矿井工作面地表移动观测站设计与研究

魏朋WEI Peng；危威WEI Wei；张清鸾ZHANG Qing-luan

（昆明理工大学国土资源工程学院，昆明 650093）

（Faculty of Land Resource Engineering，Kunming University of Science and Technology，Kunming 650093，China）

0 引言

中国的主要能源，在国民经济发展中占有重要的地位，2001年煤炭占中国一次能源总量的76.3%，比2000年提高4.3%；占消费总量的68.7%，比2000年提高0.9%[1]。由于对矿山资源进行大规模的开采，虽然给人类带来了巨大的经济效益和社会效益，也对人类生存环境产生了一系列的影响。其中，矿山的开采对环境的影响是非常重要的。在对地下层的煤进行开采时，就会对开采区域的周围岩体的原始应力的平衡状态进行破坏，应力就需要重新分布，打开新的平衡。在开采过程中，开采煤层的周围岩层遭到破坏会开裂、冒落等，在开采面积达到一定的范围后，就会波及到地表，使地表产生沉陷，随之破坏沉陷区范围内的农田、房屋及其建（构）筑物，这种现象被称为“开采沉陷”（Mining subsidence）[2-3]。矿山的开采还会引起地表移动和变形，严重的还会影响下沉盆地范围内的建筑物、河流以及铁路和管道等建筑物，使其原有的状态的到改变，甚至破坏。而开采所引起的环境问题大多造成岩层和地表移动。而开采沉陷造成环境灾害主要有土地塌陷或积水以及农田减产或绝产，严重的还会使道路塌陷、裂缝、房屋变形破坏等[4]。因此，开采沉陷的防治是一项极其重要的、刻不容缓的工作。

1 工作面地表移动观测站设计

1.1 观测站设置 综合矿井地质采矿条件、工作面上方地面的地形条件，可以沿煤层走向方向设置一条走向观测线，方便控制点和监测点监测；而两观测线构成矿山工作面地表移动观测站[5]。观测站共设置控制点9 个（各条观测线两端分别设置3 个控制点，间距50m～100m），监测点93个，观测线总长度2300m。

表1 观测站情况统计表

选用开采沉陷参数[3]，为：

移动角：γ=65°38'，β=65°38'，δ=60°54'；

最大下沉角：θ=89°。

1.2 走向观测线的位置和长度的确定从采空区中心用最大下沉角划线与地表相交于点，通过点作平行煤层走向的垂直断面就是走向观测线的位置[3]。工作面平均采深为500.1 米，因此走向观测线的位置与中心线的位置的距离为s=500.1/tan88°48'=1048 米，在下山方向。走向观测线的全长为：

式中：H0—平均开采深度，取500.1m；

H—松散层厚度，取439.7m；

δ—走向移动角；

Δδ—走向移动角修正值，煤层倾角α=5°，取值为20°；

φ—松散层移动角；取φ=45°；

l—工作面长度，取值为960m。

1.3 倾向观测线的位置和长度的确定 倾向观测线的位置到开切眼的距离为：

式中：δ—走向移动角，取值δ=60°54'；

Δδ— δ 的修正值，取Δδ=20°；

H0—平均采深，H0=500.1 米；

h—松散层厚度，取h=439.7 米；

φ—松散层移动角，取φ=45°；由此计算得d1=509.43 米。

倾向观测线的位置到停采线的距离为：

倾向观测线的长度为：

实地布设点位30 米埋设了一个观测点，个别不适宜埋点位置相邻观测点间距离稍长。由于工作面南面临近港河，所以布设半条倾向观测线，取观测线长度≥s/2，为720 米。

图1 观测站总平面布置图

2 观测站数据处理

开采沉陷的数据处理是一项复杂的工程，其数据的最大特点主要就是数据量比较大，涉及的坐标点较多，因此我们在对沉陷数据进行处理的过程中我们可以通过观测站实测数据的分析进行计算，并预计各种移动变形参数，以此绘制下沉、倾斜、曲率、水平移动、水平变形等值曲线[3]。

2.1 坐标变换在对观测资料进行整理的时候，主要目的就是求得各测点的下沉、水平移动、倾斜以及曲率和水平变形。下沉主要是由两次不同的水准测量或三角高程差来计算：水平移动分别是监测点沿观测线纵向方向和横向方向的水平移动的。为了计算两个方向的水平移动，可按实际计算的点位坐标进行坐标的变换。以走向观测线为例，求得走向观测线的坐标方位角为αA，以走向观测线方向建立假定坐标系X′OY′，则以αA作为坐标旋转角，作坐标转换即可得沿测线或垂直测线方向坐标系X′OY′中的坐标。

公式如下：

2.2 地表点移动变形计算 在以观测线方向建立的X′OY′坐标系中，相应观测点不同的两次观测的坐标差即为该测点的水平移动的横向水平移动。

任意监测点的二种移动计算公式如下：

下沉：Wi，j=Hi，j-Hi，o

水平移动：Ui，j=X′i，j-X′i，o

横向水平移动：Ti，j=Y′i，j-Y′i，o

式中：Wi，j—i 点j 次观测下沉；

Ui，j—i 点j 次观测水平移动；

Ti，j—i 点j 次观测横向水平移动；

Hi，j、Hi，o—i 点j 次和i 点首次观测高程；

X′i，j、X′i，o—i 点j 次和i 点首次观测的纵坐标；

Y′i，j、Y′i，o—i 点j 次观测和i 点首次观测的横坐标。

通过计算的地面监测点下沉和水平移动，进而可计算地面的变形值，相应的倾斜、曲率和水平变形值按下列各式计算：

2.3 地表移动变形静态特征 运用Matlab 绘制实测移动、变形分布曲线图，包括下沉曲线，水平移动曲线，横向水平移动曲线，倾斜曲线，曲率曲线，水平变形曲线。以倾向下沉曲线为例：

图2 倾向下沉曲线

3 结束语

文章根据煤矿工作面地质采矿资料以及开采沉陷观测数据对该工作面的地标移动观测站设计与数据处理进行了研究。研究取得如下结论：结合工作面地质采矿资料以及地表移动观测站设计方法，设计出观测线的位置，包括走向观测线位置和倾向观测线位置，并确定了观测线长度、测点数目及其密度。通过外业观测，得到地标移动观测数据，包括测点平面位置及高程，并利用平差软件对观测数据进行平差处理，得到各观测点在观测周期内各个时期的三维坐标。将平差后的观测点三维坐标按规定格式输出，导入到Matlab 内，并结合各移动变形曲线的计算方法编写代码进行计算，最终利用Matlab 导出下沉、水平移动、横向水平移动、倾斜、曲率和水平变形曲线，实现地表移动变形曲线的可视化。而地表移动变形曲线可以划定地表移动盆地的最外边界、危险移动边界、裂缝边界，可以很好的预测沉陷区的范围，还可为矿区下一步的安全生产提供决策支持，为矿区今后开采工作面的合理布局及煤炭的合理开采提供基础数据。

[1]刘顺国.基于制度创新的中国煤炭资源开发管理研究[D].重庆：重庆大学，2008.

[2]邹友峰等.矿山开采沉陷工程[M].徐州:中国矿业大学出版社，2003.

[3]何国清.矿山开采沉陷学[M].江苏：中国矿业大学出版社，1994.

[4]Guo G L，Zhang G L，He G Q，et al.Comprehensive treatment for mining subsidence area in East China [A].In:Xie H P，Golosinski T S，eds.Mining Science and Technology’99 [C].Rotterdam:A.A.Balkma，1999：597-600.

[5]谢锋珠.东山煤矿71505 工作面开采沉陷观测站设计[J].科技情报开发与经济，2009，19（17）：224-225.