處安徽省淮南市鳳臺(tái)縣城西北23km，行政區(qū)劃屬顧橋鎮(zhèn)，地處潘謝礦區(qū)的中北段。它東鄰丁集礦井，西鄰張集礦井，南鄰顧橋煤礦，是一座年設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力800萬(wàn)噸的超大型礦井。測(cè)區(qū)所處淮南市地處亞熱帶與暖溫帶過(guò)渡地帶，氣候條件良好，主要?dú)夂蛱卣饔校捍簻刈兓療o(wú)常、夏雨集中（占全年雨量的50%）、春雨次之、秋雨偏少、冬雨偏少，年累計(jì)平均降水量937.2毫米。秋高氣爽，冬干夏涼，季風(fēng)明顯，四季如春。累計(jì)年均氣溫15.3°C。無(wú)霜期長(zhǎng)，最長(zhǎng)261天，最短179天，平均224天。凍土深度0.3m。顧北井田北起F86斷層（落差25~70m），南至F211斷層（落差7~70m），西至各煤層隱伏露頭，東至39458300經(jīng)、F93斷層（0~26m）和8煤-650m底板等高線的垂直投影線。全井田北東向長(zhǎng)約7.5km，北東向傾斜寬度約4.5~5.0km，總面積約為36.0km2。全井田共有地質(zhì)儲(chǔ)量（由于沒(méi)有D級(jí)所以都屬于工業(yè)儲(chǔ)量）674.2001Mt，可采儲(chǔ)量319.453Mt。其中一水平196.1563Mt（-650m以上），二水平123.2967Mt。礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力300萬(wàn)噸，開(kāi)采水平二個(gè)開(kāi)采，現(xiàn)有開(kāi)采水平-648m。該礦采用中央并列的通風(fēng)系統(tǒng)，其通風(fēng)形式是機(jī)械抽出負(fù)壓通風(fēng)。1.1.1地層及煤層顧北井田是一個(gè)全隱蔽含煤區(qū)，鉆探所至的地層從老到新分別是奧陶系，石炭系，二疊系以及新生界。共有C13-1、B11-2、B8、B7-2、B6、B4-1、A1計(jì)7個(gè)可采煤層，其中C13-1、B11-2、B8、B6、A1為主采煤層，平均總厚度17.94m，各煤層賦存穩(wěn)定，傾角一般5~15°。（1）顧北井田C13-1煤層的分布面積不大，只分布于井田的北翼，其他位置由于沖刷而丟失。煤層厚度1.7~5.25m，平均厚度3.65m；煤層傾角在5~159之間，構(gòu)造比較簡(jiǎn)單，常夾矸1~2層，夾矸的厚度在0.02~0.2m之間；煤層主要為暗煤，其次是亮煤，屬于半暗色~半亮型煤；f=1.0~1.0。（2）B6-2煤層賦存穩(wěn)定，全井田均可開(kāi)采，煤層厚度1.3~3.25m，平均1.25m；煤層構(gòu)造簡(jiǎn)單，通常夾矸1層，煤層傾角為5~15°。暗煤占優(yōu)勢(shì)，亮煤次之，屬于半暗~半亮型煤；主要呈粉末狀，f=1.0~1.0之間。（3）B8煤層相對(duì)穩(wěn)定，井田全境部分可開(kāi)采，井田北部由于沖刷導(dǎo)致局部煤層減??；煤層厚度0.45~4.67m，平均1.74m。煤層構(gòu)造簡(jiǎn)單，偶爾夾有一層或兩層夾矸；夾矸厚0.01~0.04m，煤層主要為暗煤，其次為亮煤，為半暗~半亮型煤；主要呈粉末狀，f=1.0~1.5之間；煤層傾角為5~15%。（4）B7煤層的發(fā)育并不穩(wěn)定，整個(gè)井田僅部分可開(kāi)采，偶爾夾有一層夾矸，煤層主要為暗煤，其次為亮煤，為半暗至半亮型煤；以破碎、塊狀為主，f=1.0~1.5，煤層厚度在0~1.94m之間，平均1.17m。（5）B6-2煤層穩(wěn)定發(fā)育，全井田都可開(kāi)采，是主要采煤層；煤層厚度1.7~8.25m，平均4.65m，常夾矸2~3層，夾矸厚度0.02~0.06m，煤層傾角為5~15°。煤層主要是暗煤、其次是亮煤、屬于半暗色~半亮色型煤、粉末狀、f=1.0。左，右。（6）A1煤層穩(wěn)定發(fā)育，整個(gè)井田都能開(kāi)采，是主要的采煤層；煤層厚度1.78~10.38m，平均厚度4.65m；煤層構(gòu)造比較復(fù)雜，具有0~3層夾矸；偶有四層，部分夾矸厚1.52m，煤層傾角為5—15°。煤層主要為暗煤，其次是亮煤，屬于半暗色~半亮型煤；粉末狀居多，f=1.0~1.5之間。1.1.2煤層頂、底板條件C13-1煤層頂板以泥巖為主，局部發(fā)育細(xì)砂巖；底板大部分為粘土巖。B6-2煤層頂板以中細(xì)砂巖和砂質(zhì)泥巖的互層為主，部分泥巖發(fā)育。B8煤層因沖刷，煤層頂板以中細(xì)砂巖為主，煤層底板常以泥巖為主，厚度一般在2~5m之間。B7煤層頂板以泥巖為主，局部有砂質(zhì)泥巖的底板。B6-2煤層頂板以砂質(zhì)泥巖為主，底板呈砂泥互層分布，厚度一般在3~5m之間，脆性大，容易形成離層。B4-1煤層頂板以泥巖為主，局部發(fā)育中、細(xì)砂巖，底板泥巖厚度一般在4~5m之間，脆性大、易破碎。A1煤層頂板以砂質(zhì)泥巖為主，滑面發(fā)育；底板由砂巖或砂泥互巖組成，厚度通常在8~11m之間，下距過(guò)大。灰質(zhì)17m，脆性大，滑面和裂隙均較為發(fā)育。1.1.3地質(zhì)構(gòu)造顧北井田地處陳橋背斜東翼，整體構(gòu)造形態(tài)呈北東向展布的單斜結(jié)構(gòu)，層位斜緩。在區(qū)域構(gòu)造作用下，存在著不均勻發(fā)育的次級(jí)寬緩褶曲及斷裂，已查明落差在20m以上的斷裂共26處，正斷層24處，逆斷層2處。另外還有幾條落差在20m以下斷層。斷層的走向主要為北西一南東向和北東一南西向，其中井田中部X狀共扼斷層，發(fā)育斷層把井田分成四個(gè)塊段，即F89~F92、F92~F104、F104~F110、F110~F211。因落差為3~20m斷層對(duì)機(jī)械化采煤工作面布置也有影響，所以有必要對(duì)落差3~20m分布斷層進(jìn)行考慮。F89~F92區(qū)塊，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、斷層稀疏，受機(jī)械化開(kāi)采的影響不大；F92~F104區(qū)塊內(nèi)斷層眾多，X狀斷層十分發(fā)育，煤層切割成小塊段；F104~F110區(qū)塊段的斷層也很少，斷層間距很大；在F110~F211區(qū)塊剖面上落差大于20m的斷層間距較近。1.1.4水文地質(zhì)顧北井田含水層組主要為新生界松散層砂層空隙，二疊系砂巖裂隙水及石灰?guī)r巖溶裂隙水。本井田新生界地層從上到下大致可以劃分為四個(gè)含水組，四個(gè)隔水組，一個(gè)碎石層。其中四含（底部含水組）厚30~80m，直接與七線北側(cè)基巖接觸，為基巖含水組補(bǔ)給水源。二疊系砂巖裂隙含水組多分布于可采煤層間，富水性較弱，靜儲(chǔ)存量占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，為礦井開(kāi)采過(guò)程中直接充水水源。石炭系太灰?guī)r上與A1煤層層間距通常在16~20m之間，含水組灰?guī)r巖溶裂隙發(fā)育不全，隨A組煤采出程度增加，灰?guī)r水會(huì)越來(lái)越多地威脅安全，它將是礦井突水最主要的充水水源。斷層導(dǎo)水性強(qiáng)：井田內(nèi)斷層帶多為泥巖及粉，細(xì)砂巖碎塊充填且膠結(jié)狀發(fā)育，平時(shí)起到相對(duì)隔水效果，但如受斷層切割影響，層位對(duì)等，采動(dòng)作用下斷層活化和抗壓強(qiáng)度較弱的斷層帶極有可能是地下水突饋發(fā)生的主要方式。顧北礦一級(jí)（=650m）前期開(kāi)采13.1~4.1煤層正常涌水量522m/h、最大涌水量917m3/h。1.2設(shè)計(jì)原則及依據(jù)1.2.1設(shè)計(jì)原則地表移動(dòng)觀測(cè)站用于測(cè)定地質(zhì)采礦條件及移動(dòng)變形之間的相互關(guān)系，其設(shè)計(jì)是否合理直接影響成果的精度，綜合運(yùn)用測(cè)量學(xué)及汗采沉陷等學(xué)科，為能得到較為精確，可靠和具有代表性的觀測(cè)數(shù)據(jù)，在觀測(cè)站設(shè)計(jì)時(shí)，通常要遵循以下幾個(gè)原則：（1）觀測(cè)線均須設(shè)置于地表移動(dòng)盆地中的苊斷面；（2）由于煤田開(kāi)采是劃分不同的采區(qū)進(jìn)行掘進(jìn)開(kāi)采，對(duì)其中的一個(gè)工作面進(jìn)行變形觀測(cè)時(shí)，應(yīng)充分考慮本測(cè)區(qū)的所有觀測(cè)站不會(huì)受到其他工作面開(kāi)采的影響。變形觀測(cè)工作通常歷時(shí)較長(zhǎng)，從一年到幾年不等，所以觀測(cè)站的設(shè)計(jì)需綜合考慮煤礦近年來(lái)開(kāi)拓計(jì)劃；（3）須保證觀測(cè)線比地表移動(dòng)盆地范圍長(zhǎng)。在變形觀測(cè)作業(yè)完成之后，需依據(jù)觀測(cè)資料求出工作面沉陷移動(dòng)盆地邊，并在此地質(zhì)條件下求出邊界角、移動(dòng)角以及其他參數(shù)；（4）觀測(cè)線觀測(cè)站要求有一定密度以保證觀測(cè)站能代表性地反映地表運(yùn)動(dòng)和變形特征。從地表移動(dòng)，變形的規(guī)律來(lái)看，開(kāi)采深度在100m時(shí)觀測(cè)站間距可取10m；開(kāi)采深度200m時(shí)觀測(cè)站間距可取15m；開(kāi)采深度100m時(shí)可取20m；大于300m，取距為25m。根據(jù)淮南地區(qū)煤層埋藏深度（600-1000m），地表松散層厚度（超厚）及該區(qū)以往觀測(cè)經(jīng)驗(yàn)，觀測(cè)站可取等間距30m；（5）為能得到移動(dòng)盆地邊緣地區(qū)及最大下沉點(diǎn)，觀測(cè)線邊緣地區(qū)及兩觀測(cè)站交叉點(diǎn)處，可以適當(dāng)加密觀測(cè)站設(shè)計(jì)，即將測(cè)站點(diǎn)間距適當(dāng)縮小。（6）觀測(cè)站控制點(diǎn)應(yīng)選擇在移動(dòng)盆地外，以保證控制點(diǎn)免受地表移動(dòng)和變形。1.2.2設(shè)計(jì)技術(shù)資料為了設(shè)計(jì)顧北礦北一采區(qū)首采面的地表移動(dòng)觀測(cè)臺(tái)站，特搜集和整理如下數(shù)據(jù)：（1）設(shè)站地區(qū)的井上井下對(duì)照?qǐng)D以及開(kāi)采計(jì)劃圖，主要用來(lái)確定井下開(kāi)采與地面間的準(zhǔn)確關(guān)系以及首采面和接替工作面間的關(guān)系。同時(shí)摸清鄰近工作面開(kāi)采方案，確保觀測(cè)站設(shè)計(jì)時(shí)控制點(diǎn)位置不受開(kāi)采影響。（2）設(shè)站地區(qū)的地質(zhì)資料和水文地質(zhì)資料，包括鉆孔柱狀圖和水文條件等。（3）工作面的設(shè)計(jì)參數(shù)，主要包括：巷道布置、采煤方法、頂板管理方法、開(kāi)采厚度、工作面推進(jìn)速度及回采時(shí)間等。（4）觀測(cè)地區(qū)井上測(cè)量數(shù)據(jù)，包括：高等級(jí)平面控制點(diǎn)與高程控制點(diǎn)，作業(yè)單位，坐標(biāo)系統(tǒng)（投影帶，投影面，中央子午線的準(zhǔn)確性）與高程系統(tǒng)，實(shí)測(cè)等級(jí)，年代，數(shù)據(jù)處理方法，精度，草圖，點(diǎn)之記。（5）礦區(qū)原有的開(kāi)采沉陷資料，例如移動(dòng)角、最大下沉角、充分采動(dòng)角、松散層移動(dòng)角以及其他相關(guān)參數(shù)。1.3地表移動(dòng)觀測(cè)線設(shè)計(jì)采區(qū)復(fù)采開(kāi)始前25天填筑工作點(diǎn)樁，盡量將工作樁中心置于兩端控制點(diǎn)的接線處，樁身高度應(yīng)滿足設(shè)計(jì)要求，樁身下表面應(yīng)比局部?jī)鐾辆€低0.5m。在點(diǎn)固化觀測(cè)中，在約10～15天后，測(cè)站區(qū)域的連接測(cè)定完成，此時(shí)未開(kāi)始再采集。在礦區(qū)已建立一級(jí)控制網(wǎng)的基礎(chǔ)上，對(duì)站點(diǎn)的平面位置和標(biāo)高進(jìn)行了測(cè)量，并利用測(cè)量資料確定了測(cè)量站點(diǎn)的平面位置，確定了開(kāi)采工作面與測(cè)量站點(diǎn)之間的相關(guān)關(guān)系，確定了井上與井下的對(duì)應(yīng)關(guān)系。連接測(cè)量完成后，在地表移動(dòng)開(kāi)始前，對(duì)作業(yè)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行兩次觀測(cè)，≤5天間隔，對(duì)各測(cè)量點(diǎn)的平面位置和高程進(jìn)行觀測(cè)、各測(cè)量點(diǎn)之間的距離、各測(cè)量點(diǎn)向觀測(cè)線上方的偏差距離等，達(dá)到準(zhǔn)確確定地表移動(dòng)開(kāi)始前的作業(yè)測(cè)量點(diǎn)空間位置的目的。在采集前，對(duì)每個(gè)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行2次測(cè)量，2次測(cè)量同一點(diǎn)的標(biāo)高差≈10mm、分支差≈30mm、同一側(cè)的長(zhǎng)度差≈4mm，將其平均值作為觀測(cè)所的原始觀測(cè)數(shù)據(jù)。地表穩(wěn)定后，對(duì)各測(cè)點(diǎn)進(jìn)行最后綜合觀測(cè)（又名最終觀測(cè)），連續(xù)6個(gè)月地表各點(diǎn)累計(jì)下沉值小于30mm時(shí)，判斷地表處于穩(wěn)定狀態(tài)。在首次觀測(cè)和最終觀測(cè)之間適當(dāng)加強(qiáng)水準(zhǔn)測(cè)量工作，稱為日常觀測(cè)。當(dāng)采掘工作面推進(jìn)寬度達(dá)到采掘深度0.2-0.5倍時(shí)，應(yīng)在預(yù)沉陷區(qū)域內(nèi)選取幾個(gè)工作測(cè)點(diǎn)，按照4等水準(zhǔn)測(cè)量精度要求每3-5天測(cè)量一次水準(zhǔn)，監(jiān)測(cè)地表是否開(kāi)始運(yùn)動(dòng)。在地表出現(xiàn)移動(dòng)的情況下，一般每隔1～3個(gè)月重復(fù)進(jìn)行水平測(cè)量，觀測(cè)間隔時(shí)間應(yīng)根據(jù)地表下沉速度適當(dāng)調(diào)整。在移動(dòng)活躍階段，需要增加下沉較多地區(qū)的水準(zhǔn)觀測(cè)次數(shù)。1.4測(cè)點(diǎn)設(shè)計(jì)及埋設(shè)1.4.1測(cè)點(diǎn)設(shè)計(jì)坐標(biāo)顧北礦北一采區(qū)12326工作面地表移動(dòng)觀測(cè)站的測(cè)點(diǎn)設(shè)計(jì)坐標(biāo)，是從1:5000的CAD地形圖中直接采集的，具體取樣時(shí)，需結(jié)合當(dāng)?shù)氐匦螚l件、規(guī)劃使用觀測(cè)方法等因素進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整和變更。根據(jù)站點(diǎn)條件在字段中選擇控制點(diǎn)。圖1顧北煤礦構(gòu)造綱要及分區(qū)示意圖1.4.2測(cè)點(diǎn)的測(cè)設(shè)位置1.測(cè)設(shè)原則開(kāi)展監(jiān)測(cè)點(diǎn)選址測(cè)設(shè)中，利用GPSRTK技術(shù)開(kāi)展坐標(biāo)具體測(cè)設(shè)。測(cè)設(shè)時(shí)應(yīng)注意如下幾個(gè)方面：1）點(diǎn)位測(cè)設(shè)之前，需對(duì)控制點(diǎn)坐標(biāo)和穩(wěn)定性作有關(guān)檢查。用RTK測(cè)設(shè)點(diǎn)位時(shí)測(cè)設(shè)距離不宜大于10km。2）點(diǎn)位測(cè)設(shè)完成后，應(yīng)對(duì)這些測(cè)設(shè)點(diǎn)進(jìn)行一定數(shù)量抽樣檢查。3）按設(shè)計(jì)坐標(biāo)測(cè)設(shè)點(diǎn)條件差、不便埋設(shè)或者給后期觀測(cè)帶來(lái)一定影響時(shí)需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地形地物條件安排有關(guān)人員，適當(dāng)調(diào)整測(cè)點(diǎn)位置，記錄真實(shí)位置坐標(biāo)。像這樣時(shí)，要適當(dāng)?shù)卦黾佑^測(cè)點(diǎn)而非減少。1.實(shí)地放樣按設(shè)計(jì)點(diǎn)位坐標(biāo)實(shí)地放樣控制點(diǎn)及監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置。因顧北礦北一采區(qū)空氣環(huán)境良好，在實(shí)地放樣過(guò)程中使用了RTK放樣。放樣時(shí)根據(jù)實(shí)地條件及周圍環(huán)境作適當(dāng)點(diǎn)位調(diào)整。受條件所限，并為便于觀測(cè)與設(shè)站，觀測(cè)線基本沿著公路、田埂與林地的布局。I，II采區(qū)觀測(cè)站共同布設(shè)，觀測(cè)線全長(zhǎng)約4.0km，共布設(shè)工作測(cè)點(diǎn)161個(gè)，控制點(diǎn)4個(gè)，觀測(cè)實(shí)踐認(rèn)為，上安公路具有重要意義，另增加測(cè)點(diǎn)20個(gè)。主要由3條傾向觀測(cè)線組成，半向觀測(cè)線1條。傾向I線（點(diǎn)號(hào)Z35-Z74），位于I03（1）、I03（2）、I03（3）工作面以上測(cè)線長(zhǎng)度為802m，測(cè)點(diǎn)平均間距為20m；傾向II線（點(diǎn)號(hào)Z155-G20），從II03（1）、II03（2）工作面以上傾斜穿過(guò)，測(cè)線長(zhǎng)度1027m，平均間距33m；傾向III線（點(diǎn)號(hào)Z8-Z35），位于I03-1（1）、I03（4）工作面以上測(cè)線長(zhǎng)度為548m，測(cè)點(diǎn)平均間距為21m；走向I線（點(diǎn)號(hào)Z99-Z128），在II03（1）工作面以上，測(cè)線長(zhǎng)度594m，平均間距20m。1）系統(tǒng)構(gòu)成RTK。RTK系統(tǒng)包括GPS接收設(shè)備，數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備，軟件系統(tǒng)三大部分。（1）GPS接收設(shè)備GPS接收設(shè)備采用雙頻接收機(jī)并分別置于基準(zhǔn)站與移動(dòng)站。GPS雙頻接收機(jī)觀測(cè)到的值不但精度較高，而且利于整周未知數(shù)的快速求解。若基準(zhǔn)站服務(wù)于多個(gè)用戶，則基準(zhǔn)站接收機(jī)采樣率定應(yīng)滿足移動(dòng)站接收機(jī)采樣率之和。（2）數(shù)據(jù)傳輸裝置數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備包括基準(zhǔn)站無(wú)線點(diǎn)發(fā)射臺(tái)及用戶站接收機(jī)，也稱數(shù)據(jù)鏈，功率及頻率的選取關(guān)系到基準(zhǔn)站與用戶站之間的距離，氣環(huán)境質(zhì)量及數(shù)據(jù)傳輸速度。（3）軟件系統(tǒng)方面RTK系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)要求有支持實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量軟件系統(tǒng)質(zhì)量與功能對(duì)保證實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量可行性及測(cè)量結(jié)果精確性與可靠性起著關(guān)鍵作用。2）RTK放樣的步驟（1）引入設(shè)計(jì)坐標(biāo)。顧北礦北部~采區(qū)平面設(shè)計(jì)圖。上首先直接得到該點(diǎn)設(shè)計(jì)坐標(biāo)并導(dǎo)入測(cè)量手簿，做好該點(diǎn)放樣前準(zhǔn)備工作。（2）基準(zhǔn)站安裝和設(shè)置。基準(zhǔn)站應(yīng)架于地勢(shì)高峻、周圍能見(jiàn)度良好、周圍空曠之處，以確保能夠正常接收及傳送信號(hào)。參考站設(shè)置時(shí)，中心子午線為117°，高度截止角為10"。（3）設(shè)立流動(dòng)站。基準(zhǔn)站建立后應(yīng)建立流動(dòng)站，修正坐標(biāo)。（4）點(diǎn)放樣。采用已引入點(diǎn)位設(shè)計(jì)坐標(biāo)及轉(zhuǎn)換參數(shù)實(shí)現(xiàn)RTK放樣方式下放樣，放樣過(guò)程中要對(duì)點(diǎn)位做適當(dāng)調(diào)整才能保證點(diǎn)位位置能夠保障后期觀測(cè)工作順利開(kāi)展。1.4.3測(cè)點(diǎn)結(jié)構(gòu)及埋設(shè)