六道湾煤矿塌陷区地面沉降检测设计方案探讨.pdf

书书书第２７卷专刊２００７年６月大地测量与地球动力学ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＧＥＯＤＥＳＹＡＮＤＧＥＯＤＹＮＡＭＩＣＳＶｏｌ．２７Ｓｐｅｃ．Ｊｕｎｅ，２００７文章编号１６７１  ５９４２（２００７）Ｓｐｅｃ．  ００４３  ０４六道湾煤矿塌陷区地面沉降监测设计方案探讨  张兵崔希民赵瑞麻德明张红杰（中国矿业大学（北京）资源与安全工程学院，北京１０００８３）摘要介绍了乌鲁木齐市六道湾煤矿塌陷区综合治理过程中地面沉降监测点的设计方案、观测内容、观测方法以及观测仪器的精度，同时说明了通过后续沉降观测值的数据分析所期望达到的结果等。关键词沉降监测水准测量采空区观测站六道湾煤矿中图分类号Ｐ２２４．１文献标识码ＡＯＮＤＥＳＩＧＮＰＲＯＣＥＤＵＲＥＳＯＦＳＵＢＳＩＤＥＮＣＥＯＢＳＥＲＶＡＴＩＯＮＩＮＬＩＵＤＡＯＷＡＮＣＯＡＬＭＩＮＥＡＲＥＡＺｈａｎｇＢｉｎｇ，ＣｕｉＸｉｍｉｎ，ＺｈａｏＲｕｉ，ＭａＤｅｍｉｎｇａｎｄＺｈａｎｇＨｏｎｇｊｉｅ（ＳｃｈｏｏｌｏｆＲｅｓｏｕｒｃｅｓａｎｄＳａｆｅｔｙＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＭｉｎｉｎｇ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００８３）ＡｂｓｔｒａｃｔＴｈｅｄｅｓｉｇｎｐｒｏｃｅｄｕｒｅｓ，ｔｈｅｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎｃｏｎｔｅｎｔ，ｔｈｅｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄａｎｄｔｈｅｐｒｅｃｉｓｉｏｎｏｆｔｈｅｓｕｒｖｅｙｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓｏｆｔｈｅｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎｉｎｔｈｅｗｅｓｔｅｒｎａｒｅａｏｆＬｉｕｄａｏｗａｎｃｏａｌｍｉｎｅａｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄａｎｄｔｈｅｅｘｐｅｃｔｅｄｒｅｓｕｌｔｓｏｆｔｈｅｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎｓａｎａｌｙｓｉｓａｒｅｄｅｓｅｒｉｂｅｄａｓｗｅｌｌ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ，ｌｅｖｅｌｉｎｇ，ｅｍｐｔｙｒｅｇｉｏｎｏｆｍｉｎｉｎｇ，ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎｓｔａｔｉｏｎ，Ｌｉｕｄａｏｗａｎｃｏａｌｍｉｎｅ１引言乌鲁木齐市六道湾煤矿已有５０多年的开采历史。由于长期开采地下煤层，在采空区及其影响范围内形成了４．４１０６ｍ２的大面积地面塌陷及沉降变形区，塌陷区内大槽煤层开采导致地表呈条带状或串球状塌陷，严重破坏了地表地质环境。因此对处在乌鲁木齐市中心的六道湾煤矿塌陷区及周边的恶劣环境，进行环境恢复治理己势在必行。然而地下开采引起的岩层与地表移动规律和过程十分复杂，它是许多地质采矿因素综合影响的结果。由于六道湾矿急倾斜煤层重复采动，覆岩与地表移动规律具有特殊性。认识岩层与地表移动这一复杂过程，目前的主要方法之一是实地观测。观测可获得大量的第一手资料，通过对观测资料的综合分析，能够获得塌陷区稳定性评价、演变规律和综合治理的科学数据。２监测内容及监测点的设计监测内容包括在六道湾矿＋５４０水平开采进行以前，在选定的地点设置开采沉陷观测线，以监测采矿过程中地表的位移变形和确定各测点的位移和点间的相对移动量，从而掌握开采沉陷的规律。老采空区的沉降变形监测是在老采空区上布设观测线，监测、研究老采空区的沉降演化规律。六道湾煤矿＋５４０水平地面标高为＋８１０ｍ（不含垫土层厚２５～３０ｍ），冲积层厚度１０ｍ，井下工作面标高为５４６ｍ，工作面走向长Ｌ２为４４５ｍ，倾斜长Ｌ１为３５ｍ，煤层倾角平均６５，水平宽Ｌ为３６ｍ，阶段垂高１２ｍ，采用综放开采，采２ｍ放１０ｍ，冒落法 收稿日期２００７  ０３  ２７作者简介张兵，男，１９７９年生，硕士研究生，主要从事形变／环境监测与防治，ＧＰＳ定位与导航等方面的研究大地测量与地球动力学２７卷管理顶板。根据２００３年１０月煤炭工业部乌鲁木齐设计研究院新疆乌鲁木齐矿区采煤沉陷区综合治理实施方案研究报告，六道湾煤矿的地表岩层移动角值参数见表１。表１六道湾煤矿地表岩层移动角值Ｔａｂ．１ＶａｌｕｅｓｏｆｍｏｖｉｎｇａｎｇｌｅｏｆｓｕｒｆａｃｅｒｏｃｋｂｅｄｉｎＬｉｕｄａｏｗａｎｃｏａｌｍｉｎｅ类型顶板方向 β 底板方向 λ 走向 δ 松散冲积层 φ 边界角（）３０６０６５４５移动角（）３５６５７０裂缝角（）７６～７８ γ－（８～９）７２～７８最大下沉角（）θ ＝２８．８＋０．６８ α 根据中国现代科学全书矿山开采沉陷工程，观测站设计时移动角修正值与煤层倾角有关（表２）。表２移动角修正值Ｔａｂ．２Ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎｓｏｆｍｏｖｉｎｇａｎｇｌｅｓ煤层倾角（）Δ βΔ γ或 Δ β底板 Δ λ ０２０２０１０１７２０２０１５２０３０１３２０４０１２２０５０１１２０６０９２０１０７０７２０１０８０以上６２０１０有关参数的确定和设计如下１）＋５４０开采观测线位置的确定（１）根据最大下沉角，计算的走向观测线Ｒ１Ｒ２距离工作面上水平中央的距离为Ｄ３＝（Ｈ－３２＋２５）ｃｏｔ θ ＝７８ｍ式中，Ｈ为不含垫层的开采深度， θ 为最大下沉角。（２）为使倾向观测线不受同水平邻近开采的影响，倾向观测线Ｒ３Ｒ４距离开切眼的距离应满足下式Ｄ１≥ｍａｘ｛Ｈ－ｈ）ｃｏｔ δ ＋ｈｃｏｔ φ＋ｈ垫ｃｏｔ φ １＋ｃｔ，Ｈｃｏｔ φ３＋ｃｔ｝式中，ｈ为冲积层厚度， δ 为走向移动角， Δ δ 为走向移动角修正值，ｈ垫为垫土层厚度， φ１为垫土层移动角（取４０）。根据获得的岩层与地表移动角值，按上式计算得Ｄ１≥１３２ｍ。（３）倾向观测线Ｒ５Ｒ６到停采线的距离Ｄ２应满足Ｄ２≥Ｈｃｏｔ φ３，取走向充分采动为６０，则Ｄ２≥１５２ｍ。观测线的位置设计见图１。图１观测线的位置设计Ｆｉｇ．１Ｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅｌｏｃａｔｉｏｎｏｆｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎｌｉｎｅ２）＋５４０开采观测线长度的确定走向观测线长度为Ｓ走向＝２（Ｈ－ｈ）ｃｏｔ（ δ － Δ δ ）＋２ｈｃｏｔ φ＋２ｈ垫ｃｏｔ φ１＋Ｌ２＝９５１ｍ倾向观测线长度为Ｓ倾向＝（Ｈ－ｈ）ｃｏｔ（ β－Δ β ）＋（Ｈ－ｈ）ｃｏｔ（ λ－Δ λ ）＋２ｈｃｏｔ φ＋２ｈ垫ｃｏｔ φ １＋Ｌ＝７９２ｍ根据煤矿测量规程，地表观测点的密度与开采深度有关（表３）。表３测点间距Ｔａｂ．３Ｄｉｓｔａｎｃｅｓｂｅｔｗｅｅｎｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎｐｏｉｎｔｓ开采深度（ｍ）＜５０５０～１００１００～２００２００～３００＞３００测点间距（ｍ）５１０１５２０２５根据六道湾矿＋５４０水平的开采深度，确定测点间距为２０ｍ。另根据走向观测线长度９５１ｍ，倾向观测线长度７９２ｍ，共布设一条走向线、两条倾向线，则测点总数为１２６个。３）老采空区观测站设计为使上述观测站与该矿西翼塌陷区场地稳定性评价监测工作结合，＋５４０开采沉陷测线兼作老采空区沉降变形观测线，测点数为１２６个。同时根据已有老采空区塌陷边界、影响边界以及场地开发情况，另布设９条纵横交错的观测线，构成网状观测站，测线总长１７．４ｋｍ，测点间距１００ｍ，共１７４个点，测线布置见图２。３观测仪器３．１地表观测站的日常观测工作所谓日常观测工作，指的是首次和末次全面观测之间适当增加的水准测量工作，为判定地表是否已开始移动，在回采工作面推进一定距离（相当于０．２～０．５平均开采深度Ｈ０）后，在预计可能首先移动的地区，选择几个工作测点，每隔几天进行一次水准测量（又称预测或巡视测量），如果发现测点有下沉的趋势，即说明地表已经开始移动。在移动过程４４专刊张兵等六道湾煤矿塌陷区地面沉降监测设计方案探讨图２＋５４０开采沉陷观测线兼作老采空区沉降变形观测线设计图Ｆｉｇ．２ＤｅｓｉｇｎｅｄｄｉａｇｒａｍｏｆｓｕｒｖｅｙｌｉｎｅｆｏｒＮｏ．＋５４０ｍｉｎ  ｉｎｇｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅａｎｄｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｏｌｄｅｍｐｔｙｍｉｎｉｎｇｒｅｇｉｏｎ中，要进行日常观测工作，即重复进行水准测量。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，还应在下沉较大的区段，增加水准观测次数。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。３．２老采空区的沉降变形监测意义六道湾老采空区中，由于冒落带、裂隙带内存在大量的裂隙、空隙，弯曲带内存在离层裂缝，当开采结束一定时间后，上覆岩层达到新的平衡，地表趋于稳定。在外来载荷包括建筑物附加应力、地震力、机械振动、区域地质构造活动、附近采场或爆炸的扰动等作用下，或由于老采空区内岩体在空气、水等作用下产生风化和强度弱化，导致空隙、裂隙闭合，引起岩层和地表再次缓慢沉陷，称为老采空区活化。此外，煤矿开采过程中，不可避免地留设大量的块断煤柱，以保证开采安全、隔离危险。由于煤柱的存在，导致顶板垮落不充分或不垮落，使得采空区内存在未充填的空洞。同样由于空气和水等的影响，煤柱和顶板强度降低，在上覆岩层重力和外部载荷的作用下，煤柱可能失稳，导致顶板垮落，引起覆岩和地表的再次移动。该监测周期为３年，每月观测一次，平面位置和高程观测同时进行，每次观测要尽可能在最短时间内完成。３．３监测仪器及观测精度变形监测方法和仪器的选择主要取决于工程地质条件以及工程周围的环境条件结合本测区的实际情况，观测线工作测点的平面位置按Ｃ级ＧＰＳ确定；高程按建筑变形测量规程所规定的三等水准精度要求施测；观测采用ＴＯＰＣＯＮＡＴ  Ｇ２精密水准仪，精度为０．４ｍｍ。全面观测采用天宝５６００全站仪，测角精度２ ″ ，测距精度２ｍｍ＋２１０－６Ｄ；配合使用南方９６００ＧＰＳ，平面位置精度５ｍｍ＋２１０－６，高程精度１０ｍｍ＋５１０－６。３．４观测方法及第一期部分成果与精度在监测点方案设计好之后，我们根据设计坐标实地进行放样埋石，之后我们根据乌鲁木齐市城建规划局提供的三等控制点ＫＺ１１３，ＫＺ１１４以及六道湾煤矿的原有三等平高点２０００－１，使用南方９６００ＧＰＳ进行了测区Ｃ级ＧＰＳ平面加密控制，加密是在整个监测区周围均匀地布设６个三等平高控制点。从ＫＺ１１４到ＫＺ１１３采用符合水准往返观测获得控制点高程，路线总长度为６．９７ｋｍ，符合路线高差闭合差为２．４４ｍｍ，根据三等水准测量规范，闭合差允许值为１２槡Ｌ，计算可得为３１．６８ｍｍ；往返测高差不符值为３．６６ｍｍ，往返测高差不符允许值为１２槡Ｒ，计算可知为２２．４０ｍｍ。监测点处于稳定状态后，我们做了第一期监测，监测点的部分成果及精度见表４。表４监测点的部分成果及精度Ｔａｂ．４Ａｐａｒｔｏｆｒｅｓｕｌｔｓａｎｄａｃｃｕｒａｃｙｏｆｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｐｏｉｎｔｓ监测点号北坐标东坐标水平精度高程（ｍ）１４８５６７２６．１３９５４９２０３．７５２０．００７８０７．７１０６１６４８５６３１０．９１０５４９７５２．８２４０．００６８２９．３５６３５１４８５６５０９．３３４５５０１４５．７０９０．０１１８２７．１８４６１１２４８５６７２１．４８５５４９４３９．１８９０．００９８０８．９６８９第一期的平面位置我们采用的是天宝Ｒ８ＧＰＳ用ＲＴＫ测量所得，在每个测站上精确对中整平，高程采用三等水准，测量结果都完全符合规范要求。４预期成果通过对＋５４０水平开采沉陷监测，及老采空区变形监测，预计可获得如下成果１）急倾斜厚煤层综放开采的地表移动规律；２）急倾斜厚煤层综放开采的覆岩与地表移动参数、预计参数；３）沉降观测成果表；４）沉降观测点位分布图及各周期沉降展开图；５）ｖ  ｔ  ｓ（沉降速度 时间 沉降量）曲线图；６）位移时间曲线图；７）内部位移时间曲线图；８）地表与内部位移关系曲线图；９）稳定性评价参数；１０）观测成果综合分析报告。５结语由于地下开采引起的岩层与地表移动规律和过５４大地测量与地球动力学２７卷程十分复杂，涉及到许多地质采矿因素，本文根据塌陷区的实际地质特征及急倾斜煤层采动后所引起的地表沉降的特殊情况，设计出比较符合实际情况的沉降观测方案。期望通过实地观测获得大量第一手资料，并通过对后续观测资料的综合分析，获得六道湾煤矿西翼塌陷区稳定性评价、演变规律和综合治理的科学数据。参考文献１能源部．煤矿测量规程［Ｓ］．北京煤炭工业出版社，１９８９．２孙文华．三下采煤新技术应用与煤柱留设及压煤开采规程实用手册［Ｍ］．北京中国煤炭出版社，２００５．３ＪＧＪ／Ｔ８－９７建筑变形测量规程［Ｍ］．北京中国建筑工业出版社，２００５．４水利水电工程测量规范（规划设计阶段）ＳＬ１９７－９７［Ｓ］．北京中国水利水电出版社，２００５．５李青岳主编．工程测量学［Ｍ］．北京测绘出版社，１９９１．６张阿根主编．国际地面沉降研究综述［Ｍ］．上海地质出版社，２００１．７ＦｒｅｅｚｅＲＡ编著．社会决策与地面沉降［Ｍ］．Ｃａｎａｄａ，２００１．（上接第３０页）从图８中可以看出，卢家山、百佛寺、炮台山、赵家山、肖家坪、石头垭和郑家坪台地震记录的主频分别集中在１～３Ｈｚ范围，不同地震一致性最好的频率主要集中在２Ｈｚ左右，频谱特征基本相似，低频成份较为丰富，低频成份的发育可能与断层波或山谷内较厚的沉积物形成的低频波有关。金子山台中地震记录主频分别集中在２～６Ｈｚ范围，地震频谱的主频表现为多峰值，与上述台站明显不同，同时在４Ｈｚ、６Ｈｚ和１０Ｈｚ存在３个明显的峰值，如果不考虑仪器因素，一种可能的解释是，由于金子山台位于断裂溶岩带附近，地下溶洞暗河发育，库水充填受激振荡，以及地层破碎造成的层间间断面多次反射，因此，推测记录的地震波频谱特征与局部的介质变化有关。４初步结论１）２００６年９月１７～２２日在三峡秭归泄滩发生了一次极微震群活动，从时间上看三峡水库于９月２０日晚２３时开始二期蓄水，从水位上分析当时并没有超过一期蓄水的水位上限值１３９ｍ，说明此次微震群与二期蓄水无关。２）泄滩极微震群的震中密集区位于老石门村至老泄滩一线的香溪群煤层顺层滑动破裂带西端。前人研究成果表明，泄滩地震事件东部的归州镇、香溪河两岸的极微震、微震活动多与煤矿、滑坡活动、危岩体活动等密切相关。该震群频谱最佳频率主要集中在２Ｈｚ左右，这一结果符合滑坡、矿塌型相关的地震特征。从显示的较低频率可以推测，该地区处于低应力水平，该震群初步推断为地表浅层滑坡、矿塌型地震。参考文献１姚立繤，等．根据珊溪水库诱发地震拐角频率变化预测震后趋势［Ｊ］．大地测量与地球动力学，２００５，２５（专）７～１２．２胡祚春，等．滑坡、塌陷与地震的波谱差异［Ｊ］．地震研究，１９８５，８（２）１７９～１８８．３张萍，等．爆破、矿震与地震的波谱差异［Ｊ］．地震地磁观测与研究，２００５，２６（３）２４～３４．４胡毓良，等．长江三峡工程周边地区的采矿诱发地震［Ｊ］．地震地质，１９９８，２０（４）３４９～３５９．５吴建平，等．２００２年８月２０日长白山天池火山小震震群研究［Ｊ］．地震地磁观测与研究，２００３，２４（４）１～８．６于品清．从水文地质条件探讨未来三峡水库发生构造型地震的可能性［Ｊ］．华南地震，１９９３，１３（１）７６～８３．７长江水利委员会．三峡工程地质研究［Ｍ］．湖北湖北科学技术出版社，１９９７．６４

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