顧北煤礦1312(1)首采面地表移動觀測站設計

張二鋼，姜楠，李篷

(安徽理工大學 測繪學院，安徽 淮南 232001)

1 顧北礦1312(1)煤首采面的地質采礦條件

顧北礦是年設計生產能力800萬噸，為巨厚新生界松散層下開采中厚～特厚煤層的特大型現代化礦井，設計井型 3.0萬噸/年，礦井采用立井多水平、分組大巷及主要石門開拓方式，第一生產水平標高－648 m，輔助回風水平 －550 m。1312(1)工作面原設計防水煤柱線標高－468.0 m，防水煤柱 44.2 m。設計工作面長 978.6 m，寬200 m，煤厚 2.73 m ～5.57 m，平均 3.3 m，傾角3°～8°，平均 5°，開采儲量 88.1萬噸，煤層頂板最高點(－455.2 m)位于切眼上口處，該處對應的基巖面標高－426.8 m，最小防水煤柱 28.4 m。該面上覆新生界地層總厚 417.90 m～448.95 m。其中下部含水層厚 0 m～9.9 m，q=0.00495L/(s．m)，下部隔水層(含“紅層”)厚26.40 m～37.25 m分布穩定，對照“三下”開采規程劃分的水體采動等級為Ⅲ類。按照設計采厚 3.3 m，根據實測資料類比及“三下”開采規程公式計算，該面采厚垮落帶最大高度為 17.46 m，小于留設的 28.4 m最小安全煤巖柱。1312(1)首采面采用全跨落法綜合機械采煤，一次采全高，計劃工作面推進速度為 6.0 m/天，地表平坦，地物多為農田，道路，溝渠，有3個村莊要受到開采的影響。

2 1312(1)首采面觀測站設計

觀測站的設計包括觀測線的位置及長度的設計、測點和控制點的密度、編號、布設方式等。顧北煤礦1312(1)工作面地表移動觀測站由一條全走向觀測線，一條全傾斜觀測線組成。

2.1 觀測站設計采用的開采沉陷參數

設計顧北煤礦1312(1)工作面地表移動觀測站時，取用綜合開采沉陷參數為:

走向移動角δ=69°，下山移動角β=65°，上山移動角γ=68°，松散層移動角 φ=49°;最大下沉角 θ=86°。

最大下沉角θ是一個重要的移動參數，它的取值是否合理，直接影響到走向主斷面位置的準確程度。根據淮南礦業(集團)有限責任公司和中國礦業大學(北京)承擔的“十一五”國家科技支撐計劃項目“礦井深部開采安全保障技術及裝備開發”的課題三“三下”深部煤層高效高回收率開采技術子課題“淮南礦區‘三下’深部煤層巖層與地表移動規律研究”的研究結果，地表綜合最大下沉角與傾角之間的關系為θ=89.12－0.6314ln(α)。將1312(1)工作面煤層平均傾角α=5°代入上式，計算的地表綜合最大下沉角θ=88°。

2.2 走向觀測線的設計

(1)走向觀測線位置設計

由于1312(1)工作面煤層是近水平煤層，煤層傾角α=5°，按下式計算(參見圖1)。

式中:θ為最大下沉角;H0為回采工作面平均開采深度。由顧北煤礦提供的資料和井巷圖分析計算得:θ取88°;H0取 487 m。

將上述數值代入式(1)得:

即走向觀測線距工作面中心線的距離D0=17 m。因此，將走向觀測線布設在采區地表中部。

(2)走向觀測線長度的確定

1312(1)工作面走向觀測線長度按下式計算:式中:H0為回采工作面平均開采深度，h為松散層厚度，φ為松散層移動角，δ為走向移動角，△δ為走向移動角的修正值。

圖1 觀測站設計計算略圖

由顧北煤礦提供的資料和井巷圖分析計算得:

H0取487 m;h 取 440 m;φ 取 49°;δ取 69°;因煤層傾角α=5°，△δ取20°;l為工作面長度，l取 978 m。

將上述數值代入式(2)得:

考慮到開采沉陷參數的準確性，取走向線全長S走向=197 8 m，其中切眼外側 500 m，停采線向外方向500 m。

由于回采工作面走向長度 l=978 m＞1.4H0=682 m，因此移動盆地在走向上可達到超充分采動。對于監測點，顧及到設站目的和規程規范要求，點間距主體取 30 m;根據設計距離，走向觀測線共布設66個監測點(在實際放樣時，還需要根據實際地形條件進行調整)，再加6個控制點，總計72個點。測點編號自西向東進行(沿工作面推進方向)，控制點編號由兩個字符和兩位阿拉伯數字組成，順序為CL01、CL02、…CL06;監測點編號由兩個字符和兩個阿拉伯數字組成。例如，西端第一個監測點，其編號為ML01，其余的類推。其中“C”為控制點標識碼;“L”走向觀測線，“M”為監測點標識碼，其后的數字為測點的順序編號。

2.3 傾斜觀測線的設計

傾向觀測線的設計包括位置設計和長度設計。因1312(1)工作面走向采用L=978 m＞1.4H0=714 m，考慮沿傾向布設1條觀測線。

(1)傾向觀測線位置設計

①到切眼的距離D1應滿足

式中:δ為走向移動角;△δ為走向移動角的修正值;H0為回采工作面平均開采深度;h為松散層厚度;φ為松散層移動角。

由顧北煤礦提供的資料和井巷圖分析計算得:

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

將上述數據代入(3)式計算得傾斜觀測線到切眼的距離D1≥423 m。

②到停采線的距離D3應滿足:

將有關數據帶入式(4)計算得距離D3≥341 m。

由于工作面長度為978 m，傾向觀測線位置可以滿足上述要求。根據工程目標(盡快掌握開采過程中地表移動變形基本規律)和地形情況，將傾斜觀測線布設在主體離切眼約 472 m，離停采線約 506 m。

(2)傾斜觀測線長度設計

按下式計算:

式中:H1、H2分別為采區下邊界和上邊界開采深度，h為松散層厚度，β為下山移動角;α為煤層傾角;△β為下山移動角的修正值;L為工作面斜長;γ為上山移動角;△γ為上山移動角修正值;φ為松散層厚移動角。

由顧北煤礦提供的資料和井巷圖分析計算得: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°。

將上述數值代入式(5)計算得:

顧及到計算參數的精度及地形情況，取傾向觀測線長度為S傾斜=120 0 m

在傾向觀測線兩端各設3個控制點，共6個控制點。由于工作面寬度L=82 m＜1.4H0=682 m，因此移動盆地在傾向上未達到充分采動。由于傾向觀測線北端為姬古湖和港河，無法布設足夠長的觀測線，為了準確地確定移動盆地邊界，北端監測點取點間距 10 m，南端 500 m范圍內監測點取點間距 25 m，共布設監測點55個，南端外加6個控制點，共計61個點。

測點編號自北向南(下山至上山方向)順序進行。編號由兩個字符和兩位阿拉伯數字組成，取“C”為控制點標識碼，“M”為監測點標識碼，“S”為傾向觀測線，其后的數字為測點的順序編號，則控制點編號分別為 CS01、CS02、…、CS06;監測點的編號為 MS01，其余的類推。

根據以上設計方案，顧北礦1312(1)工作面的地表移動觀測站的設置情況，統計于表1中。

觀測站情況統計表 表1

3 總結

綜上所述的地表移動觀測站的設計，為傳統測量方法進行觀測的移動觀測站設計，即在形變區域建立地面控制網，并進行定期的監測，通過對數據處理及分析獲取地面形變信息，從而來預計地表的移動變形參數，為下一步的安全施工和村莊搬遷提供參考。

［1］ 何國清，楊倫，凌賡娣等．礦山開采沉陷學［M］．江蘇:中國礦業大學出版社，1991．

［2］周萬茂．地表移動觀測站布設及數據處理方法簡析［J］．煤炭開采，2000(1)．

［3］ 張國良，朱家鈺，顧和和．礦山測量學［M］．徐州:中國礦業大學出版社，1990．

［4］ 中華人民共和國能源部．煤礦測量規程［S］．北京:煤炭工業出版社，1989．

［5］ 董合祥，朱子清．地表移動觀測站的設計研究［J］．煤礦現代化，2010(1)．

［6］鄧智毅，郭俊廷，閻躍觀．厚松散層條件下邊界角和移動角求取方法［J］．礦山測量，2011(2)．

［7］孫文華．三下采煤新技術應用與煤柱留設及壓煤開采規程實用手冊［M］．中國煤炭出版社，2005．