煤矿开采与损害课件.ppt

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河南理工大学精品课程教学组开采损害与保护 §3-1概述§3-2地表移动观测站设计§3-2地表移动观测站的观测工作第三章地表移动和变形观测授课提纲一、地表移动和变形观测的基本概念二、观测站设置地点的选择（重点）一、观测站设计的原则及内容（重点）二、剖面线状观测站的设计方法（重点与难点）一、连接测量二、全面观测（重点）三、日常观测工作 §3-1概述目的：为了保护地表各种重要的建（构）筑物，使它们不受或少受开采的有害影响，为“三下”开采打下坚实的基础。任务：地表移动的过程十分复杂，它是许多地质采矿因素综合影响的结果。目前，研究地表移动的主要方法是实地观测。通过观测获得大量的实测资料，然后对这些实测资料进行综合分析，找出各种地质采矿因素对地表移动的影响规律，(一)目的和任务一、地表移动和变形观测的基本概念 观测站（ObservationStation），是指在开采进行之前，在开采影响范围内的地表，按照一定要求设置的一系列互相联系的观测点，称为工作测点（监测点）。在采动过程中它们和地表一起移动，从而反映地表的移动状态。通过定期地对这些观测点进行监测，确定其空间位置及其相对位置的变化，从而掌握地表移动变形规律。(二)观测站概念 1．按照观测站设置的地点（1）地表移动观测站地表移动观测站（GroundMovementObservationStation）是为了研究地表移动和变形的规律，在开采影响范围内的地表上所布设的观测站。（2）专门观测站专门观测站（SpecialObservationStation）是为了特定的目的所设立的观测站，如建筑物观测站、铁路观测站、边坡移动观测站等。(三)观测站的分类 2．按照观测的时间（1）普通观测站普通观测站（OrdinaryObservationStation），观测时间较长（一般一年以上），它是从地表移动的开始到结束的整个过程中定期进行观测，主要为了研究地表移动和变形的规律。（2）短期观测站短期观测站（Short-termObservationStation），观测时间较短（一般几个月到一年），它是在地表移动过程中的某个阶段进行观测。主要是为了求出一些近似的移动参数，如最大下沉速度、走向移动角等。短期观测站只是在急需开采沉陷资料的情况下才采用。（三）观测站的分类 3．按布站的形式（1）网状观测站网状观测站（ReticularObservationStation）是在产状复杂的矿层或在建筑物密集的地区开采时，将测点组成网格状观测站。优点：网状观测站可以对整个采动影响范围进行观测，所得资料比较全面、准确。缺点：测点数目较多，野外观测、内业成果处理工作量大，且受地形、地物条件的限制，所以只在研究专门问题时才采用。（三）观测站的分类 3．按布站的形式（2）剖面线观测站剖面线观测站（SectionalLineObservation）是目前各矿区用得较多的一种布站形式。它是在沿移动盆地主断面的方向上，将观测点布设成直线的观测站。通常由两条互相垂直且相交的观测线所组成。其中，沿走向主断面布设的观测线称为走向观测线，沿倾斜主断面布设观测线称为倾向观测线。（三）观测站的分类 按布站的形式进行观测站布设示意图（三）观测站的分类剖面线状观测站及其布置形式ABCDEFGR1R2R3R4回采工作面巷道巷道网状观测站布设示意图 1.应遵循从简单到复杂、从单一煤层、单一工作面、地质构造简单的条件下设置观测站；然后再进行多工作面、重复开采、有地质构造破坏及煤层产状变化大等条件下设置观测站。进而不断积累资料，深化对地表移动变形规律的认识。2.观测站设站地点取决于设站的目的。比如若是水下采煤问题，就要适时的观测两带（冒落带、裂缝带）高度；如要解决地表沉陷的防护问题（如“三下”采煤），除必须掌握开采沉陷规律外，还应掌握建（构）筑物变形与地表移动变形的关系。所以，观测站设站地点的选择十分重要。二、观测站设置地点的选择 §3-2地表移动观测站设计（一）设计原则为了获得准确、可靠、有代表性的资料：1．观测线应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，以便建立观测线控制点和测定采动影响边界；3．观测期间不受临近采区的影响；4．观测线上布置的测点应有一定密度（深度和设站目的而定）；一、观测站设计的原则及内容 §3-2地表移动观测站设计（二）观测站设计必备的资料1．1：1000或1：2000的井上下对照图和开采计划图，以便确定观测地区井下开采和地面位置的关系。2．设站地区地质和水文资料，包括地形地质图、地质柱状图、煤层赋存条件、覆岩的力学性质、水文条件。3．开采工作面的设计资料，包括巷道布置、采煤方法、顶板管理方法、开采厚度、工作面推进速度、回采时间、周围开采情况等。4．井上下测量资料，控制点的平面坐标和高程。5．矿区已有的岩移资料，如移动角、最大下沉角、充分采动角、松散层移动角等相关参数。 §3-2地表移动观测站设计（三）设计内容观测站设计包括编写设计说明书和绘制设计图（平面图和断面图）两部分工作。1．设计说明书的内容（1）建立观测站的目的和任务；（2）设站地区的地形、地物及地质采矿条件；（3）观测站设计时所用的岩移参数；（4）观测线的位置及长度的确定，监测点及控制点的数目、位置及其编号； §3-2地表移动观测站设计（5）工作测点（监测点）和控制点的构造及埋设方法；（6）观测内容及所用仪器，与矿区控制网的连测方法，精度要求，起始数据，定期观测的时间、方法及精度要求；（7）经费估算。包括观测站建站需材料、购地、青苗补偿费、人工等费用的预算；（8）观测成果的整理方法与分析步骤，要获得的成果。 §3-2地表移动观测站设计2．设计图的内容（1）设站地区的地形、地物、地质构造、煤层产状等；（2）已有的和新设计的采区巷道；（3）现有的和新设计的保护煤柱轮廓；（4）观测线的平面位置，沿观测线的断面图。断面图上应表示出工作测点位置及编号，岩层柱状，地质构造，煤层产状，开采位置等。（三）设计内容 二、剖面线状观测站的设计方法ABO(b)R1φφH2H1R2R3αθβ-Δβγ-Δγl1观测点控制点BACD(a)R11234R2R3运输平巷D1D2D3EFGR4R6R5R7R8R9通风平巷停采线开切眼(c)H0φφφφHδ-ΔδhEGKFR7R8R9l3δ-Δδδ-Δδψ煤层厚度为m，煤层倾角为α，工作面下山边界的开采深度为H1，上山边界的开采深度为H2，1-2表示工作面开切限的位置，3-4表示停采线的位置，1-3为运输巷，2-4为通风平巷，假定在3-4以外有足够长的煤柱。 （一）确定倾斜观测线位置为了使倾斜观测线R1R3不受邻近开采的影响，在走向主断上，R1R3必须设在工作面推进方向上超过E点的位置。即要保证倾斜观测线R1R3到开切眼的距离D1为BACD(a)R11234R2R3运输平巷D1D2D3EFGR4R6R5R7R8R9通风平巷停采线开切眼(c)H0φδ-ΔδR9lψδ-Δδδ-ΔδR8R7FKφφEGhHφ二、剖面线状观测站的设计方法 （二）确定走向观测线的位置走向主断面的位置的确定应在倾斜主断面上按最大下沉角θ来确定。由采空区中心向下山方向偏移一段距离d，即ABO(b)R1φφH2H1R2R3αθβ-Δβγ-Δγl1观测点控制点BACD(a)R11234R2R3运输平巷D1D2D3EFGR4R6R5R7R8R9通风平巷停采线开切眼二、剖面线状观测站的设计方法 （三）确定倾斜观测线的长度倾斜观测线的长度是在移动盆地的倾斜主断面上确定，自采区边界以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A、B两点。倾斜观测线长度AB：ABO(b)R1φφH2H1R2R3αθβ-Δβγ-Δγl1观测点控制点BACD(a)R11234R2R3运输平巷D1D2D3EFGR4R6R5R7R8R9通风平巷停采线开切眼二、剖面线状观测站的设计方法 （四）走向观测线长度确定一条走向观测线，其长度HF按下式计算：BACD(a)R11234R2R3运输平巷D1D2D3EFGR4R6R5R7R8R9通风平巷停采线开切眼(c)H0φδ-ΔδR9l3ψδ-Δδδ-ΔδR8R7FKφφEGhHφ二、剖面线状观测站的设计方法 （五）移动角修正值问题加入移动角修正值的目的是使观测线长度超过盆地边界一段距离。煤层倾角α（°）Δβ（°）煤层倾角α（°）Δβ（°）020501110176092015707301380及以上64012下山移动角修正值所使用的倾斜煤层下山移动角的修正值Δβ，可根据下表按不同倾角α确定（规程）。观测站设计中所使用煤层上山和走向移动角的修正值Δγ、Δδ一般取20°（规程）。 （六）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。为了以等精度求得移动相变形值及其分布规律，一般等间距布设。控制点埋设在观测线的两端，每端不得少于2个。若只在一端设置控制点时，控制点不得少于3个。控制点与最外端监测点的距离为50～100m。二、剖面线状观测站的设计方法开采深度（m）测点间距（m）开采深度（m）测点间距（m）＜505200～3002050～10010300～40025100～20015＞40030测点密度 在工作面开始回采之前，应将设计好的观测站标定到实地上。利用矿区控制点确定观测线及测点的平面位置。（1）根据设计图，得到标设参数β和L；（2）从矿区控制点T，先标定出观测线上控制点R4，再根据α标出倾斜观测线R4R1的方向。（3）在两观测线交点O处，标出与倾斜观测线垂直的走向观测线R5R6的方向。（4）从O点开始，根据设计的测点间距，依次标出各测点的平面位置，并对各测点进行编号。（5）观测站的控制点和工作测点一般用混凝土灌注，当地表至冻结线下0.5m内有含水层时，采用钢管式测点。三、观测站的设置（测点标设）观测站的标定混凝土桩钢管式测点 §3-3地表移动观测站的观测工作地表移动观测是在采动过程中，定期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。观测工作连接测量、全面观测、日常观测工作等。一、连接测量1．定义在观测站控制点与矿区控制网之间进行测量，以确定观测站控制点的平面位置和高程。其实质是把观测站和矿区控制网联系起来，以确定井上下对应关系。 §3-3地表移动观测站的观测工作2．时间在观测点埋好10～15天、点位固结之后，在采动前进行。3．连接测量的方法连接测量需要独立进行两次，测定方法可依据矿区控制网的分布及地形条件分别采用边交会（边、角、边角）、导线测量和水准测量等。平面连接测量是从已知坐标的控制点（或观测线的交点），按5″导线测量的精度进行。高程连接测量是在矿区水准基点测定观测站控制点的高程，以不低于三等水准测量的精度要求进行。 §3-3地表移动观测站的观测工作二、全面观测1．全面观测的内容全面观测（TotalObservation）包括各监测点平面位置和高程测量，各测点间的距离测量，以及记录地表的原有的破坏状况，并做出素描。2．全面观测的时间为了确定原始的观测数据，在采动前进行两次全面测量（两次间隔不超过5天）；为了确定移动稳定后地表各点的空间位置，需要在地表移动稳定之后再进行一次全面测量。地表稳定的条件：6个月观测地表各点的累计下沉小于30mm。 §3-3地表移动观测站的观测工作3．全面观测的方法（1）高程测量从观测站控制点开始进行水准测量。如果观测线两端或一端设有控制点，则采取附合、闭合或往返水准测量。施测按三等水准测量精度要求进行，经平差后求得各测点高程。若两点间地表倾角大于20°时，用三角高程测量，以两测回测竖直角，往返高程互差按下式计算：式中，Δh—往返高程互差，mm；l—两点间的水平距离，m。 §3-3地表移动观测站的观测工作3．全面观测的方法（2）导线测量1）距离测量（电磁波测距）各种反射棱镜电磁波测距仪光电测距仪是通过测量电磁波在待测距离D上往、返传播的时间t2D。精度指标： §3-3地表移动观测站的观测工作（2）导线测量2）角度测量经纬仪进行角度测量（分光学和电子经纬仪）南方电子经纬仪光学经纬仪索佳电子经纬仪徕卡电子经纬仪（瑞士）① §3-3地表移动观测站的观测工作（2）导线测量②全站仪进行导线测量南方电子经纬仪蔡司伺服型全站仪（德）拓扑康全站仪徕卡电子经纬仪（瑞士） 全站仪的主要特点水平角、垂直角、距离自动显示，自动计算镜站坐标、高程等数据；数据记录和存储方式多样：内存、PCMCIA卡、串口通讯；对水平角和垂直角自动进行补偿；对距离进行气象改正和仪器常数改正；§3-3地表移动观测站的观测工作提供丰富的应用程序,例如：坐标放样、导线测量、后方交会、面积计算、悬高测量等；软件可升级，支持用户开发应用程序；自动跟踪照准棱镜；无合作目标测距；（2）导线测量②全站仪进行导线测量 §3-3地表移动观测站的观测工作（2）导线测量③导线测量精度指标等级导线长度（km）平均边长（m）测角中误差（秒）测回数角度闭合差（秒）导线全长相对闭合差DJ6DJ2一级2.52505421/10000二级1.81808311/7000导线观测精度指标 §3-3地表移动观测站的观测工作三、日常观测工作为判定地表是否已开始移动，在回采工作面推进一定距离（约0.2～0.5H0）后，每隔几天进行一次水准测量（又称巡视测量或预测），如果发现测点有下沉的趋势，即说明地表已经开始移动。日常观测工作是首次和末次全面观测之间适当增加的水准测量工作。在移动过程中，要进行日常观测工作，即重复进行水准则量。重复水准测量的时间间隔，视地表下沉的速度而定，一般是每隔1～3个月观测一次。在移动的活跃阶段，增加水准观测次数。 §3-3地表移动观测站的观测工作三、日常观测工作采动过程中的水准测量，可用附合水准或水准支线的往返测量，按四等水准测量的精度要求进行。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，还要记载相应工作面位置、采厚、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。观测站的各项观测，为了保证所获得观测资料的准确性，每次观测应在尽量短的时间内完成，特别是在移动活跃阶段，水准测量必须在一天内完成，并力争做到高程测量和平面测量同时进行。 四、观测中应注意的问题（1）原始数据不得涂改转抄；（2）字迹清楚，不得连环涂改；（3）项目填写齐全，不得空页、撕页；（4）观测中不得抓、靠脚架；（5）一测回中间，不得整平。§3-3地表移动观测站的观测工作 §3-3地表移动观测站的观测工作五、观测站观测顺序观测站观测程序表观测时间观测内容观测时间观测内容1.设站后10～15天与矿区控制网连测4.地表移动活跃期全面观测、加密水准测量2.采动影响前全面测量、预测5.地表移动衰退期水准测量3.地表移动初期水准测量6.地表移动稳定后全面观测应该指出的是，自20世纪90年代以来，现代化的地表移动观测新理论、技术和设备的出现，如“3S”技术等，为快速、全面、精确的观测地表损害情况提供了优越的条件。 思考题1.什么是地表移动观测站，其设置的目的和意义是什么？2.地表观测站的分类有哪些？3.在观测站设置时应该注意哪些问题？4.观测站设计的原则与内容有哪些？5.如何确定走向和倾向方向上的观测线位置？6.如何确定走向和倾向方向上的观测线长度？7.何谓连接观测、全面观测、日常观测，其观测的目的、内容、观测方法有哪些？ 谢谢大家!