地表移動觀測站的設(shè)計方法

    地表移動觀測站技術(shù)設(shè)計的內(nèi)容，包括觀測站形式、觀測線位置、觀測線長度以及觀測點點位的確定等各項工作，這些設(shè)計項目的設(shè)計方法如下。

    一、觀測站形式的確定

    一個地表移動觀測站要選擇什么樣的形式，需要根據(jù)設(shè)站的目的、采區(qū)的形狀、采區(qū)周圍的回采情況以及設(shè)站地區(qū)的地形狀況等條件來確定。開采沉陷觀測站的類型，可以按不同的方法進行分類，概括起來有以下幾種。

    1．按觀測站設(shè)置的地點不同分類

    (1)地表移動觀測站測點布設(shè)在地表，主要是研究地表移動和變形的規(guī)律。

    (2)巖層內(nèi)部觀測站測點一般布設(shè)在井下巷道或巖層內(nèi)部的鉆孔中，用于研究巖層內(nèi)部的移動和變形規(guī)律。

    (3)專門觀測站為了某一個特定的目的所設(shè)立的觀測站，如建筑物觀測站、鐵路觀測站、邊坡移動觀測站等。

    2．按觀測時間長短分類

    (1)普通觀測站觀測時間較長（一般在一年以上），它是在地表移動的開始到移動結(jié)束的整個過程中定期有計劃地進行觀測，主要用于研究地表移動和變形的規(guī)律。

    (2)短期觀測站觀測時間較短（幾個月到一年），只在移動過程中的某個階段進行觀測，而后對觀測資料處理，求出一些近似的移動參數(shù)，如最大下沉速度、走向移動角等。短期觀測站求出的參教誤差較大，所以目前很少設(shè)置這種觀測站。

    3．按布站形式的不同分類

    (1)網(wǎng)狀觀測站在產(chǎn)狀復雜的煤層或在建筑物密集的地區(qū)開采時，可考慮多布設(shè)一些測點，組成網(wǎng)狀觀測站（圖2 -1）。網(wǎng)狀觀測站可觀測整個采動范圍的比較全面的移動變形狀態(tài)，所得資料比較全面、準確。但測點數(shù)目較多，觀測站的建站費用較高且觀測站的維護管理工作量較大，野外觀測和室內(nèi)成果整理工作量也比較大，且受地形、地物條件的限制，所以只在研究專門問題時才采用。

(2)剖面線狀觀測站這是目前各礦區(qū)用得較多的一種布站形式，它是在選擇的特定位置和特定方向上布點成直線形。若因條件限制不能布成直線形時，可設(shè)少量轉(zhuǎn)點而成折線形。所謂特定方向是指沿移動盆地主斷面的方向。沿走向主斷面布設(shè)的觀測線稱為走向觀測線，沿傾斜主斷面布設(shè)的觀測線稱為傾向觀測線。觀測站通常由兩條互相垂直且相交的觀測線（即一條或半條走向觀測線，一條或半條傾斜觀測線）所組成。因此，觀測所得資料只反映觀測線所在斷面上的移動和變形的分布及其大小。

    圖2-1網(wǎng)狀觀測線布設(shè)示意圖

    根據(jù)設(shè)站的目的，合理地選擇觀測站的布設(shè)形式是十分重要的。由于剖面線狀觀測站需要設(shè)置的觀測點比較少、建站時受地形條件的影響相對較小、觀測工作量也比較小并且能夠獲取地表移動規(guī)律的主要基本參數(shù)，所以目前我國各大主要礦區(qū)大多采用剖面線狀觀測站。

觀測站一般由兩條觀測線組成。一條沿煤層走向方向，一條沿傾斜方向，它們互相垂直并相交。在地表達到充分采動的條件下，通過移動盆地的平底部分都可設(shè)置觀測線。在地表未達到充分采動的條件下，觀測線需設(shè)在移動盆地的主斷面上。由于我國煤礦的回采工作面大多是沿煤層走向方向較長，遠遠大于充分采動所要求的最小尺寸，因此為了檢驗觀測成果的可靠性，往往在充分采動區(qū)內(nèi)設(shè)置兩條相距50 -70 m的傾斜觀測線，如圖2-2所示。

圖2―2觀測站的布沒形式示意圖

    觀測線的長度應保證兩端（半條觀測線時為一端）超出采動影響范圍，以便建立和保護觀測線控制點和測定采動影響邊緣。采動影響范圍內(nèi)的測點為工作測點，在采動過程中應保證它們和地表一起移動，以反映地表的移動狀態(tài)。

    二、觀測線位置和長度的確定

    觀測線應設(shè)置在移動盆地的主斷面上，而且不受鄰近采區(qū)開采的影響。主斷面的位置，可以用本礦區(qū)現(xiàn)有的角度參數(shù)（如移動角、最大下沉角、充分采動角以及松散層移動角等）和已知的地質(zhì)采礦條件（如采區(qū)的形狀和尺寸、采區(qū)上下邊界的采深、煤層的傾角和厚度、采區(qū)護巷煤柱的寬度以及第四紀松散層的厚度等），用做圖的方法來確定。主斷面與地表的交線就是設(shè)置觀測線的位置。

    1．觀測線位置的確定

    圖2-3為走向長壁工作面上方地表移動觀測站設(shè)計圖。煤層厚度為m，煤層傾角為d，工作面下山邊界的開采深度為H1，上山邊界的開采深度為H2。1-2表示工作面開切眼的位置，3 -4表示停采線的位置，1-3為運輸巷，2-4為通風平巷，并假定在3-4以外有足夠長的煤柱，其余要素如圖2-3所示。

因工作面的走向長度D1+D2 +D3 >1. 4H0 +50 m，如需要，可考慮通過充分采動區(qū)設(shè)置兩條間隔大于50 m的傾斜觀測線（也可只設(shè)一條偵斜觀測線），沿煤層走向設(shè)置半條走向觀測線。根據(jù)已給出的煤層走向和傾向方向，按礦區(qū)已有的地表移動與沉陷資料，在平面圖上分別確定走向和傾斜觀測線的位置。

    圖2-3地表移動觀測站示意圖

a)觀測站平面圖b）傾斜斷面圖c）走向斷面圖

    (1)確定傾斜觀測線的位置根據(jù)已給出的設(shè)計回采工作面情況，如圖2-3所示，可通過充分采動區(qū)設(shè)計兩條傾斜觀測線R1R3和R4R6。假設(shè)已知充分采動角φ1、φ2、φ3，移動角δ、β、γ，移動角修正值△δ、△β、△γ以及最大下沉角θ等沉陷參數(shù)。為了使傾斜觀測線R1R3不受鄰近開采的影響，在走向主斷面圖（圖2-3 c）上，自開切眼按δ-△δ和φ方向工作面推進方向畫線，相交于地表E點，R1R3觀測線必須設(shè)在工作面推進方向上超過E點的位置。也就是說，傾斜觀測線R1R3到開切眼的距離D1應為

    D1≥（H0 -h)cot(δ-△δ)  + cotφ    (2-1)

式中  δ-走向移動角；

    △δ-走向移動角修正值；

    H0――回采工作面平均開采深度(m)；

    h――松散層厚度(m)；

    φ――松散層移動角。

    如果在工作面推進過程中設(shè)站，傾斜觀測線R，R，到鄰近工作面的距離，除應滿足D1外，還應考慮觀測站到第一次觀測工作面之間的推進距離。此時，觀測線到工作面的距離D'1，應滿足：

    D'1≥D1+vt    (2-2)

式中v――工作面的推進速度；

    t――觀測站設(shè)計到第一次觀測的間隔時間。

    為保證傾斜觀測線尺。R6通過充分采動區(qū)，觀測線到停采區(qū)的距離D。必須滿足T列條件：

    D3≥H0 cotφ3    (2-3)

式中  φ3-走向充分采動角。

    在礦區(qū)尚未取得充分采動角數(shù)據(jù)的情況下，可用類比法獲取基本的移動參數(shù)，也可根據(jù)一般地表移動規(guī)律選用。

    兩條傾斜觀測線的間距以D2表示，要求D2 =50 -70 m。

    在地表未達到充分采動的情況下設(shè)置傾斜觀測線時，為了保證觀測線設(shè)在移動盆地主斷面上，一般是通過采空區(qū)中心作垂直煤層走向的斷面，此斷面即為傾斜主斷面，也是傾斜觀測線所在的位置。如在工作面推進過程中設(shè)站，應考慮觀測站的設(shè)計到第一次觀測的間隔時間內(nèi)工作面的推進距離。

    (2)確定走向觀測線R7R9的位置

    走向觀測線應設(shè)在移動盆地的走向主斷面上，走向觀測線位置的確定如圖2 -3a所示。具體的確定方法是：在傾斜主斷面（圖2 -3b）上，從采空區(qū)中心用最大下沉角θ畫線與地表相交于O點，通過O點作平行煤層走向的垂直斷面，此斷面所在的位置就是走向觀測線的位置。

    2．觀測線長度的確定

    在觀測線的位置確定之后，即可確定它們的長度。觀測線的長度應保證觀測線的兩端稍微超過地表移動盆地邊緣一段距離，以便能較可靠地確定移動盆地的邊界及有關(guān)參數(shù)。觀測線的長度可以在觀測站設(shè)計圖上圖解求得，也可用計算法確定。

    (1)傾斛觀測線長度的確定傾斜觀測線的長度是在移動盆地的傾斜主斷面（圖2-3b)上確定的。具體方法是：自采區(qū)的上、下邊界分別以γ C△γ和β- △β畫線與基巖和松散層接觸面相交，再從交點作角φ與地表交于A、B（或C、D）點，AB段（或CD段）即為傾斜觀測線的工作長度。此段長度可按下式計算：

AB=2h cotφ+（H1一h）cot（β- △β）+（H2-h）cot（γ C△γ）+ Lcosα(2-4)

式中L-工作面傾斜長度(m)；

    γ-上山移動角；

    β――下山移動角；

  △γ-上山移動角的修正值；

  △β-下山移動角的修正值；

H1、H2-采區(qū)下邊界和上邊界的開采深度(m)。

    (2)走向觀測線長度的確定為了保證觀測線不受鄰近開采的影響，并使觀測線位于移動盆地主斷面上，一般情況下，走向觀測線只設(shè)半條（圖2 -3c）。具體做法是：自開切眼向工作面推進方向，以角值（δ-△δ）劃線與基巖和松散層交接面相交，再從交點作角φ與地表相交于E點。E點便是不受鄰區(qū)開采影響的邊界點。在工作面停采線處，向工作面外側(cè)作角（δ-△δ）與基巖和松散層接觸面相交于一點，再從此交點作角φ與地表交于F點。在FE方向上設(shè)走向觀測線。要求走向觀測線和傾斜觀測線垂直、相交，并稍微超過交點一段距離（約2-3個測點間距）得G點（G點不礙超過E點），GF段便是走向觀測線的工作長度，按下式計算：

    GF=2h cot φ+2(H0 Ch)cot(δ-△δ)+l    (2-5)

式中  l――工作面走向長度(m)。

    觀測站設(shè)計中所使用的傾斜煤層下山移動角的修正值△β和急傾斜煤層底板移動角的修正值△γ，可根據(jù)表2-1按不同傾角α確定。煤層上山和走向移動角的修正值△γ、△δ一般取20°，松散層移動角不加修正值。加入移動角修正值的目的是使觀測線長度超過盆地邊界一段距離。

表2 -1移動角修正值

    3．觀測點點位的確定

    觀測點應均勻設(shè)置在觀測線的全長上。每條觀測線兩端或一端沿觀測線方向向外還要設(shè)置控制點。觀測線每一端一般應設(shè)置2個控制點。如果觀測線是半條的或由于地形限制不能在觀測線兩端同時設(shè)置控制點時，應在可設(shè)置控制點的一端向外設(shè)置至少3個控制點。

    觀測線上的測點數(shù)目及其密度，主要取決于開采深度和設(shè)站的目的。例如，為了較準確地確定移動盆地邊界或最大下沉點的位置，可在移動盆地邊界附近或盆地中心部位適當加密

測點。

    觀測點之間的距離可以根據(jù)采區(qū)的平均開采深度按表2―2確定。控制點與控制點之間、控制點與相鄰觀測點之間的距離可在50 -100 m范圍內(nèi)選定。確定觀測線上測點位置時，還應在允許條件下考慮到便于埋點和觀測。

表2-2測點密度    （單位：m）