地表移动观测站的设计方法

    地表移动观测站技术设计的内容，包括观测站形式、观测线位置、观测线长度以及观测点点位的确定等各项工作，这些设计项目的设计方法如下。

    一、观测站形式的确定

    一个地表移动观测站要选择什么样的形式，需要根据设站的目的、采区的形状、采区周围的回采情况以及设站地区的地形状况等条件来确定。开采沉陷观测站的类型，可以按不同的方法进行分类，概括起来有以下几种。

    1．按观测站设置的地点不同分类

    (1)地表移动观测站测点布设在地表，主要是研究地表移动和变形的规律。

    (2)岩层内部观测站测点一般布设在井下巷道或岩层内部的钻孔中，用于研究岩层内部的移动和变形规律。

    (3)专门观测站为了某一个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。

    2．按观测时间长短分类

    (1)普通观测站观测时间较长（一般在一年以上），它是在地表移动的开始到移动结束的整个过程中定期有计划地进行观测，主要用于研究地表移动和变形的规律。

    (2)短期观测站观测时间较短（几个月到一年），只在移动过程中的某个阶段进行观测，而后对观测资料处理，求出一些近似的移动参数，如最大下沉速度、走向移动角等。短期观测站求出的参教误差较大，所以目前很少设置这种观测站。

    3．按布站形式的不同分类

    (1)网状观测站在产状复杂的煤层或在建筑物密集的地区开采时，可考虑多布设一些测点，组成网状观测站（图2 -1）。网状观测站可观测整个采动范围的比较全面的移动变形状态，所得资料比较全面、准确。但测点数目较多，观测站的建站费用较高且观测站的维护管理工作量较大，野外观测和室内成果整理工作量也比较大，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。

(2)剖面线状观测站这是目前各矿区用得较多的一种布站形式，它是在选择的特定位置和特定方向上布点成直线形。若因条件限制不能布成直线形时，可设少量转点而成折线形。所谓特定方向是指沿移动盆地主断面的方向。沿走向主断面布设的观测线称为走向观测线，沿倾斜主断面布设的观测线称为倾向观测线。观测站通常由两条互相垂直且相交的观测线（即一条或半条走向观测线，一条或半条倾斜观测线）所组成。因此，观测所得资料只反映观测线所在断面上的移动和变形的分布及其大小。

    图2-1网状观测线布设示意图

    根据设站的目的，合理地选择观测站的布设形式是十分重要的。由于剖面线状观测站需要设置的观测点比较少、建站时受地形条件的影响相对较小、观测工作量也比较小并且能够获取地表移动规律的主要基本参数，所以目前我国各大主要矿区大多采用剖面线状观测站。

观测站一般由两条观测线组成。一条沿煤层走向方向，一条沿倾斜方向，它们互相垂直并相交。在地表达到充分采动的条件下，通过移动盆地的平底部分都可设置观测线。在地表未达到充分采动的条件下，观测线需设在移动盆地的主断面上。由于我国煤矿的回采工作面大多是沿煤层走向方向较长，远远大于充分采动所要求的最小尺寸，因此为了检验观测成果的可靠性，往往在充分采动区内设置两条相距50 -70 m的倾斜观测线，如图2-2所示。

图2―2观测站的布没形式示意图

    观测线的长度应保证两端（半条观测线时为一端）超出采动影响范围，以便建立和保护观测线控制点和测定采动影响边缘。采动影响范围内的测点为工作测点，在采动过程中应保证它们和地表一起移动，以反映地表的移动状态。

    二、观测线位置和长度的确定

    观测线应设置在移动盆地的主断面上，而且不受邻近采区开采的影响。主断面的位置，可以用本矿区现有的角度参数（如移动角、最大下沉角、充分采动角以及松散层移动角等）和已知的地质采矿条件（如采区的形状和尺寸、采区上下边界的采深、煤层的倾角和厚度、采区护巷煤柱的宽度以及第四纪松散层的厚度等），用做图的方法来确定。主断面与地表的交线就是设置观测线的位置。

    1．观测线位置的确定

    图2-3为走向长壁工作面上方地表移动观测站设计图。煤层厚度为m，煤层倾角为d，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表示工作面开切眼的位置，3 -4表示停采线的位置，1-3为运输巷，2-4为通风平巷，并假定在3-4以外有足够长的煤柱，其余要素如图2-3所示。

因工作面的走向长度D1+D2 +D3 >1. 4H0 +50 m，如需要，可考虑通过充分采动区设置两条间隔大于50 m的倾斜观测线（也可只设一条侦斜观测线），沿煤层走向设置半条走向观测线。根据已给出的煤层走向和倾向方向，按矿区已有的地表移动与沉陷资料，在平面图上分别确定走向和倾斜观测线的位置。

    图2-3地表移动观测站示意图

a)观测站平面图b）倾斜断面图c）走向断面图

    (1)确定倾斜观测线的位置根据已给出的设计回采工作面情况，如图2-3所示，可通过充分采动区设计两条倾斜观测线R1R3和R4R6。假设已知充分采动角φ1、φ2、φ3，移动角δ、β、γ，移动角修正值△δ、△β、△γ以及最大下沉角θ等沉陷参数。为了使倾斜观测线R1R3不受邻近开采的影响，在走向主断面图（图2-3 c）上，自开切眼按δ-△δ和φ方向工作面推进方向画线，相交于地表E点，R1R3观测线必须设在工作面推进方向上超过E点的位置。也就是说，倾斜观测线R1R3到开切眼的距离D1应为

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

式中  δ-走向移动角；

    △δ-走向移动角修正值；

    H0――回采工作面平均开采深度(m)；

    h――松散层厚度(m)；

    φ――松散层移动角。

    如果在工作面推进过程中设站，倾斜观测线R，R，到邻近工作面的距离，除应满足D1外，还应考虑观测站到第一次观测工作面之间的推进距离。此时，观测线到工作面的距离D'1，应满足：

    D'1≥D1+vt    (2-2)

式中v――工作面的推进速度；

    t――观测站设计到第一次观测的间隔时间。

    为保证倾斜观测线尺。R6通过充分采动区，观测线到停采区的距离D。必须满足T列条件：

    D3≥H0 cotφ3    (2-3)

式中  φ3-走向充分采动角。

    在矿区尚未取得充分采动角数据的情况下，可用类比法获取基本的移动参数，也可根据一般地表移动规律选用。

    两条倾斜观测线的间距以D2表示，要求D2 =50 -70 m。

    在地表未达到充分采动的情况下设置倾斜观测线时，为了保证观测线设在移动盆地主断面上，一般是通过采空区中心作垂直煤层走向的断面，此断面即为倾斜主断面，也是倾斜观测线所在的位置。如在工作面推进过程中设站，应考虑观测站的设计到第一次观测的间隔时间内工作面的推进距离。

    (2)确定走向观测线R7R9的位置

    走向观测线应设在移动盆地的走向主断面上，走向观测线位置的确定如图2 -3a所示。具体的确定方法是：在倾斜主断面（图2 -3b）上，从采空区中心用最大下沉角θ画线与地表相交于O点，通过O点作平行煤层走向的垂直断面，此断面所在的位置就是走向观测线的位置。

    2．观测线长度的确定

    在观测线的位置确定之后，即可确定它们的长度。观测线的长度应保证观测线的两端稍微超过地表移动盆地边缘一段距离，以便能较可靠地确定移动盆地的边界及有关参数。观测线的长度可以在观测站设计图上图解求得，也可用计算法确定。

    (1)倾斛观测线长度的确定倾斜观测线的长度是在移动盆地的倾斜主断面（图2-3b)上确定的。具体方法是：自采区的上、下边界分别以γ C△γ和β- △β画线与基岩和松散层接触面相交，再从交点作角φ与地表交于A、B（或C、D）点，AB段（或CD段）即为倾斜观测线的工作长度。此段长度可按下式计算：

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

式中L-工作面倾斜长度(m)；

    γ-上山移动角；

    β――下山移动角；

  △γ-上山移动角的修正值；

  △β-下山移动角的修正值；

H1、H2-采区下边界和上边界的开采深度(m)。

    (2)走向观测线长度的确定为了保证观测线不受邻近开采的影响，并使观测线位于移动盆地主断面上，一般情况下，走向观测线只设半条（图2 -3c）。具体做法是：自开切眼向工作面推进方向，以角值（δ-△δ）划线与基岩和松散层交接面相交，再从交点作角φ与地表相交于E点。E点便是不受邻区开采影响的边界点。在工作面停采线处，向工作面外侧作角（δ-△δ）与基岩和松散层接触面相交于一点，再从此交点作角φ与地表交于F点。在FE方向上设走向观测线。要求走向观测线和倾斜观测线垂直、相交，并稍微超过交点一段距离（约2-3个测点间距）得G点（G点不碍超过E点），GF段便是走向观测线的工作长度，按下式计算：

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

式中  l――工作面走向长度(m)。

    观测站设计中所使用的倾斜煤层下山移动角的修正值△β和急倾斜煤层底板移动角的修正值△γ，可根据表2-1按不同倾角α确定。煤层上山和走向移动角的修正值△γ、△δ一般取20°，松散层移动角不加修正值。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。

表2 -1移动角修正值

    3．观测点点位的确定

    观测点应均匀设置在观测线的全长上。每条观测线两端或一端沿观测线方向向外还要设置控制点。观测线每一端一般应设置2个控制点。如果观测线是半条的或由于地形限制不能在观测线两端同时设置控制点时，应在可设置控制点的一端向外设置至少3个控制点。

    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。例如，为了较准确地确定移动盆地边界或最大下沉点的位置，可在移动盆地边界附近或盆地中心部位适当加密

测点。

    观测点之间的距离可以根据采区的平均开采深度按表2―2确定。控制点与控制点之间、控制点与相邻观测点之间的距离可在50 -100 m范围内选定。确定观测线上测点位置时，还应在允许条件下考虑到便于埋点和观测。

表2-2测点密度    （单位：m）