顾北煤矿1312(1)首采面地表移动观测站设计

张二钢，姜楠，李篷

(安徽理工大学 测绘学院，安徽 淮南 232001)

1 顾北矿1312(1)煤首采面的地质采矿条件

顾北矿是年设计生产能力800万吨，为巨厚新生界松散层下开采中厚～特厚煤层的特大型现代化矿井，设计井型 3.0万吨/年，矿井采用立井多水平、分组大巷及主要石门开拓方式，第一生产水平标高－648 m，辅助回风水平 －550 m。1312(1)工作面原设计防水煤柱线标高－468.0 m，防水煤柱 44.2 m。设计工作面长 978.6 m，宽200 m，煤厚 2.73 m ～5.57 m，平均 3.3 m，倾角3°～8°，平均 5°，开采储量 88.1万吨，煤层顶板最高点(－455.2 m)位于切眼上口处，该处对应的基岩面标高－426.8 m，最小防水煤柱 28.4 m。该面上覆新生界地层总厚 417.90 m～448.95 m。其中下部含水层厚 0 m～9.9 m，q=0.00495L/(s．m)，下部隔水层(含“红层”)厚26.40 m～37.25 m分布稳定，对照“三下”开采规程划分的水体采动等级为Ⅲ类。按照设计采厚 3.3 m，根据实测资料类比及“三下”开采规程公式计算，该面采厚垮落带最大高度为 17.46 m，小于留设的 28.4 m最小安全煤岩柱。1312(1)首采面采用全跨落法综合机械采煤，一次采全高，计划工作面推进速度为 6.0 m/天，地表平坦，地物多为农田，道路，沟渠，有3个村庄要受到开采的影响。

2 1312(1)首采面观测站设计

观测站的设计包括观测线的位置及长度的设计、测点和控制点的密度、编号、布设方式等。顾北煤矿1312(1)工作面地表移动观测站由一条全走向观测线，一条全倾斜观测线组成。

2.1 观测站设计采用的开采沉陷参数

设计顾北煤矿1312(1)工作面地表移动观测站时，取用综合开采沉陷参数为:

走向移动角δ=69°，下山移动角β=65°，上山移动角γ=68°，松散层移动角 φ=49°;最大下沉角 θ=86°。

最大下沉角θ是一个重要的移动参数，它的取值是否合理，直接影响到走向主断面位置的准确程度。根据淮南矿业(集团)有限责任公司和中国矿业大学(北京)承担的“十一五”国家科技支撑计划项目“矿井深部开采安全保障技术及装备开发”的课题三“三下”深部煤层高效高回收率开采技术子课题“淮南矿区‘三下’深部煤层岩层与地表移动规律研究”的研究结果，地表综合最大下沉角与倾角之间的关系为θ=89.12－0.6314ln(α)。将1312(1)工作面煤层平均倾角α=5°代入上式，计算的地表综合最大下沉角θ=88°。

2.2 走向观测线的设计

(1)走向观测线位置设计

由于1312(1)工作面煤层是近水平煤层，煤层倾角α=5°，按下式计算(参见图1)。

式中:θ为最大下沉角;H0为回采工作面平均开采深度。由顾北煤矿提供的资料和井巷图分析计算得:θ取88°;H0取 487 m。

将上述数值代入式(1)得:

即走向观测线距工作面中心线的距离D0=17 m。因此，将走向观测线布设在采区地表中部。

(2)走向观测线长度的确定

1312(1)工作面走向观测线长度按下式计算:式中:H0为回采工作面平均开采深度，h为松散层厚度，φ为松散层移动角，δ为走向移动角，△δ为走向移动角的修正值。

图1 观测站设计计算略图

由顾北煤矿提供的资料和井巷图分析计算得:

H0取487 m;h 取 440 m;φ 取 49°;δ取 69°;因煤层倾角α=5°，△δ取20°;l为工作面长度，l取 978 m。

将上述数值代入式(2)得:

考虑到开采沉陷参数的准确性，取走向线全长S走向=197 8 m，其中切眼外侧 500 m，停采线向外方向500 m。

由于回采工作面走向长度 l=978 m＞1.4H0=682 m，因此移动盆地在走向上可达到超充分采动。对于监测点，顾及到设站目的和规程规范要求，点间距主体取 30 m;根据设计距离，走向观测线共布设66个监测点(在实际放样时，还需要根据实际地形条件进行调整)，再加6个控制点，总计72个点。测点编号自西向东进行(沿工作面推进方向)，控制点编号由两个字符和两位阿拉伯数字组成，顺序为CL01、CL02、…CL06;监测点编号由两个字符和两个阿拉伯数字组成。例如，西端第一个监测点，其编号为ML01，其余的类推。其中“C”为控制点标识码;“L”走向观测线，“M”为监测点标识码，其后的数字为测点的顺序编号。

2.3 倾斜观测线的设计

倾向观测线的设计包括位置设计和长度设计。因1312(1)工作面走向采用L=978 m＞1.4H0=714 m，考虑沿倾向布设1条观测线。

(1)倾向观测线位置设计

①到切眼的距离D1应满足

式中:δ为走向移动角;△δ为走向移动角的修正值;H0为回采工作面平均开采深度;h为松散层厚度;φ为松散层移动角。

由顾北煤矿提供的资料和井巷图分析计算得:

δ取69°;△δ取20°;H0取 487 m;h 取 440 m;φ取 49°。

将上述数据代入(3)式计算得倾斜观测线到切眼的距离D1≥423 m。

②到停采线的距离D3应满足:

将有关数据带入式(4)计算得距离D3≥341 m。

由于工作面长度为978 m，倾向观测线位置可以满足上述要求。根据工程目标(尽快掌握开采过程中地表移动变形基本规律)和地形情况，将倾斜观测线布设在主体离切眼约 472 m，离停采线约 506 m。

(2)倾斜观测线长度设计

按下式计算:

式中:H1、H2分别为采区下边界和上边界开采深度，h为松散层厚度，β为下山移动角;α为煤层倾角;△β为下山移动角的修正值;L为工作面斜长;γ为上山移动角;△γ为上山移动角修正值;φ为松散层厚移动角。

由顾北煤矿提供的资料和井巷图分析计算得:H1取498 m;H2取 477 m;h取440 m;β取 65°;α取5°;△β 取12.5°;L 取 200 m;γ 取68°;△γ 取20°;φ 取49°。

将上述数值代入式(5)计算得:

顾及到计算参数的精度及地形情况，取倾向观测线长度为S倾斜=120 0 m

在倾向观测线两端各设3个控制点，共6个控制点。由于工作面宽度L=82 m＜1.4H0=682 m，因此移动盆地在倾向上未达到充分采动。由于倾向观测线北端为姬古湖和港河，无法布设足够长的观测线，为了准确地确定移动盆地边界，北端监测点取点间距 10 m，南端 500 m范围内监测点取点间距 25 m，共布设监测点55个，南端外加6个控制点，共计61个点。

测点编号自北向南(下山至上山方向)顺序进行。编号由两个字符和两位阿拉伯数字组成，取“C”为控制点标识码，“M”为监测点标识码，“S”为倾向观测线，其后的数字为测点的顺序编号，则控制点编号分别为 CS01、CS02、…、CS06;监测点的编号为 MS01，其余的类推。

根据以上设计方案，顾北矿1312(1)工作面的地表移动观测站的设置情况，统计于表1中。

观测站情况统计表 表1

3 总结

综上所述的地表移动观测站的设计，为传统测量方法进行观测的移动观测站设计，即在形变区域建立地面控制网，并进行定期的监测，通过对数据处理及分析获取地面形变信息，从而来预计地表的移动变形参数，为下一步的安全施工和村庄搬迁提供参考。

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