滑动构造矿区地表移动观测站的设计与建立实践

时间:2022-09-29 06:40:53

滑动构造矿区地表移动观测站的设计与建立实践

1 概述

告成井田范围内地面自然村庄及文物等较多,随着采矿生产的进行,对地面的影响范围也会日趋扩大,村庄及文物等建(构)筑物下压煤开采问题突出。21021工作面是告成矿二水平第一个正规开采的工作面,通过建立21021地表移动变形观测站,获得矿区滑动构造带下采煤地表移动角值参数和概率积分参数,可以为地面建(构)筑物留设保护煤柱以及其下压煤安全合理的设计提供理论基础和技术资料。因此,建立地面移动观测站进行地表移动规律和岩移参数的研究具有重要的理论和实际意义。

2 地表移动观测站设计

2.1观测站设计原则

(1)观测线设计在移动盆地的主断面上;

(2)观测线的长度应大于移动盆地的范围;

(3)观测期间不受临近采区的影响;

(4)观测线上应根据采深和设站的目的布置一定密度的测点;

(5)观测线的控制点应在移动盆地范围之外埋设牢固,在冻土区控制点的底面应在冻土线0.5m以下。

2.2 观测站类型及布设形式

按布站的形式分为网状观测站和剖面线状观测站。本次观测站设计类型为剖面线状普通地表移动观测站。设计走向观测线和倾斜观测线互相垂直,并且在地表移动盆地的主断面上。

告成矿21021工作面实际可采倾斜总长l1约平均约为154m,走向长度l3为900m。由于告成煤矿及附近区域尚未设置过地表移动观测站,没有岩层与地表移动的实际观测资料。根据《建(构)筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》规定,在缺少实际观测资料的矿区,可结合本区域上覆岩层岩性的综合评价系数P、地质条件、开采技术条件等确定所需参数。

其中,系数P取决于覆岩岩性及其厚度,用公式

经过计算告成煤矿二1煤层的覆岩综合评价系数P约为0.59。

根据算得的覆岩综合评价系数P值,并参照《建(构)筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中岩性综合评价系数P与岩性影响系数D的对应关系表(见表1-5),告成矿21021工作面上覆岩层岩性影响系数D为1.8。由此可知:21021工作面上覆岩层岩性综合评定为中硬偏软岩层。

表1-5岩性综合评价系数P与系数D的对应关系

坚硬 P 0.00 0.03 0.07 0.11 0.15 0.19 0.23 0.27 0.30

D 0.76 0.82 0.88 0.95 1.01 1.08 1.14 1.20 1.26

中硬 P 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50 0.55 0.60 0.65 0.70

D 1.26 1.35 1.45 1.54 1.64 1.73 1.82 1.91 2.00

软弱 P 0.70 0.75 0.80 0.85 0.90 0.95 1.00 1.05 1.10

D 2.00 2.10 2.20 2.30 2.40 2.50 2.60 2.70 2.80

根据计算分析,告成矿21021工作面观测站设计所用上覆岩层移动参数确定如下:

最大下沉角:θ = 90° - ( 0.6 ~0.7 ) α = 90° - 0.6 × 11° = 83° ;

走向移动角:δ = 75° ;

上山移动角:γ = 75° ;

下山移动角:β = δ - ( 0.6 ~0.7 ) α = 75° - 0.6 ×11° = 68° 。

3 观测线位置确定

根据告成矿采掘工程平面图可知,21021工作面是沿着走向推进,工作面的长度为154m。因此,倾向方向为非充分采动。而工作面实际走向总长约为900m,其值大于500m(1.2 H0)。所以,走向为充分采动。参照告成矿的地质采矿条件以及《煤矿测量规程》的规定,设计走向观测线半条,倾斜观测线两条。走向观测线和倾斜观测线互相垂直,且均布置在地表移动盆地的主断面上。

3.1 倾斜观测线位置的确定

首先判断地表是否达到了充分采动。如果地表在走向方向上为充分采动,将倾斜观测线布置在采空区的中心。若地表达到了超充分采动,倾斜观测线应布置在平底部分。根据告成矿实际地质采矿条件,其21021工作面地表移动沿走向为充分采动,沿倾向为非充分采动。因此,倾斜观测线布置在采空区的中心。

3.2 走向观测线位置的确定

走向观测线应位于走向主断面上,确定走向主断面的位置应在倾斜主断面上按最大下沉角θ来确定。考虑到煤层倾角的影响,观测线应向下山方向平移,由采空区中心向下山方向偏移一段距离d(图4-1),即:

图4-1最大下沉点的确定

21021工作面的平均采深H0约为415m,最大下沉角θ取83°。经上述公式计算可知,走向观测线向下山方向偏移的水平距离d=50m。

4 观测线长度的确定

4.1 倾斜观测线长度的确定

一般情况下,倾斜观测线的长度是在移动盆地的倾斜主断面上确定,自工作面边界以β Δβ和γ Δγ划线与基岩和松散层接触面相交,再以该点以角φ划线于地表交于两点,倾斜观测线长度

计算得出倾斜观测线长度L倾约为760m。

表4-8移动角修正值

矿层倾角α(°) Δ β(°) Δ γ(°) Δ δ(°)

0 20 20° 20°

10 17 20° 20°

20 15 20° 20°

30 13 20° 20°

40 12 20° 20°

50 11 20° 20°

60 9 20° 20°

70 7 20° 20°

80及以上 6 20° 20°

4. 2 走向观测线长度的确定

走向观测线的长度是在移动盆地的走向主断面上确定,为了保证观测线不受邻近开采的影响。同时,走向观测线应与倾斜观测线垂直相交,在倾斜观测线和走向观测线交点处向外延伸一定距离,加设1~ 2个观测点。

走向观测线长度L走按下式计算:

经计算,L走半盆地约为780m。

为不影响观测数据采集和分析,一般情况下,不对倾斜观测线和走向观测线的长度及位置进行调整。

4.3 测点数目及其密度

观测线上的测点数目及其密度,主要取决于开采深度和设站的目的(见表4-9)。工作测点设置在预计的移动盆地范围内观测线上,布设一般是从移动盆地中央开始向两边的移动边界布置。为了以大致相同的精度求得移动相变形值及其分布规律,一般是等间距布设。控制点应埋设在观测线的两端,每端布置2个。若只在一端设置控制点时,控制点不得少于3个。控制点与最外端工作测点的距离大于45m。观测线和测点的设计位置确定以后,将它们绘制到观测站设计平面图上。

表4-9测点密度

开采深度(m) 测点间距(m) 开采深度(m) 测点间距(m)

<50 5 200~300 20

50~100 10 300~400 25

100~200 15 >400 30

21021工作面平均开采深度约为400m,考虑到实际情况,结合表4-9,故测点间距取为25m。

在倾斜观测线和走向观测线交点处向外延伸一定距离,加设2~ 3个观测点。由于本次观测站设计类型为剖面线状普通地表移动观测站,设计走向观测线半条,长度为780m,故在走向观测线上布置至少32个测点;倾斜观测线二条,长度为760m,故在倾向观测线上布置至少31个测点。

4. 4 设置时间

在工作面开始回采之前,或者是工作面已开始回采,但至观测线还有一定的距离,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。由于观测站建立是21021工作面尚未开始回采,因此,测点不应布置过早,以防丢失。应该在开采前10天左右进行布置为宜。

4.5 设站要求

测点构造为带钢筋的梯形混凝土桩,长600mm,顶部截面积为100×100mm2的正方形,底部截面积为200×200mm2的正方形。在预制混凝土标志桩时,在其上端内镶入长约10~20cm、直径10mm左右的钢筋,在钢筋顶部刻十字丝或钻有小孔,钢筋露出混凝土桩10mm,作为测点标志的中心。

图4-3观测点及控制点构造图

图4-2 告成矿21021地表移动观测站平面布置图

5 观测站的观测要求

地表移动观测的主要内容是:在采动过程中,定期地、重复地测定观测线上各测点在不同时期内空间位置的变化。地表移动观测站的观测工作可分为观测站的连接测量、全面观测、单独进行的水准测量、地表破坏的测定和编录。

从观测内容上可以分为:(1)观测站连测;(2)全面观测(水准测量和坐标测量);(3)日常观测。

观测站的各项观测,一般情况下可参照表6-7的程序进行。

在采动过程中,不仅要及时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位置、实际采出厚度、工作面推进速度、顶板陷落情况、煤层产状、地质构造、水文条件等有关情况。

表4-17 观测站观测程序

观测时间 观测内容 观测时间 观测内容

设站10d~15d 与矿区控制网

连接测量 地表移动活跃期 全面观测、加密

水准测量

采动影响前 全面观测、预测 地表移动衰减期 水准测量

地表移动初始

阶段 水准测量 地表移动基

本稳定后 全面观测

6 结论

1)根据21021工作面的地质采矿条件和上覆岩层结构,研究滑动构造带下采煤地表移动和变形的关系;

2)研究给出岩层移动角值参数:获得本矿井滑动构造带下采煤岩层移动角、边界角、裂缝角、最大下沉角等角值参数;

3)研究地表移动和变形分布及主要预计参数:获得滑动构造带下采煤下沉系数、水平移动系数、主要影响角正切、拐点偏移距等概率积分法参数;

4)根据测量成果的具体情况,分析地表移动的时间过程:如地表移动持续时间、地表下沉速度等;

5)在上述地表移动和变形规律研究的基础上,能够优化滑动构造带下采煤地面建(构)筑物保护煤柱设计,最大限度解放地面建(构)筑物下压煤、减轻采动损害。同时,为地面建(构)筑物采动影响程度预测与评价提供理论依据。

作者简介: 曹建军(1977―),男,河南登封人,采矿工程师,主要从事采矿工程设计和生产技术管理等方面工作。

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