某高含煤礦井工程觀測站設(shè)計(jì)

某高含煤礦井工程觀測站設(shè)計(jì)

采礦業(yè)的沉降不僅破壞了礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境，而且嚴(yán)重影響了地面和地表建筑（結(jié)構(gòu)）的質(zhì)量。開采沉陷引起的地表移動(dòng)及地表建筑(構(gòu)筑)物的破壞過程十分復(fù)雜,不僅與礦區(qū)的地質(zhì)采礦條件有關(guān),而且還受到開采厚度、開采深度、工作面推進(jìn)速度,工作面寬度以及地表建筑(構(gòu)筑)物結(jié)構(gòu)和形狀的影響。高等級(jí)公路是國民經(jīng)濟(jì)的動(dòng)脈,屬于延伸線狀構(gòu)筑物,同時(shí)一般設(shè)有橋梁、高架橋、隧道等附加構(gòu)筑物,車輛的運(yùn)行速度高、密度大、運(yùn)量大,對(duì)開采沉陷損害極為敏感。開采沉陷引起的地表下沉、傾斜、曲率、水平移動(dòng)和水平變形都將對(duì)高等級(jí)公路造成一定程度的破壞,而目前對(duì)于高等級(jí)公路下采煤研究甚少,國內(nèi)外尚無成功案例。所以由此可知研究高等級(jí)公路下采煤具有重大的現(xiàn)實(shí)意義和科學(xué)意義:要掌握采煤沉陷區(qū)高等級(jí)公路的移動(dòng)與變形規(guī)律,指導(dǎo)煤炭安全生產(chǎn),減少對(duì)開采沉陷對(duì)高等級(jí)公路的損害,必須對(duì)開采工作面之上的高等級(jí)公路進(jìn)行大量的實(shí)地觀測,即建立高等級(jí)公路移動(dòng)觀測站。1移動(dòng)觀測站的布設(shè)原則根據(jù)設(shè)站目的和地表建筑(構(gòu)筑)物的不同形狀,必須選擇合理的觀測站布設(shè)形式。目前我國礦區(qū)大多采用剖面觀測站,普通地表移動(dòng)觀測站的具體布設(shè)形式有6種。而對(duì)于高等級(jí)公路這種特殊構(gòu)筑物,由于其縱向長度很大,而橫向?qū)挾认鄬?duì)較小,抗變形能力差,路基縱斷面中央和路堤或路塹受開采影響的變形破壞規(guī)律也不完全一致。為了更加全面地掌握高等級(jí)公路在開采影響下的破壞規(guī)律與特點(diǎn),其移動(dòng)觀測站的布設(shè)形式應(yīng)具體情況具體分析,不能完全照搬普通建筑物移動(dòng)觀測站的設(shè)計(jì)方法。采空區(qū)上方地表可能產(chǎn)生連續(xù)性或非連續(xù)性的位移變形,對(duì)高等級(jí)公路的危害主要有如下幾種方式:采空區(qū)的失穩(wěn)冒落,使地表劇烈變形,產(chǎn)生陷坑、臺(tái)階等;路基沉陷,造成路基、路面局部開裂,使承載力下降,使用性能降低,或造成路面低洼積水破壞;傾斜使坡度發(fā)生變化,導(dǎo)致行馳車輛重心偏移,在彎道處易發(fā)生交通事故;水平變形和曲率使路面受拉伸開裂、受壓縮隆起,使路面發(fā)生波浪起伏及路面與路基間的局部離層等。為了防止上述現(xiàn)象的發(fā)生,位于開采工作面上方高等級(jí)公路的路基路面移動(dòng)觀測線的長度應(yīng)保證其2個(gè)端點(diǎn)(半條移動(dòng)觀測線時(shí)為一個(gè)端點(diǎn))超出采動(dòng)影響范圍,以便建立移動(dòng)觀測站控制點(diǎn)和測定采動(dòng)影響邊界。開采影響范圍內(nèi)的測點(diǎn)為工作測點(diǎn),在開采過程中應(yīng)保證它們和高等級(jí)公路路基路面一起移動(dòng),以反映高等級(jí)公路的移動(dòng)過程,如圖1。1.1移動(dòng)觀測線的布設(shè)整個(gè)路面結(jié)構(gòu),鋪筑于路基頂部的路槽中,是修筑于路基之上的層狀結(jié)構(gòu)物,高等級(jí)路面的路面包括面層和基層,面層常由2層或3層組成,分別稱為面層上層和面層下層,或面層上、中、下層。路面直接承受行車荷載的作用,受各種不利自然因素和人為因素的影響最大,對(duì)開采沉陷引起的破壞也最為敏感。路面質(zhì)量的好壞直接決定行車的舒適度和經(jīng)濟(jì)性,所以在進(jìn)行地下煤層開采時(shí)應(yīng)對(duì)高等級(jí)公路的路面進(jìn)行變形觀測,探究其破壞規(guī)律,以便采取相應(yīng)的保護(hù)措施。鑒于以上原因,受開采影響的高等級(jí)公路的路面應(yīng)合理布設(shè)移動(dòng)觀測線,結(jié)合高等級(jí)公路路面形狀及結(jié)構(gòu)特點(diǎn),其移動(dòng)觀測線的布設(shè)形式如圖1,即在縱斷面方向上布設(shè)3條移動(dòng)觀測線,分別位于路面中央和兩側(cè);在橫斷面方向上也布設(shè)3條,分別位于采煤工作面正上方公路的橫斷面中央和受開采影響的橫斷面邊界處。每條移動(dòng)觀測線的長度都要超出受地下開采的影響邊界。1.2路基移動(dòng)觀測線的設(shè)置路基是修筑于地基之上的帶狀結(jié)構(gòu)物,承受路面的自重以及車輛的載荷,并將路面自重和車輛載荷傳遞到地基,是整個(gè)公路結(jié)構(gòu)的核心,其質(zhì)量的好壞直接決定高等級(jí)公路的使用年限和運(yùn)輸量。由于高等級(jí)公路的路基路面都是分層修筑的,路基路面在受到外界因素的影響后,路基路面的變形并不同步,變形量也不相同,所以受開采影響的高等級(jí)公路的路基也應(yīng)單獨(dú)布設(shè)移動(dòng)觀測線,以便研究路基受開采影響的破壞程度以及路基路面的變形差異與關(guān)系,為今礦區(qū)高等級(jí)公路的建設(shè)提供科學(xué)的理論指導(dǎo)。路面厚度較小,所以高等級(jí)公路路基移動(dòng)觀測線的長度應(yīng)和路面一致,布設(shè)2條,即路基兩側(cè)各1條,并將2條移動(dòng)觀測線都布設(shè)于路基與路面交界處,避免由于路基自身的固結(jié)沉降而影響路基與路面的變形關(guān)系。高等級(jí)公路路基移動(dòng)觀測線的布設(shè)形式如圖2所示。1.3移動(dòng)觀測線布設(shè)橋梁是高等級(jí)公路建設(shè)中不可避免的附屬設(shè)施,常修筑于起伏較大或有大面積水域的地區(qū)。隨著煤炭資源的大規(guī)模開采,高等級(jí)公路建設(shè)力度的加大,高等級(jí)公路橋梁下壓煤現(xiàn)象頻頻出現(xiàn)。為了研究地下煤層開采對(duì)高等級(jí)公路橋梁影響,必須對(duì)其進(jìn)行實(shí)地觀測,即布設(shè)移動(dòng)觀測線。橋梁一般由橋墩和梁體構(gòu)成,橋梁的破壞主要是由于梁體強(qiáng)度不夠而發(fā)生斷裂和垮塌或者由于兩橋墩的下沉差過大而導(dǎo)致梁體向一側(cè)滑移。鑒于此,橋梁移動(dòng)觀測線應(yīng)布設(shè)在對(duì)變形敏感的地方,為了同時(shí)監(jiān)測橋墩和梁體的縱向變形和橫向變形,所有橋墩都要布設(shè)橫縱向移動(dòng)觀測線,即每個(gè)橋墩布設(shè)4條移動(dòng)觀測線(圖3),縱向1條,橫向3條,分別位于橋墩頂部,橋墩中央和橋墩底部。此外,還應(yīng)沿梁體布設(shè)1條移動(dòng)觀測線。路橋過渡段是極易破壞而引發(fā)跳車等交通事故的地方,因此,在路橋過渡處也要布設(shè)移動(dòng)觀測線,即沿路橋交界線布設(shè)1條,沿垂直于路橋交界線布設(shè)1條,具體布設(shè)形式如圖4。1.4隧道分層開采影響下的開采沉陷對(duì)隧道布設(shè)移動(dòng)觀測線的需求高等級(jí)公路隧道為線性工程,由于地下煤層開采造成了覆巖的不均勻性沉降,容易造成隧道路面錯(cuò)落起伏、襯砌結(jié)構(gòu)變形、開裂等破壞現(xiàn)象,對(duì)高等級(jí)公路隧道的正常運(yùn)營以及破壞后的補(bǔ)救修復(fù),都構(gòu)成了嚴(yán)重的安全隱患和潛在危害。鑒于地下煤層開采后留下的采空區(qū)具有隱伏性強(qiáng)、空間分布特征規(guī)律性差、采空區(qū)頂板冒落情況難以預(yù)測等特點(diǎn)的原因,必須對(duì)受開采影響的高等級(jí)公路隧道布設(shè)移動(dòng)觀測線進(jìn)行實(shí)地觀測,獲取現(xiàn)場資料,以便研究開采沉陷對(duì)高等級(jí)公路隧道的破壞規(guī)律,為工程實(shí)踐和科學(xué)研究提供理論依據(jù)。為了監(jiān)測隧道在開采影響下的移動(dòng)變形規(guī)律,結(jié)合隧道自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),高等級(jí)公路隧道移動(dòng)觀測線應(yīng)沿著兩洞口的拱形面和洞底的兩人行道布設(shè),具體布設(shè)形式如圖5。1.5開采對(duì)高等級(jí)降低的破壞規(guī)律在煤炭開采過程中的應(yīng)用探索涵洞是高等級(jí)公路跨越河谷、溪流、河流、人工渠道以及排除路基內(nèi)側(cè)邊溝水流時(shí)需要修建的各種橫向排水溝構(gòu)造物,是高等級(jí)公路排水構(gòu)造物的重要組成部分之一。礦區(qū)高等級(jí)公路涵洞在運(yùn)營過程中除受到洪水沖擊和上覆載荷的重壓外,開采沉陷對(duì)其的破壞也很嚴(yán)重。為了保證礦區(qū)高等級(jí)公路涵洞能正常發(fā)揮功能,在煤炭開采過程中必須對(duì)其加以保護(hù),因此,布設(shè)移動(dòng)觀測線進(jìn)行實(shí)地觀測,掌握高等級(jí)公路涵洞受開采破壞的規(guī)律就尤為重要。高等級(jí)公路涵洞的路涵過渡段對(duì)外界變形最為敏感,因此,在路涵過渡段布設(shè)兩條相互垂直的移動(dòng)觀測線(圖6),移動(dòng)觀測線長度與地基土質(zhì),涵洞大小有關(guān)。1.6路基與地基間的變形路基路面在受開采沉陷影響的同時(shí),由于路基路面自身的固結(jié)作用也會(huì)產(chǎn)生下沉,造成路基與地基間的變形不一致。因此,必須對(duì)高等級(jí)公路的地基布設(shè)移動(dòng)觀測線,以研究地基變形和路基變形的關(guān)系。地基移動(dòng)觀測線布設(shè)在路基兩側(cè)與地表相交的基巖上,共兩條,其長度和路基路面移動(dòng)觀測線一致,如圖7。2高橋橋移動(dòng)觀測線觀測高等級(jí)公路路基路面及其附屬設(shè)施的移動(dòng)觀測站布設(shè)形式和位置較為特殊,利用常規(guī)移動(dòng)觀測站的“經(jīng)緯儀+支距測量”數(shù)據(jù)獲取方式進(jìn)行觀測比較困難,甚至無法完成任務(wù)。為了提高作業(yè)效率,高等級(jí)公路路基路面移動(dòng)觀測線、橋梁梁體移動(dòng)觀測線、路橋過渡段移動(dòng)觀測線、隧道洞底移動(dòng)觀測線、涵洞移動(dòng)觀測線可以利用GPS進(jìn)行觀測,而對(duì)于橋墩移動(dòng)觀測線和隧道洞口拱形面上的移動(dòng)觀測線可利用全站儀觀測。獲取實(shí)地觀測數(shù)據(jù)后,通過各觀測點(diǎn)坐標(biāo)的反算就可求得觀測點(diǎn)間的距離和高差,再將所得結(jié)果與前期數(shù)據(jù)比較,便可得到自上期觀測后各觀測點(diǎn)的變形量。3建站的建站位置的影響建立高等級(jí)公路移動(dòng)觀測站首先要了解工作面的采礦條件、周圍的開采情況、公路等級(jí)、路面寬度以及有無橋梁、隧道等公路附屬構(gòu)筑物,如果已有開采對(duì)建站公路路基路面造成過影響,那就不能在此建立觀測站,應(yīng)該在不受臨近開采影響的地方建站才合適。3.1地表移動(dòng)資料收集建站前必須收集礦區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造、巖層柱狀、煤層產(chǎn)狀、開采深度、上邊界、下邊界、松散層厚度、工作面的形狀(最好是矩形工作面)、工作面的走向長度、傾斜長度、煤層傾角、采煤厚度的資料。并對(duì)礦區(qū)已有的地表移動(dòng)資料進(jìn)行收集,如充分采動(dòng)角;上山移動(dòng)角、下山移動(dòng)角、走向移動(dòng)角;移動(dòng)角修正值;最大下沉角及松散層移動(dòng)角。在礦區(qū)沒有移動(dòng)變形參數(shù)時(shí),可選用地質(zhì)采礦條件相似的臨近礦區(qū)的移動(dòng)參數(shù)。3.2公路的建筑工程建設(shè)情況建立高等級(jí)公路移動(dòng)觀測站之前,除了需要收集礦區(qū)的地質(zhì)采礦條件資料外,還要收集高等級(jí)公路的基本信息,如公路的修建時(shí)間、路基填筑土質(zhì)、路面材料、等級(jí)劃分、日通行量、邊坡坡度與高度、公路縱坡坡度、公路橫坡坡度、路面破損情況、路面已有裂縫寬度及其長度、公路與采煤工作面的相對(duì)位置關(guān)系以及公路附屬構(gòu)筑物情況。設(shè)站前都要對(duì)上述信息做好詳細(xì)的記錄并到現(xiàn)場核實(shí),以便日后能快速準(zhǔn)確計(jì)算高等級(jí)公路在開采影響下的破壞程度。4移動(dòng)觀測線的布設(shè)原則(1)高等級(jí)公路是一種特殊線狀構(gòu)筑物,常常附屬有橋梁、隧道、涵洞等設(shè)施,在對(duì)處于開采沉陷中的高等級(jí)公路進(jìn)行變形監(jiān)測時(shí),不僅要設(shè)計(jì)路基路面移動(dòng)觀測線,而且還要考慮其附屬設(shè)施移動(dòng)觀測線的設(shè)計(jì)。(2)由于高等級(jí)公路不同附屬設(shè)施的結(jié)構(gòu)和最弱變形點(diǎn)各不相同,布設(shè)移動(dòng)觀測線時(shí)要具體問題具體分析,將移動(dòng)觀測線設(shè)計(jì)在各附屬設(shè)施的最弱變形處。(3)路基與路面之間,路基與地基之間都存在變形的不一致性,在對(duì)開采沉陷中的高等級(jí)公路進(jìn)行監(jiān)測時(shí),必須在路面、路基和地基上分別設(shè)計(jì)移動(dòng)觀測線。(4)基于預(yù)計(jì)的路基路面移動(dòng)觀測線長度和基于移動(dòng)參數(shù)的路基路面移動(dòng)觀測線