銅川礦區(qū)地表移動(dòng)與變形規(guī)律分析

1、論文題目：銅川礦區(qū)地表移動(dòng)與變形規(guī)律分析專 業(yè)：測繪工程本 科 生：王 飛 （簽名） 指導(dǎo)教師：湯伏全 （簽名） Subject ：Tongchuan surface movement and deformation analysisSpecialty ：Geodetic engineeringName ：Wang Fei （Signature） Instructor：Tang Fuquan （Signatrue） ABSTRACT Through comparative analysis, Similar results can be used as a reference geologic

2、al mining conditions of the mining area.Key words: Tongchuan mine, Mobile surface observation stations, Data processing, Movement and deformation curve, 目 錄1 緒 論12 地表移動(dòng)觀測及其數(shù)據(jù)處理方法22.1 地表移動(dòng)觀測方法22.1.1 地表移動(dòng)觀測概述22.1.2 連接測量22.1.3 全面觀測22.1.4 日常觀測工作42.2 觀測成果整理52.2.1 觀測成果計(jì)算52.2.2 觀測成果繪圖72.3 地表移動(dòng)規(guī)律分析73 礦區(qū)地表移動(dòng)

3、相似材料模擬實(shí)驗(yàn)103.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c任務(wù)103.2 模擬實(shí)驗(yàn)對象（508觀測站）概況103.3 模擬地層厚度及配比113.4 試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒捎玫南嗨茥l件113.5 實(shí)驗(yàn)步驟123.5.1 建模前的準(zhǔn)備123.5.2 模型的制作133.5.3 測點(diǎn)安置143.6 數(shù)據(jù)獲取及成果測定163.6.1 數(shù)據(jù)獲取163.6.2 位移測定163.7 實(shí)驗(yàn)結(jié)論194 508觀測站地表移動(dòng)觀測成果分析214.1 508觀測站概況214.1.1 觀測站的位置及地形區(qū)域上覆巖層厚度及比例214.1.2 508工作面采礦技術(shù)條件214.1.3 地表觀測站設(shè)置連測方案214.2.觀測站地表下沉及水平移動(dòng)分析224.2.

4、1 傾向線下沉及水平移動(dòng)分析224.2.2 走向線下沉水平移動(dòng)研究284.3 傾向線和走向線一般參數(shù)及角量的確定324.3.1 地表移動(dòng)變形最大值324.3.2 地表移動(dòng)穩(wěn)定后角量參數(shù)334.3.3 508地表移動(dòng)變形的特征365 結(jié) 論38致 謝39參考文獻(xiàn)401 緒 論進(jìn)入21世紀(jì)，能源與環(huán)保已成為人類要解決的重大問題。采礦業(yè)引起的開采損害問題，包括開采對地下、地表建筑物的損害；對礦產(chǎn)資源、水資源、土地資源的損害；開采引起山體滑坡、地質(zhì)災(zāi)害、大氣污染及其對礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的損害等問題。這些都是采礦工業(yè)發(fā)展中必須解決的問題，解決的原則是：在最大限度開發(fā)利用礦產(chǎn)資源，提高礦井綜合效益的同時(shí)，采用合

5、理的開采技術(shù)控制開采引起的損害程度，并進(jìn)行礦區(qū)環(huán)境的綜合治理與生態(tài)重建，實(shí)現(xiàn)礦業(yè)來發(fā)的可持續(xù)發(fā)展。“3S”（GPS,RS,GIS）技術(shù)在開采沉陷中已廣泛應(yīng)用。GPS技術(shù)提供了用一種儀器在同一時(shí)刻直接測出點(diǎn)的空間移動(dòng)軌跡的可能性。在具體定位是一般通過建立模擬地表移動(dòng)觀測站來實(shí)現(xiàn)定位。RS技術(shù)尤其是D-INSAR可以得到采礦活動(dòng)所引起的地表沉降范圍、沉降量以及對建筑物和生態(tài)環(huán)境的損害信息，目前許多學(xué)者已報(bào)道使用D-InSAR技術(shù)測量因地下開采而引起的地表沉降的精度可達(dá)厘米級或更高。GIS技術(shù)在研究開采沉陷一般規(guī)律、數(shù)據(jù)處理方法、預(yù)計(jì)和模擬方法、沉陷的防治及開采沉陷對環(huán)境的影響及治理等中作用巨大、方

6、法簡單。銅川礦區(qū)是陜西重要的煤炭生產(chǎn)基地，也是資源枯竭性老工業(yè)基地，建筑物下壓煤開采量很大，開采沉陷及其衍生災(zāi)害非常嚴(yán)重。為了研究礦區(qū)開采沉陷基本規(guī)律，多年來布設(shè)了大量的地表移動(dòng)觀測站，其中東坡礦508觀測站就是為了掌握較大采厚、較大推進(jìn)度條件下的地表移動(dòng)變形規(guī)律而設(shè)置的。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)通過對508觀測站地表沉陷觀測資料進(jìn)行總結(jié)，并制作相似材料模型進(jìn)行模擬研究，經(jīng)過對比分析，將較為全面地了解該地質(zhì)采礦條件下，地表沉陷變形的基本規(guī)律及其特殊性，其成果可作為類似地質(zhì)采礦條件礦區(qū)參考。2 地表移動(dòng)觀測及其數(shù)據(jù)處理方法2.1 地表移動(dòng)觀測方法2.1.1 地表移動(dòng)觀測概述 地表移動(dòng)觀測的主要內(nèi)容是：在采動(dòng)

7、過程中，定期地、重復(fù)地測定觀測線上各測點(diǎn)在不同時(shí)期的空間位置變化。觀測工作分為：觀測站的連接測量，全面測量，單獨(dú)進(jìn)行的水準(zhǔn)測量，地表破壞的測定和編錄。 連接測量在觀測點(diǎn)埋設(shè)好10d15d點(diǎn)位固結(jié)后，且測站地區(qū)未被采動(dòng)之前，應(yīng)完接測量工作。連接測量是通過礦區(qū)控制網(wǎng)來確定測站控制點(diǎn)的平面位置和高程，然后根據(jù)它確定其余控制點(diǎn)和測點(diǎn)的平面位置及開采工作面與測站之間的相互關(guān)系。連接測量的目的就是把礦區(qū)控制網(wǎng)與測站聯(lián)系起來，以確定井上下的對應(yīng)關(guān)系。連接測量需獨(dú)立進(jìn)行兩次。連接測量按定向基點(diǎn)的測定精度（點(diǎn)位誤差小于7cm）要求進(jìn)行。觀測站工作測點(diǎn)的平面位置，從已知坐標(biāo)的控制點(diǎn)（或觀測線交點(diǎn)）按5導(dǎo)線測量精度

8、要求確定。所謂高程連測就是在礦區(qū)水準(zhǔn)基點(diǎn)至觀測站附近的水準(zhǔn)點(diǎn)之間進(jìn)行水準(zhǔn)側(cè)量，再有水準(zhǔn)點(diǎn)測定觀測站控制點(diǎn)（或觀測站交點(diǎn)）的高程。如礦區(qū)水準(zhǔn)基點(diǎn)距觀測站較近時(shí)，也可由水準(zhǔn)基點(diǎn)直接和觀測點(diǎn)連側(cè)，高程連測以不低于三等水準(zhǔn)測量的精度要求進(jìn)行。 全面觀測為了準(zhǔn)確的確定工作測點(diǎn)在地表移動(dòng)開始前的的空間位置，在連側(cè)后、地表移動(dòng)開始之前，應(yīng)獨(dú)立進(jìn)行兩次全面觀測，兩次觀測的時(shí)間間隔不超過5d。全面觀測的內(nèi)容包括測定各測點(diǎn)的平面位置和高程，各測點(diǎn)間的距離，各測點(diǎn)偏離觀測線方向的距離（稱支距）等工作。在測站地區(qū)未受采動(dòng)之前，獨(dú)立進(jìn)行兩次全面觀測，兩次觀測同一高程差不大于10mm、支距差不大于30mm，同一邊的長度差

9、不大于4mm時(shí)，取平均值作為觀測站的原始（初始）觀測數(shù)據(jù)。同時(shí)，按實(shí)測數(shù)據(jù)將各測點(diǎn)展繪到觀測站設(shè)計(jì)平面圖上，此圖對以后的分析有實(shí)際意義。為了確定移動(dòng)穩(wěn)定后地表各點(diǎn)的空間位置，需到地表穩(wěn)定后進(jìn)行最后一次全面測量（稱末次觀測），地表移動(dòng)穩(wěn)定的標(biāo)志是：連續(xù)6個(gè)月觀測地表各點(diǎn)的累積下沉值均小于30mm。采動(dòng)影響前及移動(dòng)穩(wěn)定后的初次全面觀測和末次全面觀測，按要求進(jìn)行。(1)高程測量：確定觀測站控制點(diǎn)未遭碰動(dòng)，其高程值沒有變化的情況下，可直接從觀測站控制點(diǎn)開始進(jìn)行水準(zhǔn)測量。如果觀測站兩端都沒有設(shè)控制點(diǎn)，則附和到兩端控制點(diǎn)上。若只在觀測線一端有控制點(diǎn)，則需進(jìn)行往返水準(zhǔn)測量。施測按三等水準(zhǔn)測量的精度要求進(jìn)行。

10、經(jīng)平差后求得各測點(diǎn)的高程 。 當(dāng)觀測站地區(qū)地形起伏較大（兩點(diǎn)之間的傾角大于20）時(shí)，可用三角高程測量。應(yīng)不低于級經(jīng)緯儀以兩個(gè)測回測豎直角。往返測量高差的允許互差h計(jì)算式為 h=8+0.1lmm （2.1）式中兩點(diǎn)間的水平距離單位為m。三角高程測量沿觀測線分段進(jìn)行，觀測線長度用鋼卷尺丈量。每段長（相當(dāng)于轉(zhuǎn)點(diǎn)間的長度）不超過鋼卷尺長度，每段的高差往返測兩次，中間點(diǎn)的高差由前后轉(zhuǎn)點(diǎn)各測一次。(2)距離測量：測點(diǎn)間的距離須用經(jīng)過比長 的鋼卷尺丈量。在地面平坦時(shí)，沿地面丈量，否則懸空丈量。兩點(diǎn)間的距離應(yīng)往返丈量兩次，每次丈量以遲端不同你的起點(diǎn)讀數(shù)三次，三次計(jì)算的長度互差應(yīng)小于2 mm，然后取平均值為其邊

11、長。相鄰兩點(diǎn)間加入各項(xiàng)改正后水平邊長的往返限差:邊長小于15時(shí)為2mm；邊長大于15時(shí)，為3 mm，一般掌握在不超過中邊長的1：10 000.量距時(shí)須施以鋼尺時(shí)的拉力，并測記鋼尺溫度至±1.有條件時(shí)，測溫度最好用半導(dǎo)體觸點(diǎn)溫度計(jì)，直接測量鋼尺的表面溫度。(3)支距測量：各測點(diǎn)偏離觀測線方向的距離稱為支距。支距測量可用經(jīng)緯儀配合支距尺來進(jìn)行。支距尺是由一根帶有“mm”刻劃的直尺、長水準(zhǔn)管和照準(zhǔn)設(shè)備組成。在直尺上有一滑標(biāo)，可沿直尺滑動(dòng)。觀測時(shí)，支距尺可直接放在測點(diǎn)上，以尺子的零刻劃對準(zhǔn)測點(diǎn)中心標(biāo)志;支距尺也可放在三腳架上，三腳架基座下掛垂球，用垂球?qū)χ袦y點(diǎn)的中心標(biāo)志。要求支距尺水平并和觀

12、測線垂直，將滑標(biāo)移動(dòng)到觀測方向上，在直尺上讀數(shù)如圖2.1所示。 圖2.1支距測量方法支距測量時(shí)，經(jīng)緯儀到測點(diǎn)的距離一般不應(yīng)超過150，否則須在觀測方向上用兩個(gè)測回標(biāo)定臨時(shí)測站，再由臨時(shí)測站進(jìn)行支距測量。首次全面觀測和末次全面觀測時(shí)，對于同一點(diǎn)的支距值都應(yīng)獨(dú)立進(jìn)行兩個(gè)測量，兩次測量結(jié)果之差不大于30mm時(shí)，便可取其平均值作為該點(diǎn)的原始支距值和最終支距值。2.1.4 日常觀測工作 所謂日常觀測工作，指的是首次和末次全面觀測之間適當(dāng)增加的水準(zhǔn)測量工作，當(dāng)開采工作面推進(jìn)寬度達(dá)到采深的0.2倍0.5倍后，在預(yù)計(jì)可能首先發(fā)生移動(dòng)的地區(qū)選擇幾個(gè)工作測點(diǎn)，每隔幾天進(jìn)行一次水準(zhǔn)測量，監(jiān)控地表是否開始移動(dòng)。在地表

13、移動(dòng)過程中，要進(jìn)行日常觀測工作，即重復(fù)進(jìn)行水準(zhǔn)測量。重復(fù)水準(zhǔn)測量的時(shí)間間隔視地表的下沉速度而定，一般是每隔1個(gè)月至3個(gè)月觀測一次。在移動(dòng)活躍階段還應(yīng)在下沉較大的區(qū)段，增加水準(zhǔn)觀測次數(shù)。采動(dòng)過程中的水準(zhǔn)測量應(yīng)按4等水準(zhǔn)測量的精度要求進(jìn)行。 在采動(dòng)過程中，不僅要及時(shí)地記錄和描述地表出現(xiàn)的裂縫、塌陷的形態(tài)和時(shí)間，還要記載是在每次觀測時(shí)的相應(yīng)工作面的位置、實(shí)際采出厚度、工作面推進(jìn)速度、頂板陷落情況、礦層產(chǎn)狀、地質(zhì)構(gòu)造、水文條件等有關(guān)情況。 觀測站的各項(xiàng)觀測可參考表2.1的程序進(jìn)行。每次觀測應(yīng)盡量在較短的時(shí)間內(nèi)完成，特別是在移動(dòng)活躍階段，水準(zhǔn)測量必須在一天內(nèi)完成，并力爭做到高程測量和平面測量同時(shí)進(jìn)行。

14、自20世紀(jì)90年代初以來，現(xiàn)代化開采沉陷觀測新理論、技術(shù)、設(shè)備的迅速發(fā)展，為快速、全面、精確監(jiān)測、監(jiān)控開采沉陷損害情況提供了條件，如“3S”系統(tǒng)的引入、“全站儀”的應(yīng)用等。表2.1 觀測站觀測程序觀測時(shí)間觀測內(nèi)容觀測時(shí)間觀測內(nèi)容設(shè)站后10d15d采動(dòng)影響前地表移動(dòng)初始階段與礦區(qū)控制網(wǎng)連測全面觀測、預(yù)測水準(zhǔn)測量地表移動(dòng)活躍期地表移動(dòng)衰退期地表移動(dòng)基本穩(wěn)定后全面觀測、加密水準(zhǔn)測量水準(zhǔn)測量全面觀測2.2 觀測成果整理 觀測成果計(jì)算為了確保觀測成果的正確性，在進(jìn)行內(nèi)業(yè)整理之前，應(yīng)對野外觀測成果再次檢查，然后進(jìn)行各種改正數(shù)的計(jì)算和平差計(jì)算。觀測數(shù)據(jù)的內(nèi)業(yè)整理計(jì)算：內(nèi)業(yè)成果的整理計(jì)算主要是計(jì)算個(gè)測點(diǎn)的高程

15、、相鄰兩側(cè)點(diǎn)的水平距離和各測點(diǎn)偏離觀測線方向的支距，然后計(jì)算各測點(diǎn)的移動(dòng)變形值及下沉速度等。在進(jìn)行移動(dòng)和變形計(jì)算之前，應(yīng)對觀測數(shù)據(jù)加入各種改正。例如，對水準(zhǔn)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行平差，計(jì)算各測點(diǎn)高程；對鋼尺丈量的邊長加入比長、溫度、傾斜、支距、垂曲等項(xiàng)改正，計(jì)算各測點(diǎn)在觀測線方向上的水平距離；計(jì)算各測點(diǎn)到觀測線控制點(diǎn)的水平距離。關(guān)于支距改正，其目的是將相鄰測點(diǎn)間的距離改化成觀測線方向上的距離。圖2.1中1、2、3為觀測線上相鄰的三個(gè)點(diǎn)，點(diǎn)間的距離分別為，三點(diǎn)支距為。設(shè)點(diǎn)間在觀測線方向上的距離為，支距改正按下式計(jì)算 （2.2）式中 r-相鄰兩點(diǎn)的支距差，mm。支距差為，。其中支距應(yīng)考慮正負(fù)號。移動(dòng)和變形計(jì)

16、算：移動(dòng)和變形計(jì)算主要包括：各測點(diǎn)的下沉和水平移動(dòng);相鄰兩測點(diǎn)的下沉和水平移動(dòng);相鄰兩測點(diǎn)的曲率變形；觀測點(diǎn)的下沉速度等。移動(dòng)變形計(jì)算主要包括以下內(nèi)容： m次觀測時(shí)n點(diǎn)的下沉為，mm （2.3）式中為n點(diǎn)的下沉值；分別為首次和m次觀測時(shí)n點(diǎn)的高程，mm。 相鄰兩點(diǎn)間的傾斜為 （mm/m） （2.4）式中為n號點(diǎn)至n+1號點(diǎn)間的水平距離,m;、分別表示n+1號點(diǎn)和n號點(diǎn)的下沉量，mm。n號點(diǎn)附近的曲率為（2.5）n+1號點(diǎn)至n號點(diǎn)和n號點(diǎn)至n-1號點(diǎn)的傾斜，mm/m;n+1號點(diǎn)至n號點(diǎn)和n號點(diǎn)至n-1號點(diǎn)的水平距離，m。n號點(diǎn)的水平移動(dòng)為式中m次觀測和首次觀測n號點(diǎn)至觀測線控制點(diǎn)間的水平距離，m

17、m。n號點(diǎn)至n+1號點(diǎn)間的水平變形為 （2.6）在首次和m次觀測時(shí)n+1號點(diǎn)至n號點(diǎn)的水平距離，m。各觀測數(shù)據(jù)小數(shù)點(diǎn)后取位如表2.2表2.2 地表觀測數(shù)據(jù)取位名稱/mmu/mmI/(mm·)/ (mm·)K/(·)v/mmV/(mm·)取位110.10.10.0110.1 觀測成果繪圖根據(jù)每次觀測的計(jì)算結(jié)果繪制曲線圖，這種曲線圖能夠清楚地描述觀測線（主段面）的移動(dòng)和變形的分布特征及其發(fā)展過程。繪制移動(dòng)和變形曲線時(shí)，以水平軸代表沿觀測線方向，垂直軸代表各移動(dòng)和變形指標(biāo)，這種剖面曲線圖的繪制可借助計(jì)算機(jī)繪圖軟件完成，如GRAPHER V4.4 FOR WIN

18、DOWS軟件，該軟件能夠以多種插入方法將連接個(gè)點(diǎn)的折線光滑為曲線。在剖面曲線圖中還應(yīng)表達(dá)出礦層產(chǎn)狀的有關(guān)參數(shù)及地表地形等情況。觀測站的實(shí)測資料經(jīng)處理后，可求的下列結(jié)果：（1）地表移動(dòng)盤低的范圍、形狀、大小以及各種角值參數(shù)（便捷角、移動(dòng)角、裂縫角、最大下沉角、充分采動(dòng)角）；（2）地表移動(dòng)盆地主斷面上的移動(dòng)和變形分布及其特征，移動(dòng)和變形極值位置;（3）工作面推進(jìn)過程中移動(dòng)和變形的發(fā)展過程極其相應(yīng)的主要參數(shù)。（4）地表移動(dòng)過程中，地表移動(dòng)速度的變化以及與工作面的相應(yīng)關(guān)系；（5）地表移動(dòng)各階段（初始階段、活躍階段、衰退階段）的持續(xù)時(shí)間以及地表移動(dòng)持續(xù)的總時(shí)間；（6）工作面開始回采到地表開始下沉的時(shí)間等

19、。地表移動(dòng)和變形的主要參數(shù)是根據(jù)最后一次全面觀測結(jié)果確定的。但是，要取得一個(gè)礦區(qū)有代表性的地表移動(dòng)規(guī)律，得出移動(dòng)變形參數(shù)及合適的預(yù)計(jì)方法，一般應(yīng)建立在多個(gè)觀測站觀測資料的基礎(chǔ)上，并經(jīng)詳細(xì)的分析，得出結(jié)果才是比較可靠的。2.3 地表移動(dòng)規(guī)律分析水平礦層充分采動(dòng)時(shí)主斷面內(nèi)地表移動(dòng)和變形分布規(guī)律下沉曲線表示移動(dòng)盆地內(nèi)地表下沉分布規(guī)律，它的形狀與采空區(qū)對稱，設(shè)沿主斷面方向?yàn)閤軸，則下沉曲線可以表示，具有以下特征：（1）最大下沉值位于采空區(qū)中央之上方，自盆地中心至盆地邊緣下沉值逐漸減小，在盆地邊界處下沉值趨于零；（2）拐點(diǎn)（指下沉值為最大下沉值1/2的點(diǎn)）一般位于采空區(qū)邊界之上并略偏向采空區(qū)一側(cè)。傾斜曲

20、線表示地表移動(dòng)盆地內(nèi)情斜的變化規(guī)律，移動(dòng)盆地拐點(diǎn)位置的傾斜值最大，并以改點(diǎn)向兩側(cè)對稱分布。傾斜為下沉的一階導(dǎo)數(shù) I（x）= （2.7）水平礦層地表移動(dòng)和變形分布規(guī)律分非充分采動(dòng)、充分采動(dòng)和超充分采動(dòng)。水平礦層非充分開采表示水平礦層非充分采動(dòng)時(shí)主斷面內(nèi)地表移動(dòng)和變形分布規(guī)律。與充分采動(dòng)移動(dòng)盆地相比較，有下列不同：(1)最大下沉值。(2)在盆地中心出現(xiàn)三個(gè)曲率極值（兩正一負(fù)）及三個(gè)水平變形極值（兩個(gè)水平拉伸值，一個(gè)水平壓縮值），且在盆地中心最大下沉點(diǎn)位置兩者都不為零。水平礦層超充分采動(dòng)時(shí)的地表移動(dòng)和變形分布規(guī)律：半無限開采為半無限開采時(shí)地表移動(dòng)和變形分布規(guī)律，是超充分才采動(dòng)的典型情況。在這種條件下

21、，地表移動(dòng)盆地為超充分采動(dòng)時(shí)的半盆地形態(tài)。在盆地的平底部分各點(diǎn)的下沉量均達(dá)到了最大下沉值，而水平變形值、曲率值、水平移動(dòng)值。傾斜值均為零。盆地邊緣的移動(dòng)和變形分布與充分采動(dòng)盆地相似。3 礦區(qū)地表移動(dòng)相似材料模擬實(shí)驗(yàn)3.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c任務(wù)目的與任務(wù)：通過銅川東坡煤礦508觀測站的相似材料模擬試驗(yàn)，確定在厚松散煤層層淺埋開采條件下，基巖與地表移動(dòng)變形的規(guī)律：（1）小采深條件下煤層開采引起上覆巖層移動(dòng)破壞的形式、范圍、規(guī)律（冒落帶、裂隙帶兩帶的高度、范圍）；（2）研究基巖和表土層移動(dòng)破壞形式，確定控制地表移動(dòng)破壞的工作面臨界長度及其計(jì)算參數(shù)；（3）確定在小采深條件下充分采動(dòng)的地表移動(dòng)變形角值（邊界角

22、、移動(dòng)角、裂縫角）及其有關(guān)參數(shù)。通過上述研究為大采深條件下的建筑物安全開采提供依據(jù)，為研究厚松散層礦區(qū)開采引起地表移動(dòng)變形破壞規(guī)律提供依據(jù)。3.2 模擬實(shí)驗(yàn)對象（508觀測站）概況 508觀測站位于東坡礦東南約2km，在橋梁村附近，有可行車的便道通達(dá)。該處地貌梁峁高聳，溝谷深切，地表平均坡度15°，最大坡度30°以上，比高達(dá)90m，有樹林及農(nóng)作物，觀測條件較困難，站內(nèi)無建筑物之類的無障礙。508工作面在東三下山采區(qū)內(nèi)，區(qū)內(nèi)地質(zhì)年代屬渭北石炭二迭紀(jì)，共含煤四層，其中可采煤層為5-2煤，厚度2.32.5m，平均厚度為2.4 m，煤層平均傾角8°，煤層賦存穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單

23、，含夾矸12層，煤層頂板有0.30.5厚的炭質(zhì)頁巖偽頂，其上為泥巖、砂質(zhì)泥巖夾兩層煤線，以及5-1#煤，老頂為中粗粒砂巖k4。煤層上覆巖層平均厚度76.7m，上部為弱含水層，沖擊巖平均厚度103m，。本區(qū)域內(nèi)構(gòu)造較為復(fù)雜，層間滑動(dòng)發(fā)育，對煤層及層板有一定破壞作用，區(qū)內(nèi)區(qū)內(nèi)水文條件簡單。508工作面采空區(qū)，已破壞了地層固有結(jié)構(gòu)，但考慮回采結(jié)束已5年以上，地表沉陷已停止，對508觀測站無較大影響。3.3 模擬地層厚度及配比表3.1 工作面上覆巖層厚度及比例巖層名稱地質(zhì)年代厚度硬度系數(shù)厚度比例黃土夾碎石塊第四系103.01.056.59砂巖及頁巖、砂巖互層二迭系下統(tǒng)下石盒子組18.56.010.16

24、頁巖砂巖粉砂巖細(xì)砂巖石英砂巖二迭系下統(tǒng)山西組53.28.029.23泥巖與煤互層石炭系上統(tǒng)太原組2.573.01.415-1#煤1.81.51.44砂質(zhì)泥巖1.553.00.855-2#煤2.41.51.32合計(jì)179.7加權(quán)平均值3.633.4 試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒捎玫南嗨茥l件模擬試驗(yàn)對相似材料的基本要求是：材料的某些力學(xué)性質(zhì)與巖石相似，即模擬破壞過程時(shí)，應(yīng)使相似材料的單向抗壓強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度相似于原型材料； 試驗(yàn)過程中材料的力學(xué)性能穩(wěn)定，不易受外界條件的影響； 改變材料配比，可調(diào)整材料的某些性質(zhì)以適應(yīng)相似件的需要； 制作方便，凝聚時(shí)間短； 成本低，來源豐富。本次試驗(yàn)所采用的主要材料如下：主料： 砂，黃

25、土；輔料： 大白粉、熟石膏、云母、水，其中煤層的配比時(shí)要加入粉煤灰。由于模型材料的主料是砂，輔料占比重較少，不影響模型材料的比重，所以，除煤層外，其它各層的比重均按1600kg/m3計(jì)算。模擬材料要按照一定的含量比例進(jìn)行混合，具體的混合含量比例如表3.2所示：表3.2 相似材料配比巖層名稱配比總重/kg黃土煤粉/kg河沙/kg大白粉/kg石膏/kg水/升模擬厚度/cm黃土8：02350.2140.1210.18.649.3砂質(zhì) 頁巖，石英砂巖互層7374236.73.681.573.66.0粉砂巖83766.659.295.172.225.99.8粉砂巖83754.448.44.21.814.

26、88.0泥巖82812.711.261.10.2811.11.92-2煤26：15：5：19.065.012.90.970.20.91.2細(xì)砂巖74629.92.521.682.95.03.5 實(shí)驗(yàn)步驟 建模前的準(zhǔn)備（1）所需配料的準(zhǔn)備：建模所需的配料為：煤粉（干燥、粉末狀）、河砂（干燥、細(xì)沙）、石膏（干燥GB9776-88）、大白粉（干燥、細(xì)度為5000目）。如圖3.1所示： 圖3.1(a)黃土 圖3.1（b）煤粉 圖3.1(c)大白粉 圖3.1（d） 石膏 圖3.1（e） 沙 圖3.1（f） 云母片圖3.1建模所需配料（2）模具的準(zhǔn)備：首先把原來的模型拆除，在拆除的時(shí)候要注意一層一層的慢慢

27、的往下拆。接著把模具用鋼鐵刷子清潔干凈，然后用濕抹布擦洗一遍，等模具晾干了以后再抹上潤滑油（防止材料粘到模具上造成實(shí)驗(yàn)的失?。┳詈蟀涯＞吖潭ǖ侥＜苌厦妗?模型的制作（1）按照材料配比單進(jìn)行干料配比。（2）干料配好后，先將干料攪拌均勻，然后按比例加水.如果干料需水量大于或小于比例水量，則加水到干濕度合適為宜。（3）原料攪拌好以后就開始進(jìn)行模型的制作，首先將材料放入模子（每2CM厚為一小層），然后將其整平，最后派專人用重錘輕壓（要保持用力的均勻，使得材料的厚度一致），壓實(shí)后撒上云母粉。在不同的巖層之間云母粉量要多一點(diǎn)。（4）從第三層開始，巖層壓實(shí)后用鋼鋸片每隔10厘米劃一下（劃痕約為2CM），讓劃

28、痕充當(dāng)巖層的斷層。（5）按照上面的工序逐層往上加料，直到模型建造結(jié)束為止。 測點(diǎn)安置（1）拆除擋板在模型的最后一層壓實(shí)后，等待兩天時(shí)間，拆除模型兩邊的“槽型”擋板，增加模型通風(fēng)，使其盡快干燥。拆除時(shí)，應(yīng)兩個(gè)人操作，先松開兩邊的螺絲，再把擋板輕輕從一邊推向另一邊，以避免損壞尚未干燥的模型。（2）對上層進(jìn)行加工處理，形狀如圖3.2上層處理后的模型（3）設(shè)置玻璃橫梁為了能更加清晰的觀察實(shí)驗(yàn)過程，該實(shí)驗(yàn)采用玻璃橫梁。該橫梁的尺寸為：2.4m×120mm×10mm，既能保證良好的透光效果，又不會彎曲、變形，從而保證了實(shí)驗(yàn)效果的真實(shí)、可靠。在模型的上中下各設(shè)置三塊玻璃橫梁。安裝時(shí)，使橫

29、梁距離模型表面2mm以上，以免影響實(shí)驗(yàn)效果。（4）控制點(diǎn)及測點(diǎn)設(shè)置相似材料模型剖面長度一般在3000 mm以上，若采用大致3 k×3 k陣列的數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行全剖面攝影時(shí)，因像點(diǎn)量測引起的模型點(diǎn)位誤差可達(dá)0.5mm左右，加上其他因素影響誤差將更大。另一方面，由于數(shù)碼相機(jī)的光學(xué)畸變差與像點(diǎn)相對于影像中心的徑向距離有關(guān)，影像邊緣的畸變差和糾正后的殘余畸變差都遠(yuǎn)大于影像中心附近，而實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦吔绺浇慕^對位移量一般較小，量測相對精度要求更高。因此，在目前常規(guī)數(shù)碼相機(jī)分辨率（不超過1000萬像素）條件下，采用模型全剖面一次攝影的量測精度難以達(dá)到模型實(shí)驗(yàn)要求，在模型實(shí)驗(yàn)中曾采用普通數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行全剖面

30、攝影測量試驗(yàn)，其結(jié)果不理想。為了獲得高精度的位移量測值，本實(shí)驗(yàn)在每個(gè)測點(diǎn)周圍設(shè)置獨(dú)立的控制格網(wǎng)，對各測點(diǎn)標(biāo)志采用近距離的單點(diǎn)數(shù)碼照相，獲得測點(diǎn)在獨(dú)立控制格網(wǎng)中的實(shí)際坐標(biāo)值。測點(diǎn)獨(dú)立控制網(wǎng)圖3.3測點(diǎn)獨(dú)立控制網(wǎng)圖3.4測點(diǎn)設(shè)置圖（5）煤層開采在模型完全干燥以后，開始采煤。從模型左端50cm處開始，向右開采，第一次開采20cm，以后每半小時(shí)開采一次，每次5cm，采至煤層160cm處結(jié)束。3.6 數(shù)據(jù)獲取及成果測定 數(shù)據(jù)獲取采用普通數(shù)碼相機(jī)，在微距拍攝模式下，針對單個(gè)測點(diǎn)進(jìn)行拍照。在保證圖像清晰的條件下，盡可能靠近被拍攝測點(diǎn)，拍攝距離一般在200300mm，保證格網(wǎng)布滿整個(gè)影像。拍照時(shí)將鏡頭取景框中

31、心對準(zhǔn)測點(diǎn)標(biāo)志，以減小影像畸變改正后的殘余誤差。第一次拍照是在設(shè)置好測點(diǎn)后進(jìn)行的，第二次是每層第一次開采后進(jìn)行的，以后煤開采一次，進(jìn)行一次。 位移測定采用奧林巴斯FE-280型數(shù)碼相機(jī)對各測點(diǎn)進(jìn)行兩次獨(dú)立拍照，通過其較差值檢測數(shù)碼照相方法的可靠性。在開采前和各次開采穩(wěn)定后均對所有測點(diǎn)進(jìn)行照相。將數(shù)碼照片調(diào)入AutoCAD成圖系統(tǒng)中，利用該軟件量取測點(diǎn)在獨(dú)立坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，根據(jù)測點(diǎn)的各次測定坐標(biāo)之差計(jì)算下沉和水平移動(dòng)量。表3.3 開采進(jìn)程中水平移動(dòng)量點(diǎn)號開采60cm水平移動(dòng)量/mm開采120cm水平移動(dòng)量/mm開采156cm水平移動(dòng)量/mm10.1-0.120.2-0.130.15-0.1540

32、.1-0.150.70.560.3-0.6700.3-0.680.10.6-0.390.10.5-0.5100.1-0.1-0.2110.10.1-0.212-0.050.35-0.75130.10.80.1140.150.55-0.45150.20.7-0.116-0.30.2-0.5170.1-0.4-1.31800-0.6190.050.05-0.4520-0.05-0.05-0.4521-0.1-222-0.1-1.923-0.1-1.8240-1.825-0.2-1.626-0.1-1.6270.1-1.828-0.6-3.329-0.5-2.630-0.55-2.5531-0.7-

33、2.932-0.75-3.0533-0.6-2.934-0.2-2.6350.3-1.936-0.93.23704.1380-0.8390.3-0.4400.750.05圖3.5開采進(jìn)程中水平移動(dòng)量表3.4 開采進(jìn)程中垂直下沉量開采60cm沉降量/mm開采120cm沉降量/mm開采156cm沉降量/mm00.20.200-0.100.1-0.200-0.700.1-1.100.1-30.05-0.15-5.350.1-0.7-6.80.1-1.6-80.15-6.25-10.550-7.5-10.3-0.2-8.7-11.6-0.15-8.55-11.45-0.3-9.5-0.04-0.8-1

34、1.8-13.7-2-12.3-14.3-1.8-12.8-14.9-0.9-11.4-13.8-0.5-10.6-13.2-0.2-10.1-12.6000.10-0.05-0.350-0.1-0.60-0.2-10-0.05-1.350-0.3-2.10-0.35-3.450-0.8-6.50-1.55-7.950-2.4-9.10-2.95-9.950-3.25-10.450-4-10.80-4.4-12.10-4.75-12.850-11.2-13.20-11.05-13.450-10.95-13.550-10.45-12.950-0.41.83.7 實(shí)驗(yàn)結(jié)論本次試驗(yàn)是模擬508觀測站

35、厚松散煤層淺埋開采條件下，基巖與地表移動(dòng)變形規(guī)律的研究，研究成果如表3.3、表3.4，圖3.4、圖3.5所示，由圖和表可看出：（1）測點(diǎn)120處于煤礦開采三帶中的裂隙帶，測點(diǎn)2140處于彎曲下沉帶，由曲線可看出測點(diǎn)120水平移動(dòng)、垂直下降值均比測點(diǎn)2140小符合開采損害學(xué)規(guī)律。（2）由圖3.4、圖3.5曲線可看出開采結(jié)束后（開采156cm），最大水平移動(dòng)量出現(xiàn)在37號測點(diǎn)值為為13.45mm，最大垂直下沉量出現(xiàn)在37號測點(diǎn)值為4.1cm。（3）圖3.4、3.5顯示地表水平移動(dòng)、垂直下降曲線不光滑，連續(xù)性較差。（4）由曲線的急劇變化可看出在開采影響在厚松散層中動(dòng)態(tài)傳播速度較快4 508觀測站地表

36、移動(dòng)觀測成果分析4.1 508觀測站概況 觀測站的位置及地形區(qū)域上覆巖層厚度及比例觀測站的位置及地形見章節(jié)2.3，區(qū)域上覆巖層厚度及比例見章節(jié)2.4. 508工作面采礦技術(shù)條件工作面煤層傾角212°，平均7°，黃土厚度103米，上覆巖層厚77米，工作面走向長645米，傾向長136米，采厚2.4米.采煤方法為由東向西的走向長臂后褪式開采，采煤機(jī)組落煤，循環(huán)進(jìn)度0.6米，月平均循環(huán)71次，平均月進(jìn)度42.6米，采用全部陷落法管理頂板，最大控頂距3.85米，最小控頂距3.25米，工作面回采率95.表4.1 508工作滿面采煤方法站名煤層傾角開采厚度開采深度工作面參數(shù)推進(jìn)速度采煤方

37、法回采率頂板管理方法平均厚度黃土厚度基巖厚度深厚比走向長傾斜長5082.418018010377756451361.4走向長壁95全陷2912.0455455603952286801500.8959052.018218211072943001020795 地表觀測站設(shè)置連測方案觀測站的設(shè)置：觀測線，鑒于設(shè)站區(qū)域地形較復(fù)雜，傾向觀測線點(diǎn)間距一般為20米，走向觀測線點(diǎn)間距一般為20-60米之間。走向線長度340m，測點(diǎn)11個(gè)，控制點(diǎn)2個(gè)，傾向觀測線長438m，測點(diǎn)22個(gè)，控制點(diǎn)3個(gè)。B轉(zhuǎn)點(diǎn)賀家源油庫井家堡GFGED轉(zhuǎn)點(diǎn)圖4.1控制連測方案如圖，以礦區(qū)四等控制網(wǎng)點(diǎn)賀家源井家堡為起算方位，用邊角網(wǎng)方式

38、求得油庫點(diǎn)坐標(biāo)，用邊角網(wǎng)方式求的油庫點(diǎn)坐標(biāo)，用一級光電測距導(dǎo)線依次求得B、C、E、D、F、G各點(diǎn)，控制點(diǎn)形成閉合導(dǎo)線，高程采用光電測距三角高程測取。閉合導(dǎo)線的角度閉合差為25，坐標(biāo)閉合差f=45mm，相對閉合差1/8000，高程閉合差25mm，達(dá)到規(guī)范精度要求。取平差值作為觀測站的起算數(shù)據(jù)。4.2.觀測站地表下沉及水平移動(dòng)分析 傾向線下沉及水平移動(dòng)分析根據(jù)508觀測站已知數(shù)據(jù)表3.3中總下沉W，水平移動(dòng)U和表3.2中地面觀測點(diǎn)間距離。用公式： ，mm/m （4.1）式中 為n 號點(diǎn)至n+1號點(diǎn)間的水平距離，m；、分別表示n+1號點(diǎn)和n號點(diǎn)的下沉量，mm。 （4.2）n+1號點(diǎn)至n號點(diǎn)和n號點(diǎn)至

39、n-1號點(diǎn)的傾斜，mm/m;n+1號點(diǎn)至n號點(diǎn)和n號點(diǎn)至n-1號點(diǎn)的水平距離，m。 ，mm/m （4.3）在首次和m次觀測時(shí)n+1號點(diǎn)至n號點(diǎn)的水平距離，m。計(jì)算出傾斜I，曲率K，水平變形，計(jì)算結(jié)果如表4.3所示表4.2 觀測站點(diǎn)之間距離觀測點(diǎn)點(diǎn)號觀測點(diǎn)點(diǎn)間距(m)觀測點(diǎn)點(diǎn)號觀測點(diǎn)點(diǎn)間距(m)觀測點(diǎn)點(diǎn)號觀測點(diǎn)點(diǎn)間距(m)觀測點(diǎn)點(diǎn)號觀測點(diǎn)點(diǎn)間距(m)151320141320131220121120觀測點(diǎn)點(diǎn)號觀測點(diǎn)點(diǎn)間距(m)觀測點(diǎn)點(diǎn)號觀測點(diǎn)點(diǎn)間距(m)觀測點(diǎn)點(diǎn)號觀測點(diǎn)點(diǎn)間距(m)觀測點(diǎn)點(diǎn)號觀測點(diǎn)點(diǎn)間距(m)1110201092098208720觀測點(diǎn)點(diǎn)號觀測點(diǎn)點(diǎn)間距(m)觀測點(diǎn)點(diǎn)號觀測點(diǎn)點(diǎn)間距(

40、m)觀測點(diǎn)點(diǎn)號觀測點(diǎn)點(diǎn)間距(m)觀測點(diǎn)點(diǎn)號觀測點(diǎn)點(diǎn)間距(m)7620652054204320觀測點(diǎn)點(diǎn)號觀測點(diǎn)點(diǎn)間距(m)觀測點(diǎn)點(diǎn)號觀測點(diǎn)點(diǎn)間距(m)觀測點(diǎn)點(diǎn)號觀測點(diǎn)點(diǎn)間距(m)觀測點(diǎn)點(diǎn)號觀測點(diǎn)點(diǎn)間距(m)3220212010200-120觀測點(diǎn)點(diǎn)號觀測點(diǎn)點(diǎn)間距(m)觀測點(diǎn)點(diǎn)號觀測點(diǎn)點(diǎn)間距(m)觀測點(diǎn)點(diǎn)號觀測點(diǎn)點(diǎn)間距(m)觀測點(diǎn)點(diǎn)號觀測點(diǎn)點(diǎn)間距(m)-1-220-2-320-3-420-4-520觀測點(diǎn)點(diǎn)號觀測點(diǎn)點(diǎn)間距(m)觀測點(diǎn)點(diǎn)號觀測點(diǎn)點(diǎn)間距(m)觀測點(diǎn)點(diǎn)號觀測點(diǎn)點(diǎn)間距(m)觀測點(diǎn)點(diǎn)號觀測點(diǎn)點(diǎn)間距(m)-5-640-6F40表4.3 傾向線下沉水平移動(dòng)成果點(diǎn)號進(jìn)程/m總下沉/mm下沉差/mm

41、傾斜mm/m傾斜變化曲率10-3/m水平移動(dòng)mm水平變形mm/m1500100.500142010-0.4-0.01818020.11.51340120.350.0166673090.451.75126021-0.15-0.00756560.30.51180270.350.017575130.651.2510100400.750.0375100281.41.59120680.70.035130422.11.25814011030.41.5215565032.519.757160760-12.5-0.625550400204.256180116014.50.72563569034.5-6.755

42、2001850-15-0.7550039019.5-442202240-21.2-1.06420-34-1.7-532402206-9-0.45-320-214-10.7422601992-4.4-0.22-400-302-15.16.512801690-28.9-1.445-530-880-441.5030081041.652.45-560-47-2.350-1320763-6.8-0.34-560-183-9.15-2-23405800.20.009091-520-179-8.95-4-33604014.950.275-440-80-4-13-4374321-0.95-0.05278-18

43、0-99-4.956-53862220.90.03-300-81-4.05-4.5-64261411.30.044828-120-55-2.75-7.5-7442862.750.125-6300f46823以下各曲線圖依次根據(jù)以上表格中傾向線沉降、傾斜、曲率、水平移動(dòng)、水平變形數(shù)據(jù)根據(jù)EXCEL散點(diǎn)圖生成的平滑曲線圖。由沉降曲線可看出下沉曲線連續(xù)性較差各部分過度不自然（特別是拐點(diǎn)處附近）。最大下沉量在進(jìn)度220米附近約為2200mm。0150米幾乎無沉降量，150220米急劇下沉。220400米下沉量急劇變化,而且下沉最大點(diǎn)偏向下山方向。圖4.3傾斜曲線圖由傾斜曲線可看出0100米傾斜較小，3

44、50450米傾斜也較小100米350米傾斜較大，且在180米和270米附近傾斜達(dá)到最大傾斜范圍36-37mm/m。圖4.4曲率曲線圖由曲率曲線可看出0100米曲率接近于0，在100380米處波動(dòng)較大且正負(fù)交替出現(xiàn)最大值正值在300米為2.5，最大負(fù)值在270米為-1.5。圖4.5水平移動(dòng)曲線圖 由水平移動(dòng)曲線圖可看出地表水平移動(dòng)值在0220米為正且呈上升趨勢220米300米為負(fù)且呈負(fù)值上升趨勢，300470米地表水平移動(dòng)值呈下降趨勢，最大正值620米，最大負(fù)值580米。圖4.6水平變形曲線圖由水平變形曲線圖可看出水平變形整體波動(dòng)較大，在80米出現(xiàn)峰值20mm/m，水平變形基本上在8-9之成正負(fù)

45、對稱分布。 走向線下沉水平移動(dòng)研究根據(jù)對傾向線下沉、水平移動(dòng)已有的曲線圖的量測通過公式計(jì)算得出下方表格中的數(shù)據(jù)根據(jù)508觀測站已知數(shù)據(jù)表4.3中總下沉，水平移動(dòng)和表4.4中地面觀測點(diǎn)間距離。用公式：（4.1，4.2，4.3）計(jì)算出傾斜I，曲率K，水平變形，計(jì)算結(jié)果如表4.5所示表4.4 觀測站點(diǎn)之間距離觀測點(diǎn)點(diǎn)號觀測點(diǎn)點(diǎn)間距(m)觀測點(diǎn)點(diǎn)號觀測點(diǎn)點(diǎn)間距(m)觀測點(diǎn)點(diǎn)號觀測點(diǎn)點(diǎn)間距(m)觀測點(diǎn)點(diǎn)號觀測點(diǎn)點(diǎn)間距(m)2141442220222320232420觀測點(diǎn)點(diǎn)號觀測點(diǎn)點(diǎn)間距(m)觀測點(diǎn)點(diǎn)號觀測點(diǎn)點(diǎn)間距(m)觀測點(diǎn)點(diǎn)號觀測點(diǎn)點(diǎn)間距(m)觀測點(diǎn)點(diǎn)號觀測點(diǎn)點(diǎn)間距(m)24256025263026

46、2730272830觀測點(diǎn)點(diǎn)號觀測點(diǎn)點(diǎn)間距(m)觀測點(diǎn)點(diǎn)號觀測點(diǎn)點(diǎn)間距(m)觀測點(diǎn)點(diǎn)號觀測點(diǎn)點(diǎn)間距(m)觀測點(diǎn)點(diǎn)號觀測點(diǎn)點(diǎn)間距(m)28296029302030C30表4.5 走向線沉降與水平移動(dòng)成果表點(diǎn)號進(jìn)程/m總下沉/mm下沉差/mm傾斜mm/m傾斜變化曲率10-3/m水平移動(dòng)/mm水平變形mm/m2102490-790-210-15-2.857144142280-9.16667-0.48246-830-580-24.1667-7.083332240170034.166671.55303-1000200105.2523601900-12.75-0.60714-895-55-2.75-0.7

47、524801845-11.5625-0.23125-910-1145-14.31251025160700-0.98162-0.01753-110-520-15.29417.8571432619018013.294120.492375110-40-24.25272201400.60.017143195-70-1.4-3.0208328260700.40.00701850-50-1-0.7529320200.50.0131588-10-0.5-0.430340100.1666670.0066670-10-0.333330C37000以下各曲線圖依次根據(jù)以上表格中走向線沉降、傾斜、曲率、水平移動(dòng)、水

48、平變形數(shù)據(jù)根據(jù)EXCEL散點(diǎn)圖生成的平滑曲線圖。圖4.7沉降量曲線圖從沉降曲線圖可看出最大下降量為2500mm，總體曲線較平滑，在個(gè)別處出現(xiàn)拐點(diǎn)，例如在進(jìn)度30米附近下沉量出現(xiàn)減小趨勢，地表下沉在0180米急劇下降，在180380米較平緩。圖4.8傾斜曲線圖由傾斜曲線圖可看出2050迷傾斜變化較大，且在50米達(dá)到正的最大值10mm/m，在20米達(dá)到負(fù)的最大值-26，在80160米傾斜幾乎無變化160180米變化也較大，180340米傾斜非常小且變化較小。圖4.9曲率曲線圖由曲率曲線圖可看出總體上曲率呈上升趨勢但是不平滑在80米、200米出現(xiàn)拐點(diǎn)，曲率最大值出現(xiàn)在進(jìn)度340米處值為14(/m)。由水平移動(dòng)曲線圖可看出除了在080米不平緩?fù)?，其余均較平緩，水平移動(dòng)負(fù)值最大為1000mm，正值最大為200mm，從170米水平移動(dòng)值從正變?yōu)樨?fù)，