畢業(yè)設(shè)計(jì)--工作面地表移動(dòng)規(guī)律實(shí)測研究（含外文翻譯）

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　山區(qū)開采沉陷是開采沉陷研究中的重點(diǎn)部分，尤其對于山西這個(gè)多山且煤炭資源豐富的地區(qū)，其研究意義重大。</p><p>　　由于受到山區(qū)地形地貌因素的影響及巖體本身的復(fù)雜性，山區(qū)開采沉陷地表移動(dòng)規(guī)律與平原地區(qū)有很大的區(qū)別。</p><p>　　本文結(jié)合五礦83201工作面地表移動(dòng)觀

2、測站監(jiān)測數(shù)據(jù)，處理數(shù)據(jù)得到下沉、傾斜、曲率、水平移動(dòng)及水平變形值，并求取83201工作面的地表移動(dòng)參數(shù)，包括角量參數(shù)、動(dòng)態(tài)參數(shù)和概率積分法預(yù)計(jì)參數(shù)。</p><p>　　根據(jù)數(shù)據(jù)處理結(jié)果分析總結(jié)了山區(qū)開采沉陷地表移動(dòng)規(guī)律特征，山區(qū)地表移動(dòng)變形系地質(zhì)采礦條件和地形因素綜合影響的結(jié)果。本文研究內(nèi)容對山區(qū)開采沉陷預(yù)計(jì)、保護(hù)煤柱留設(shè)、煤礦安全生產(chǎn)及地面建（構(gòu)）筑物保護(hù)有一定的理論指導(dǎo)意義。掌握地表實(shí)際移動(dòng)變形參數(shù)，觀測地

3、面建筑物的破壞狀態(tài)，以合理地調(diào)整礦井采掘布署，提高煤炭資源的回收率。</p><p>　　關(guān)鍵詞：開采沉陷；觀測站；監(jiān)測數(shù)據(jù)；地表移動(dòng)</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　The research of mining subsidence in mountain area is the focus part

4、 of the subsidence research. For the mountainous and rich coal resources region-Shanxi, it has especially significant meaning in this part.</p><p>　　Due to the influence factors as topography and the complex

5、ity of the rock mass underground mining, land sinking law in a mountainous area is different from that on flat ground.</p><p>　　The paper selects wu Coal Mine 83201 working face as the research region, monit

6、oring data from observation stations is arranged. Processed data to obtain subsidence values, inclination values, curvature values, horizontal movement values, horizontal deformation values. </p><p>　　The pa

7、per analysised the law of surface movement and deformation of mining subsidence in mountain area, The quality of ground subsidence in mountain areas is not only caused by underground mining factors but also by terrain an

8、d landforms. The valuable study of this paper can give a guiding significance to mountain mining subsidence prediction, protection pillar reserve, Coal mine production safety and protection of buildings. To grasp the act

9、ual ground movement and deformation parameters, observ</p><p>　　Keywords： mining subsidence; observation stations; monitoring data; surface movement</p><p><b>　　目 錄</b></p>

10、<p><b>　　1 緒論1</b></p><p>　　1.1選題背景及意義1</p><p>　　1.1.1選題背景1</p><p>　　1.1.2選題意義2</p><p>　　1.2山區(qū)開采沉陷研究現(xiàn)狀2</p><p>　　1.3地表移動(dòng)理論主要研究方法2&l

11、t;/p><p>　　1.4沉陷監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展3</p><p>　　1.5本文主要研究內(nèi)容4</p><p>　　2五礦83201工作面概況5</p><p><b>　　2.1地理交通5</b></p><p><b>　　2.2氣候條件5</b></p>

12、;<p>　　2.3礦井生產(chǎn)概況5</p><p>　　2.4礦井地質(zhì)采礦條件6</p><p>　　2.5“83201工作面”地質(zhì)采礦條件6</p><p>　　3 地表移動(dòng)觀測站設(shè)置及觀測數(shù)據(jù)處理7</p><p>　　3.1地表移動(dòng)觀測站設(shè)計(jì)7</p><p>　　3.1.1地表移動(dòng)觀測站

13、的設(shè)計(jì)依據(jù)7</p><p>　　3.1.2地表移動(dòng)觀測站的設(shè)計(jì)原則7</p><p>　　3.1.3角量參數(shù)的選定7</p><p>　　3.1.4觀測線位置及長度的確定8</p><p>　　3.1.5測點(diǎn)的數(shù)目及其密度的確定8</p><p>　　3.2地表移動(dòng)觀測站的觀測工作10</p>

14、<p>　　3.2.1連接測量10</p><p>　　3.2.2全面觀測11</p><p>　　3.2.3日常觀測13</p><p>　　3.3地表破壞的記錄15</p><p>　　3.4最大下沉點(diǎn)的移動(dòng)軌跡16</p><p>　　3.4.1平原地區(qū)最大下沉點(diǎn)移動(dòng)軌跡16</p

15、><p>　　3.4.2山區(qū)最大下沉點(diǎn)移動(dòng)軌跡16</p><p>　　3.4.3最大下沉點(diǎn)移動(dòng)軌跡比較分析17</p><p>　　3.5地表移動(dòng)觀測站數(shù)據(jù)的處理19</p><p>　　3.5.1下沉曲線20</p><p>　　3.5.2傾斜曲線20</p><p>　　3.5.3曲

16、率曲線21</p><p>　　3.5.4水平移動(dòng)曲線22</p><p>　　3.5.5水平變形曲線23</p><p>　　4 概率積分法預(yù)計(jì)參數(shù)的求取25</p><p>　　4.1概率積分法基本原理25</p><p>　　4.1.1隨機(jī)介質(zhì)及其移動(dòng)的規(guī)律25</p><p>

17、;　　4.1.2概率積分法預(yù)計(jì)模型26</p><p>　　4.1.3山區(qū)沉陷預(yù)計(jì)模型29</p><p>　　4.2 地表移動(dòng)參數(shù)的求取31</p><p>　　4.2.1地表移動(dòng)盆地角量參數(shù)的求取31</p><p>　　4.2.2地表移動(dòng)盆地動(dòng)態(tài)參數(shù)的求取32</p><p>　　4.2.3工作面山區(qū)開

18、采沉陷預(yù)計(jì)模型參數(shù)35</p><p>　　5 結(jié)論與建議37</p><p>　　5.1研究結(jié)論37</p><p>　　5.2問題與建議38</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)：39</b></p><p><b>　　翻譯部分</b></p>

19、<p><b>　　英文原文41</b></p><p><b>　　中文譯文48</b></p><p><b>　　致 謝54</b></p><p><b>　　1 緒論</b></p><p>　　1.1選題背景及意義</p

20、><p><b>　　1.1.1選題背景</b></p><p>　　地面沉降又稱為地面下沉或地陷。它是在人類工程經(jīng)濟(jì)活動(dòng)影響下，由于地下松散地層固結(jié)壓縮，導(dǎo)致地殼表面標(biāo)高降低的一種局部的下降運(yùn)動(dòng)（或工程地質(zhì)現(xiàn)象），嚴(yán)重時(shí)會(huì)成為一種地質(zhì)災(zāi)害。地表沉降，造成地面沉降的自然因素是地殼的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和地表土壤的自然壓實(shí)；人為的地面沉降廣泛見于一些大量開采地下水的大城市和煤、石油或天

21、然氣開采區(qū)。出現(xiàn)地面沉降的地區(qū)一般范圍大，沉降過程緩慢，所以早期一般不易察覺，也不易引起人們的重視[1]。</p><p>　　世界各國都不同程度地受到了地表沉降的影響，制約著人們的生活和經(jīng)濟(jì)發(fā)展。美國已經(jīng)有遍及45個(gè)州超過44030平方公里的土地受到了地面沉降的影響，僅在美國圣克拉拉山谷在1998年損失就高達(dá)3億美元，最強(qiáng)烈的地面沉降發(fā)生于美國長灘市威爾明頓油田,其最大累積沉降量達(dá)9米。在歐洲的“水都”威尼斯，

22、由于地面沉降的影響，其市政府大樓羅內(nèi)丹宮已下沉了3.18m?！?011年-2020年全國地面沉降防治規(guī)劃》指出，目前全國遭受地面沉降災(zāi)害的城市超過50個(gè)，分布于北京、天津、河北、山西、內(nèi)蒙古等20個(gè)省區(qū)市。長江三角洲、華北平原和汾渭盆地，地面累計(jì)沉降量大于200毫米的分別為接近1萬平方公里、6.2萬平方公里以及7000平方公里。并且，地面沉降仍在繼續(xù)擴(kuò)大[2]。</p><p>　　據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，僅我國煤炭開采現(xiàn)

23、有沉陷土地約60萬公頃，平均每采萬噸煤塌陷土地0.2公頃，全國因煤炭開采每年新增塌陷地2.4萬公頃。以山西省為例，1949~1998年總計(jì)生產(chǎn)原煤560000萬噸，采煤造成地下采空面積1300平方公里，引起地面塌陷破壞面積6.7萬公頃[3]。</p><p>　　地下煤層被采出以后，開采區(qū)域及周圍巖體的原始應(yīng)力平衡狀態(tài)受到破壞，應(yīng)力重新分布，達(dá)到新的平衡，在此過程中，開采煤層的上覆巖層將產(chǎn)生移動(dòng)、變形與破壞，當(dāng)開

24、采面積達(dá)到一定范圍后，移動(dòng)與變形將波及到地表，使地表產(chǎn)生沉陷，給沉陷區(qū)周邊生態(tài)環(huán)境和人民生產(chǎn)、生活帶來了不同程度的影響。其危害主要有：(1)毀壞建筑物和生產(chǎn)設(shè)施；(2)不利于建設(shè)事業(yè)和資源開發(fā)。發(fā)生地面沉降的地區(qū)屬于地層不穩(wěn)定的地帶，在進(jìn)行城市建設(shè)和資源開發(fā)時(shí)，需要更多的建設(shè)投資，而且生產(chǎn)能力也受到限制。</p><p>　　為保護(hù)井巷、地表建筑物、鐵路等，使其免收或少受開采的影響、減少地下資源損失，必須研究地下

25、開采引起的巖層與地表移動(dòng)規(guī)律。目前我國各大礦區(qū)都有了自己的巖層與地表移動(dòng)實(shí)測資料，然而實(shí)測研究成果主要集中在東部平原礦區(qū)。對于山區(qū)煤礦，開采沉陷區(qū)地表任一點(diǎn)的移動(dòng)不僅與地下開采影響有關(guān)，而且與該點(diǎn)所處的微地形和微地貌有關(guān)。</p><p><b>　　1.1.2選題意義</b></p><p>　　國內(nèi)外在開采沉陷和采動(dòng)損害方面的研究成果主要集中在平原地區(qū)，也就是把地

26、表看做平原，而我國大約有三分之一的煤礦和半數(shù)以上的其他礦物產(chǎn)地位于山區(qū)。因而當(dāng)20世紀(jì)50~60年代我國許多山區(qū)煤礦按以往平地的觀測和研究成果留設(shè)保護(hù)煤柱時(shí)，出現(xiàn)了意想不到的問題：幾乎所有位于山區(qū)的受保護(hù)對象都受到了不同程度的損壞，有些甚至是極為嚴(yán)重的損害，所留設(shè)的保護(hù)煤柱沒有起到應(yīng)有的保護(hù)作用[4]。本文結(jié)合實(shí)測數(shù)據(jù)揭示山區(qū)開采沉陷的一般規(guī)律，比較山區(qū)開采沉陷與平原地區(qū)的區(qū)別，對山區(qū)開采沉陷領(lǐng)域進(jìn)一步的研究工作有一定的理論意義。<

27、;/p><p>　　1.2山區(qū)開采沉陷研究現(xiàn)狀</p><p>　　對于山區(qū)開采地表移動(dòng)問題，1981年顏榮貴運(yùn)用開采影響理論中直線傳播原理導(dǎo)出了山區(qū)地面下沉的剖面方程而山西礦業(yè)學(xué)院的何萬龍將山區(qū)地表移動(dòng)分為開采影響下平地移動(dòng)和滑移影響下的移動(dòng)之和，并給出了不同影響條件下的影響函數(shù)，近年又對滑移機(jī)理進(jìn)行了力學(xué)分析[5]。</p><p>　　1999年胡友健等首次明確提

28、出山區(qū)地表移動(dòng)與變形研究中的幾個(gè)重要概念，并將相似材料模型模擬實(shí)驗(yàn)應(yīng)用到山區(qū)地表移動(dòng)問題，從而揭示山區(qū)地表移動(dòng)與變形的特點(diǎn)和基本規(guī)律，并建立了適用于山區(qū)地表移動(dòng)與變形預(yù)計(jì)的新方法[6]。</p><p>　　2003 年謝飛鴻比較全面的介紹了部分山區(qū)地表移動(dòng)與變形預(yù)計(jì)所采用的公式，以及開發(fā)的可視化計(jì)算分析軟件和實(shí)現(xiàn)的功能，為從事山區(qū)地表移動(dòng)與變形研究和評(píng)價(jià)提供了參考依據(jù)[7]。</p><p&

29、gt;　　2005 年潘宏宇、余學(xué)義、黃森林等指出控制和預(yù)防采動(dòng)滑坡災(zāi)害發(fā)生是礦區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)的重要組成部分，并應(yīng)用數(shù)值模擬方法分析柏林煤礦工業(yè)廣場南翼滑坡區(qū)的穩(wěn)定性，同時(shí)結(jié)合該區(qū)開采地表觀測數(shù)據(jù)分析開采方法、順序、方向?qū)麦w的影響[8]。</p><p>　　2007 年李文秀、候曉兵、張瑞雪等應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)中的模糊測度理論，推導(dǎo)出相應(yīng)的地表下沉及水平移動(dòng)的理論計(jì)算公式，并對煤礦開采所引起的地表移動(dòng)進(jìn)行了計(jì)算分

30、析，得出的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測資料相符合[9]。</p><p>　　2009 年，羅亮、曾濤等用 GIS 三維可視化技術(shù)對礦山開采沉陷進(jìn)行了模擬計(jì)算，設(shè)計(jì)了某地的仿真實(shí)驗(yàn)，得到了沉陷預(yù)計(jì)云圖以及三維可視圖。同年，劉麗娟選取西氣東輸工程山西省蒿峪段為研究對象，初步選取六個(gè)影響因素，建立 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)下沉模型，對開采引起的地表下沉進(jìn)行預(yù)計(jì)，從而分析其對管道正常安全運(yùn)行的影響[10]。</p><p&

31、gt;　　1.3地表移動(dòng)理論主要研究方法</p><p>　　現(xiàn)行研究地表移動(dòng)的方法主要有經(jīng)驗(yàn)公式法、理論模型法、模型實(shí)驗(yàn)法、剖面函數(shù)法及影響函數(shù)法等。各種方法在理論應(yīng)用中具有互補(bǔ)性，實(shí)際工作中一般以多種方法的分析來綜合評(píng)價(jià)。</p><p><b>　　1．經(jīng)驗(yàn)公式法</b></p><p>　　經(jīng)驗(yàn)公式法指以工程現(xiàn)場大量的地表實(shí)測資料為基礎(chǔ)

32、，通過綜合分析建立起具有一定統(tǒng)計(jì)規(guī)律的經(jīng)驗(yàn)公式，并將該經(jīng)驗(yàn)公式用于其它類似地質(zhì)的工程地下開采引起的地表移動(dòng)變形預(yù)測的方法。經(jīng)驗(yàn)公式由于是以實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，且預(yù)測公式較簡單，應(yīng)用較廣。但由于沒有考慮工程地質(zhì)等因素的影響，在實(shí)際預(yù)測中，一般都是將其它預(yù)測方法得到的結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)公式結(jié)果做比較綜合分析。</p><p><b>　　2．理論模型法</b></p><p>　

33、　理論模型法是指建立在力學(xué)模式及彈性或塑性理論基礎(chǔ)上的計(jì)算方法。力學(xué)理論主要有以 A.Salstowicz 等[11]為代表的固體力學(xué)理論和以 J.Litwiniszyn 等[12,13]為代表的隨機(jī)介質(zhì)理論。建立在彈性或塑性理論基礎(chǔ)上的計(jì)算方法主要有：有限單元法（FEM）、邊界元法（BEM）、離散元法（DEM）、有限差分法(FDM)及非線性力學(xué)法（Nonlinear）等。計(jì)算機(jī)的快速發(fā)展為數(shù)值分析提供了強(qiáng)有力的工具，特別是借助于數(shù)值分

34、析軟件，不僅能夠動(dòng)態(tài)的模擬地下開采引起的巖層和地表的移動(dòng)與變形，而且能夠分析巖體的損傷(如節(jié)理、裂隙和斷層等)對地表移動(dòng)變形的影響，使得數(shù)值分析法成為研究復(fù)雜地質(zhì)條件下地下開采影響的重要途徑。但地質(zhì)特征復(fù)雜、多場耦合條件明顯及巖石力學(xué)參數(shù)的選取和本構(gòu)關(guān)系考慮不夠等原因，使得計(jì)算結(jié)果與工程實(shí)際存在一定出入[14]。</p><p><b>　　3．模型試驗(yàn)法</b></p>&l

35、t;p>　　模型試驗(yàn)法是對理論研究和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)的重要補(bǔ)充及試驗(yàn)驗(yàn)證，主要有相似材料模型試驗(yàn)法、離心模型試驗(yàn)法、電模擬試驗(yàn)法和光電模擬試驗(yàn)法等。早在 1937 年前蘇聯(lián)就最先使用了立體模型試驗(yàn)來模擬礦層的開采。通過模型試驗(yàn)不僅能揭示地表移動(dòng)與變形的一般規(guī)律和特征，而且能夠清楚的了解采空區(qū)尺寸、采深、礦體傾角等因素對地表移動(dòng)與變形的影響。特別是離心模型試驗(yàn)，由于能夠較真實(shí)的模擬與原型等應(yīng)力條件下地下開采引起地表移動(dòng)與變形破壞的整個(gè)過程，

36、近年來在國內(nèi)外用的比較多。但模型試驗(yàn)針對性較強(qiáng)，一般是模擬具體工程在特定條件下的開采，且其精度受試驗(yàn)工藝和人為操作的影響較大，所以其結(jié)論的指導(dǎo)意義存在一定的局限性。</p><p><b>　　4．剖面函數(shù)法</b></p><p>　　剖面函數(shù)法是指根據(jù)地表移動(dòng)盆地的剖面形狀來選擇相應(yīng)函數(shù)作為預(yù)測地表移動(dòng)與變形的公式。該剖面一般為開采工作面走向或傾向主斷面，剖面函數(shù)

37、形式通過曲線擬合或最優(yōu)化確定，前蘇聯(lián)、英國、匈牙利和波蘭等國都有自己適用的剖面函數(shù)計(jì)算公式。目前剖面函數(shù)法主要有：典型曲線法、負(fù)指數(shù)函數(shù)法、雙曲線函數(shù)法及威布爾法等。其中負(fù)指數(shù)函數(shù)法和典型函數(shù)法應(yīng)用的最多，它們主要適用于相同地質(zhì)條件下開采矩形或近似矩形工作面引起的地表移動(dòng)與變形預(yù)計(jì)。</p><p>　　1.4沉陷監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展</p><p>　　通過各種觀測儀器或技術(shù)對采空區(qū)地表進(jìn)行系

38、統(tǒng)觀測獲取地表移動(dòng)實(shí)測數(shù)據(jù)，為理論研究奠定基礎(chǔ)，是研究地表移動(dòng)變形的重要手段之一。早在20世紀(jì)初，美國、前蘇聯(lián)和波蘭等國家開始通過建立地面觀測站對地表移動(dòng)進(jìn)行系統(tǒng)監(jiān)測，如前蘇聯(lián)從 1929年開始在頓涅茨、庫茲巴茨等多個(gè)礦區(qū)建立了數(shù)百個(gè)觀測站來監(jiān)測地表移動(dòng)，根據(jù)建筑物的損害資料，給出了建(構(gòu))筑物的破壞等級(jí)與地表變形的關(guān)系，研究結(jié)果為以后計(jì)算方法的提出和模型的建立提供了依據(jù)[15]。我國對地表移動(dòng)的研究也是從監(jiān)測工作開始的，1954年就在

39、開灤礦務(wù)局林西礦建立了我國第一個(gè)地面觀測站。 </p><p>　　現(xiàn)行的監(jiān)測方法主要有水準(zhǔn)測量法、電子測速儀法、InSAR 技術(shù)、攝影測量法、GPS 測量法等。水準(zhǔn)測量法作為傳統(tǒng)的地表監(jiān)測方法，因其操作簡單、精度高，所以一直沿用至今；電子測速儀是一種具有電子測角和光電測距的三維測量儀器，功能強(qiáng)大、安置靈活，目前在礦山測量中有較多應(yīng)用[16]；合成孔徑雷達(dá)干涉測量(InSAR)技術(shù)是空間對地遙感技術(shù)的一種，它是利

40、用雷達(dá)信號(hào)探測微小的地形變化信息，由于其精度高且能大面積、全天候的自動(dòng)獲取地表位移和變形信息，且不用布置地面監(jiān)測網(wǎng)，近年來在國內(nèi)外地表移動(dòng)監(jiān)測中得到廣泛應(yīng)用。同時(shí)，合成孔徑雷達(dá)差分干涉測量(D-InSAR)技術(shù)的出現(xiàn)，使其精度提高到了毫米級(jí)；攝影測量法是一種地對地式遙感式測量方法，測量人員可以對遠(yuǎn)處觀測對象進(jìn)行測量，如開采塌陷區(qū)，使用傳統(tǒng)測量方法觀測可能存在一定的危險(xiǎn)，而攝影測量法很好的解決了這一問題。目前攝影測量應(yīng)用較多的是數(shù)字化近景

41、攝影測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)操作簡單、價(jià)格低廉，能實(shí)測的獲取地表移動(dòng)信息并以數(shù)字方式存儲(chǔ)，在開采沉陷領(lǐng)域得到成功應(yīng)用，如盛業(yè)華等利用該系統(tǒng)對礦山地面沉陷區(qū)進(jìn)行了監(jiān)測，獲得了地表移動(dòng)參數(shù)[17]；全球定位系統(tǒng)(GPS)技術(shù)</p><p>　　傳統(tǒng)的大地測量方法由于野外作業(yè)時(shí)間長、耗費(fèi)人力物力大，而且不能實(shí)時(shí)和瞬時(shí)的進(jìn)行測量等原因，難以滿足現(xiàn)代礦山開采的監(jiān)測要求和地表研究的信息需要，逐漸被空間測量技術(shù)取代。空間測量技術(shù)具有

42、智能化、連續(xù)監(jiān)測、精度高、速度快等眾多優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用在礦山開采領(lǐng)域的地表監(jiān)測中。但由于D-InSAR、GPS 等空對地遙感技術(shù)的測量精度普遍受環(huán)境、天氣及衛(wèi)星系統(tǒng)本身等因素的影響較大，所以將空對地遙感技術(shù)與地面遙感技術(shù)如數(shù)字化近景攝影測量系統(tǒng)以及傳統(tǒng)大地測量法等地面觀測技術(shù)結(jié)合起來獲取地表移動(dòng)信息表現(xiàn)出了極大的潛力。</p><p>　　1.5本文主要研究內(nèi)容</p><p>　　根據(jù)

43、陽煤五礦83201工作面的地質(zhì)采礦條件以及工作面上方地形地貌情況，設(shè)計(jì)地表移動(dòng)觀測站；采用GPS-RTK技術(shù)采集觀測站數(shù)據(jù)，采用現(xiàn)代數(shù)據(jù)處理理論進(jìn)行預(yù)處理；根據(jù)所獲取的觀測站數(shù)據(jù)，然后處理數(shù)據(jù)得到地表移動(dòng)變形值，并求取83201工作面的地表移動(dòng)參數(shù)，包括角量參數(shù)、動(dòng)態(tài)參數(shù)和概率積分法預(yù)計(jì)參數(shù)。</p><p>　　根據(jù)數(shù)據(jù)處理結(jié)果總結(jié)分析了山區(qū)開采沉陷地表移動(dòng)規(guī)律特征，并且與平原地區(qū)地表移動(dòng)規(guī)律進(jìn)行比較得出一些重

44、要結(jié)論。</p><p>　　2五礦83201工作面概況</p><p><b>　　2.1地理交通</b></p><p>　　陽煤五礦是陽泉煤業(yè)（集團(tuán)）的主要生產(chǎn)礦井之一，位于陽泉市以南平定縣境內(nèi)，礦井井田面積79.94km2。地理位置交通十分便利，北距市區(qū)18km，東距平定縣城6km。北臨太舊高速公路，東距鐵路專用線、207國道9km，如

45、圖2-1。</p><p>　　圖2-1 陽煤五礦地理交通</p><p><b>　　2.2氣候條件</b></p><p>　　該區(qū)域?qū)儆谂瘻貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候區(qū)，四季分明。氣候特點(diǎn)：春季干旱嚴(yán)重，夏季炎熱多雨，秋季降溫迅速，冬季寒冷干燥，內(nèi)氣候垂直變化顯著。年平均氣溫為2.0℃～13.3℃，年極端最高氣溫大部分出現(xiàn)在7月，年極端最底氣溫大部

46、分出現(xiàn)在1月。歷年極端最高氣溫為40.2℃（1955年7月24日）；歷年極端最低氣溫為－19.1℃（1954年12月29日）。平均年降水量為423.6～659.2毫米，年平均風(fēng)速為2.0～3.0米/秒，年平均無霜期為130～180天。</p><p><b>　　2.3礦井生產(chǎn)概況</b></p><p>　　五礦正式成立于1984年12月，現(xiàn)有大井、五林井兩對井口四

47、個(gè)采區(qū)生產(chǎn)。曾主采6#、8#、15#三個(gè)煤層，隨著6#、8#煤層的采結(jié)，現(xiàn)主采15#煤層?？刹蓛?chǔ)量20795.9萬噸，服務(wù)年限44年。與礦井配套的主要專用設(shè)施有：年運(yùn)輸能力450萬噸，全長16公里的鐵路專用線一條；年洗選能力400萬噸和100萬噸的選煤廠各一座；日供水能力2萬立方米的供水工程和日處理能力7000立方米的污水處理工程各一處。采、掘、開、機(jī)、運(yùn)、通、選等工種和專業(yè)成龍配套，形成了獨(dú)立的生產(chǎn)體系。生產(chǎn)的煤種主要有：3#篩選末煤

48、、選中塊、選小塊、末煤、煤泥、中煤等，主供冶金、電力、化工、水泥等行業(yè)，間或有少量出口，銷往海外。目前擁有固定資產(chǎn)89063萬元，是陽煤集團(tuán)擁有固定資產(chǎn)最多的單位之一。</p><p>　　2.4礦井地質(zhì)采礦條件</p><p>　　陽煤五礦井田為沁水煤田重要組成部分，區(qū)內(nèi)地層以太古界、元古界的變質(zhì)巖系為基底，其上地層與巖性依次為寒武系、中下奧陶系碳酸鹽巖，石炭系中下統(tǒng)和二疊、三疊系砂巖、

49、泥巖及煤層，第三、第四系松散層。</p><p>　　礦區(qū)為一向西傾斜的單斜構(gòu)造，地層較平緩，西部傾角5°~7°，東部傾角增大一般為12°~15°。區(qū)內(nèi)褶皺及小褶曲發(fā)育，斷層較少。由于近東西向構(gòu)造形成較早，其后形成北東向?yàn)橹鞯亩梯S向背斜，顯示含有東西向的構(gòu)造成份，呈“S”形舒緩分布。</p><p>　　區(qū)內(nèi)陷落柱較發(fā)育，平均密度達(dá)到20.9個(gè)/km

50、2。陷落柱平面形態(tài)大多呈橢圓形，橢圓長軸一般為十幾米到幾十米，長短軸之比一般為2：1~4：1；在構(gòu)造不發(fā)育地帶，陷落柱平面形態(tài)為圓形，直徑為幾米到十幾米。陷落柱內(nèi)巖層極度破碎，巖性混雜，層位紊亂，偶爾見有層狀結(jié)構(gòu)，但產(chǎn)狀不一，呈交錯(cuò)的大碎塊體，上部為煤系地層的碎塊、粉末及第三系砂礫巖，下部為砂巖、泥巖、石灰?guī)r、煤層等。陷落柱成為垂向越流的補(bǔ)給通道，易引起突水事故。</p><p>　　2.5“83201工作面”地

51、質(zhì)采礦條件</p><p>　　83201工作面位于井田南部，貴石溝井南翼二采區(qū)，其傾向長度為198.6m，走向長度為1704.5m，煤層平均傾角9°，平均采深為462m。該工作面15#煤層厚度6.4~6.8m，平均厚度約6.6m。</p><p>　　工作面采用傾向長壁工作面布置，綜合機(jī)械化放頂煤開采工藝，一次采全高，全部垮落法管理頂板。</p><p>

52、;　　工作面含煤地層為石炭二疊紀(jì)，主要有砂巖，砂質(zhì)頁巖，綜合平均堅(jiān)硬性系數(shù)f=7.6。掘進(jìn)地質(zhì)條件較復(fù)雜，根據(jù)附近鉆孔柱狀圖，基本頂主要為砂巖、砂質(zhì)泥巖；直接頂為主要為泥巖、黑色泥巖，厚度為4~13m直接底為黑色、灰黑色泥巖，厚度0.1~7.2m。工作面有多處陷落柱，大多集中在工作面中部。</p><p>　　3 地表移動(dòng)觀測站設(shè)置及觀測數(shù)據(jù)處理</p><p>　　3.1地表移動(dòng)觀測站設(shè)

53、計(jì)</p><p>　　3.1.1地表移動(dòng)觀測站的設(shè)計(jì)依據(jù)</p><p>　　本次地表移動(dòng)觀測站設(shè)計(jì)的主要依據(jù)有：</p><p>　?、佟督ㄖ?、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》，國家煤炭工業(yè)局，2000年5月；</p><p>　?、凇豆こ虦y量規(guī)范》（GB50026-2007）；</p><p>　　

54、③《全球定位系統(tǒng)（GPS）測量規(guī)范》（GB/TT18314-2009）；</p><p>　　④ 煤礦測量規(guī)程2010版；</p><p>　　⑤ 陽煤五礦83201工作面回采地質(zhì)說明書；</p><p>　?、揸柮何宓V83201工作面井上下對照圖。</p><p>　　3.1.2地表移動(dòng)觀測站的設(shè)計(jì)原則</p><p&g

55、t;　　為了能夠獲得準(zhǔn)確、可靠、有代表性的觀測資料，在觀測站設(shè)計(jì)中，應(yīng)遵循如下原則：</p><p>　　①測線的位置應(yīng)設(shè)在主斷面上；</p><p>　?、谟^測線的長度一定要大于移動(dòng)范圍；</p><p>　?、墼O(shè)站地區(qū)在觀測期間不受鄰近開采的影響；</p><p>　?、軠y點(diǎn)密度要適當(dāng)，視深度確定密度；</p><p&

56、gt;　　⑤控制點(diǎn)要設(shè)在移動(dòng)范圍之外，不受開采影響；</p><p>　　⑥設(shè)在移動(dòng)范圍內(nèi)的觀測點(diǎn)與地表同步移動(dòng)；</p><p>　　⑦地表移動(dòng)監(jiān)測站的觀測線一般應(yīng)設(shè)置成直線，并與煤層走向垂直或平行；在受地面建筑物設(shè)施或地形限制的情況下，也可設(shè)成折線，或因地制宜設(shè)成其它形狀。每條觀測線兩端的GPS控制點(diǎn)均不應(yīng)少于兩個(gè)；</p><p>　　⑧埋設(shè)的測點(diǎn)應(yīng)便于觀測和

57、保存。如預(yù)計(jì)地表下沉后測點(diǎn)可能被水淹沒，則點(diǎn)的結(jié)構(gòu)應(yīng)便于加高；監(jiān)測點(diǎn)標(biāo)石類似控制點(diǎn)觀測墩進(jìn)行建站。</p><p>　　3.1.3角量參數(shù)的選定</p><p>　　由于本礦尚無實(shí)測資料，根據(jù)原礦務(wù)局觀測站所求得移動(dòng)角等參數(shù)，并由《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》可知：上山移動(dòng)角γ=72°， 下山移動(dòng)角β=72°－0.5α=72°-0.5*

58、14°=65°，走向移動(dòng)角δ=72°，松散層移動(dòng)角φ=45，下山移動(dòng)角修正值Δβ=15°，上山移動(dòng)角修正值Δγ= 20°，走向移動(dòng)角修正值Δδ= 20°，松散層厚度h=20m，平均采深H0=462m，走向工作面長度l=200m。</p><p>　　3.1.4觀測線位置及長度的確定</p><p>　　根據(jù)83201工作面設(shè)計(jì)條件

59、，該工作面觀測站主要布設(shè)一條走向觀測線，觀測沿著工作面上方的一條小路布設(shè)。</p><p>　　觀測線長度的確定過程為：自一順槽向工作面推進(jìn)方向，以角值（δ-Δδ）劃線與基巖和松散層交界面相交，再從交點(diǎn)以φ角劃線與地表相較于E，E點(diǎn)便是不受臨區(qū)開采影響的邊界點(diǎn)。在另一順槽處, 向工作面外側(cè)以角值（δ-Δδ）劃線與基巖和松散層交接面相交，在從交點(diǎn)以φ角劃線與地表相交于F點(diǎn)，在EF上設(shè)走向觀測線。觀測線長度計(jì)算公式為

60、：</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p><b>　　式中，</b></p><p><b>　　——走向移動(dòng)角；</b></p><p>　　——走向移動(dòng)角的修正值；</p><p>　　——回采工作面的平均開采深度；<

61、/p><p><b>　　——松散層厚度；</b></p><p><b>　　——松散層移動(dòng)角；</b></p><p>　　——工作面走向長度。</p><p>　　代入數(shù)據(jù)算得觀測線長度：EF=931m</p><p>　　但由于觀測線并非直線，而是沿著工作面上方的公路布設(shè)

62、的，其實(shí)際曲線長度約2000m。實(shí)際布設(shè)過程中為獲得工作面最大下沉點(diǎn)情況，增加最終觀測站求參的可靠性，在工作面傾向方向沿小路增設(shè)了長約240m的傾向觀測線。</p><p>　　3.1.5測點(diǎn)的數(shù)目及其密度的確定</p><p>　　本地區(qū)平均開采深度為462m，觀測點(diǎn)間距依據(jù)《煤礦測量規(guī)程》第259條的規(guī)定可取為25m。實(shí)際布設(shè)情況為：走向觀測線直線長度930m，沿小路共布設(shè)59個(gè)觀測點(diǎn)

63、，編號(hào)為h1~h59；兩端各設(shè)2個(gè)控制點(diǎn)，編號(hào)分別為A、B、C、D；傾向方向上增設(shè)了18個(gè)觀測點(diǎn)，編號(hào)為v1~v18，直線長度240m。各觀測線上具體工作測點(diǎn)個(gè)數(shù)見表3-1，各點(diǎn)平面位置見圖3-1</p><p>　　表3-1 控制點(diǎn)和工作測點(diǎn)個(gè)數(shù)</p><p>　　圖3-1 觀測站各點(diǎn)平面位置</p><p>　　3.2地表移動(dòng)觀測站的觀測工作</p&

64、gt;<p>　　常規(guī)地表移動(dòng)觀測站的觀測工作可分為：觀測站的連接測量，全面觀測，單獨(dú)進(jìn)行的水準(zhǔn)測量，地表破壞的測定和編錄。而GPS地表移動(dòng)觀測站的觀測工作主要包括GPS控制測量，GPS-RTK全面觀測，單獨(dú)進(jìn)行的水準(zhǔn)測量，地表破壞的測定和編錄。</p><p><b>　　3.2.1連接測量</b></p><p>　　1.GPS平面控制測量</

65、p><p>　　GPS平面控制測量在此即為觀測站的平面連接測量。主要確定觀測站控制點(diǎn)坐標(biāo)。根據(jù)礦區(qū)已有控制點(diǎn)資料，所給三個(gè)控制點(diǎn)（棗樹坡、雙線桿、主斜井）坐標(biāo)均為該礦獨(dú)立坐標(biāo)系下坐標(biāo)，見表3-2。在此基礎(chǔ)上布置D級(jí)GPS網(wǎng)，連測觀測站控制點(diǎn)A、B、C、D，其網(wǎng)形見圖3-2。</p><p>　　圖3-2 GPS網(wǎng)形示意圖</p><p>　　表3-2 GPS控制點(diǎn)測量

66、成果表</p><p><b>　　2.水準(zhǔn)觀測</b></p><p>　　在走向觀測線兩端分別布設(shè)E1、E2、E2，S1、S2五個(gè)水準(zhǔn)點(diǎn)，將控制點(diǎn)C的GPS高程作為已知高程，建立觀測站的高程系統(tǒng)。使用蘇一光NAL232水準(zhǔn)儀，按三等水準(zhǔn)測量要求沿觀測站布設(shè)路線施測。采用單程兩次儀器高法形成閉合水準(zhǔn)路線，水準(zhǔn)路線如圖3-3所示。</p><p&g

67、t;<b>　　圖3-3水準(zhǔn)路線圖</b></p><p>　　采用自編VB水準(zhǔn)網(wǎng)嚴(yán)密平差軟件求得每公里觀測高程中誤差為±3.9mm。各水準(zhǔn)點(diǎn)高程見表3-3。</p><p>　　表3-3水準(zhǔn)點(diǎn)高程成果表</p><p><b>　　3.2.2全面觀測</b></p><p>　　采用為了

68、準(zhǔn)確地確定工作測點(diǎn)在地表移動(dòng)開始前的空間位置，在設(shè)站地區(qū)未采動(dòng)影響之前，獨(dú)立進(jìn)行的兩次全面觀測。分別采用GPS-RTK技術(shù)、水準(zhǔn)儀進(jìn)行平面和高程測量。本觀測站首次觀測時(shí)間為2011年6月5日，此時(shí)井下已推進(jìn)8.8m，該工作面采深460m，根據(jù)各大礦區(qū)相關(guān)資料及后期觀測數(shù)據(jù)表明，此時(shí)井下開采還未能波及地表，即此時(shí)的觀測滿足設(shè)站地區(qū)未受采動(dòng)影響條件，在此說明。</p><p>　　1.GPS-RTK全面觀測</

69、p><p>　　采用GPS-RTK技術(shù)，于6月5日上午、下午對觀測站的平面位置獨(dú)立進(jìn)行了兩次全面觀測。所使用儀器為華測X90 GNSS，其相關(guān)技術(shù)參數(shù)見表3-4。</p><p>　　表3-4華測X90 GNSS主要技術(shù)參數(shù)</p><p>　　山區(qū)野外測量條件下，觀測人員在操作儀器時(shí)，流動(dòng)站對中桿易傾斜。工程實(shí)踐中，流動(dòng)站對中誤差是人為因素誤差的主要來源，一般流動(dòng)站的

70、安置基本采用2m高對中桿，桿的微小偏斜將會(huì)造成流動(dòng)站天線相位中心相對測點(diǎn)偏離很大。研究表明，當(dāng)2m對中桿傾斜0.1°時(shí)，平面坐標(biāo)將偏離3.5mm，傾斜0.3°時(shí)偏離10.5mm，傾斜1°時(shí)將達(dá)到31.4mm。為克服測量過程中對中桿易傾斜的缺點(diǎn)，本次測量采用了任意傾斜位置多次測量的方法，如圖3-4所示。測量過程中每測點(diǎn)測量10次：基本豎直測量兩次、小角度（約15°）傾斜測量8次。將所得的10個(gè)數(shù)據(jù)按

71、附有參數(shù)的條件平差模型進(jìn)行解算，得到最終該測點(diǎn)的三維坐標(biāo)，平差結(jié)果表明，測點(diǎn)平面坐標(biāo)中誤差為±13mm。</p><p>　　圖3-4 RTK測量方法示意圖</p><p>　　2.各測站水準(zhǔn)高程的觀測</p><p>　　在進(jìn)行平面坐標(biāo)觀測的同時(shí)，使用水準(zhǔn)儀，按三等水準(zhǔn)測量的精度要求進(jìn)行高程測量。采用單程兩次儀器高法，在兩地表移動(dòng)觀測站之間架設(shè)水準(zhǔn)儀，逐

72、點(diǎn)施測，由控制點(diǎn)C開始測量至水準(zhǔn)點(diǎn)E1，形成附合水準(zhǔn)路線。</p><p>　　獨(dú)立進(jìn)行了兩次全面觀測，兩次測得同一點(diǎn)的平面坐標(biāo)差小于10mm，同一點(diǎn)的高程差值也均小于10mm，取兩者平均值作為原始數(shù)據(jù)。</p><p><b>　　3.2.3日常觀測</b></p><p>　　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

73、，在回采工作面推進(jìn)一定距離(相當(dāng)于0.1平均開采深度，即工作面回采46m)，在預(yù)計(jì)可能首先移動(dòng)的地區(qū)，選擇幾個(gè)工作測點(diǎn)，每隔一段進(jìn)行一次水準(zhǔn)測量（又稱巡視測量），如果發(fā)現(xiàn)測點(diǎn)有下沉的趨勢，即說明地表已經(jīng)開始移動(dòng)。在移動(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。日常觀測的水準(zhǔn)測量可四等水準(zhǔn)測量實(shí)施。重復(fù)水準(zhǔn)測量的時(shí)間間隔，視地表下沉的速度而定。為了確定礦區(qū)GPS-RTK的測量高程和水準(zhǔn)高程測量的差異和規(guī)律，在日常觀測中，分別用水準(zhǔn)儀

74、和GPS-RTK同時(shí)測量。</p><p>　　目前83201工作面加密水準(zhǔn)測量已觀測了6次。同時(shí)GPS-RTK同步觀測了4次。每次觀測時(shí)間及工作面推進(jìn)位置見表3-5和圖3-5a。由圖可見工作面回采362.8m后，跳過800m繼續(xù)開采，致使造成觀測站移動(dòng)的開采工作面僅為前期所推進(jìn)的362.8m，實(shí)際工作面平均采深為520m，煤層底板在開切眼和停采線處高，中間低，相對中部平均傾角為4°。如圖3-5b所示即

75、為影響觀測站移動(dòng)的實(shí)際工作面。</p><p>　　表3-5 工作面推進(jìn)位置及觀測時(shí)間</p><p><b>　　(a)設(shè)計(jì)工作面</b></p><p><b>　　(b) 實(shí)際工作面</b></p><p>　　圖3-5 工作面推進(jìn)位置及觀測時(shí)間示意圖</p><p>

76、;　　3.3地表破壞的記錄</p><p>　　第1期、第2期觀測時(shí)地表無明顯變形破壞。第3期（2011.11.8）觀測時(shí)地表開始出現(xiàn)變形破壞：工作面兩側(cè)上方地表公路的伸縮縫被拉寬，約增大1cm；此時(shí)位工作面東邊界上方的橋及其路面變形較明顯，該橋?yàn)槭龉皹?、跨度較?。?.5m），能安全使用，相關(guān)部門只對其路面進(jìn)行了重修。導(dǎo)致布于該橋及路面處的點(diǎn)h23、h24、h25遭到破壞，測量過程中只恢復(fù)了其高程值。第5期（2

77、012.2.17）觀測時(shí)，地表變形加劇：工作面兩側(cè)上方地表公路的伸縮縫約被拉寬3cm，見圖3-6；石砌拱橋西側(cè)路面受擠壓鼓起，鼓起高度約38cm，見圖3-7。第6期（2012.7.3）觀測時(shí)，工作面推進(jìn)362.8m，距龍王廟村約190m，房屋受到一定損害，不修或小修后可繼續(xù)使用。</p><p>　　圖3-6 公路伸縮縫被拉寬 3-7 公路受壓縮變形鼓起 </p>

78、<p>　　3.4最大下沉點(diǎn)的移動(dòng)軌跡</p><p>　　3.4.1平原地區(qū)最大下沉點(diǎn)移動(dòng)軌跡</p><p>　　地表點(diǎn)與工作面相對位置不同，移動(dòng)軌跡不同。以下給出平原地區(qū)近水平煤層開采地表最大下沉點(diǎn)的移動(dòng)軌跡[3]：</p><p>　　圖4-8 平原地區(qū)最大下沉點(diǎn)移動(dòng)軌跡</p><p>　　第Ⅰ階段：當(dāng)工作面由遠(yuǎn)處向A

79、點(diǎn)推進(jìn)、移動(dòng)波及到A點(diǎn)時(shí)，地表下沉速度由小逐漸變大，A點(diǎn)的移動(dòng)方向與工作面推進(jìn)方向相反；</p><p>　　第Ⅱ階段：當(dāng)工作面通過A點(diǎn)正下方繼續(xù)向前推進(jìn)時(shí)，地表下沉速度迅速增大，并逐漸達(dá)到最大下沉速度，A點(diǎn)的移動(dòng)方向近于鉛垂； </p><p>　　第Ⅲ階段：當(dāng)工作面繼續(xù)向前推進(jìn)，逐漸遠(yuǎn)離地表點(diǎn)A后，點(diǎn)A的移動(dòng)方向逐漸與工作面推進(jìn)方向相同；</p><p>　　第

80、Ⅳ階段：當(dāng)工作面遠(yuǎn)離地表點(diǎn)達(dá)到一定距離后，回采工作面對A點(diǎn)的影響逐漸消失，點(diǎn)A的移動(dòng)停止。穩(wěn)定后A點(diǎn)的位置不一定在其起始位置的正下方，一般略微偏向回采工作面停止位置一側(cè)。</p><p>　　3.4.2山區(qū)最大下沉點(diǎn)移動(dòng)軌跡</p><p>　　地表點(diǎn)的移動(dòng)主要發(fā)生在松散層，因此地表的移動(dòng)和地形有關(guān)。山區(qū)地表的移動(dòng)受開采和地形的共同影響，其移動(dòng)軌跡與平原地區(qū)不同。</p>&

81、lt;p>　　根據(jù)最大下沉點(diǎn)h21號(hào)點(diǎn)的各期觀測數(shù)據(jù)得到其移動(dòng)軌跡圖：</p><p>　　圖4-9 山區(qū)最大下沉點(diǎn)移動(dòng)軌跡</p><p>　　第Ⅰ階段：當(dāng)工作面由遠(yuǎn)處向A點(diǎn)推進(jìn)、移動(dòng)波及到A點(diǎn)時(shí)，地表下沉速度由小逐漸變大，A點(diǎn)的移動(dòng)方向與工作面推進(jìn)方向相反，此階段與平原地區(qū)相似；</p><p>　　第Ⅱ階段：當(dāng)工作面通過A點(diǎn)正下方繼續(xù)向前推進(jìn)時(shí)，地表下沉

82、速度迅速增大，并逐漸達(dá)到最大下沉速度，A點(diǎn)的移動(dòng)受地形影響指向下坡方向且移動(dòng)量很大； </p><p>　　第Ⅲ階段：當(dāng)工作面繼續(xù)向前推進(jìn)，逐漸遠(yuǎn)離地表點(diǎn)A后，點(diǎn)A的移動(dòng)方向逐漸近于鉛垂方向，移動(dòng)量變??；</p><p>　　第Ⅳ階段：當(dāng)工作面遠(yuǎn)離地表點(diǎn)達(dá)到一定距離后，回采工作面對A點(diǎn)的影響逐漸消失，點(diǎn)A的移動(dòng)停止。穩(wěn)定后A點(diǎn)的位置不在其起始位置的正下方，而是偏向下坡方向。</p&g

83、t;<p>　　3.4.3最大下沉點(diǎn)移動(dòng)軌跡比較分析</p><p>　　通過比較分析移動(dòng)軌跡特征可知，兩種地形條件下，最大下沉點(diǎn)在開始階段和結(jié)束階段的移動(dòng)特征相似，中間階段則有所不同。地表點(diǎn)的移動(dòng)是由基巖移動(dòng)引起的，而地表點(diǎn)的移動(dòng)和松散層密切相關(guān)。平原地段近水平煤層開采時(shí)，松散層的移動(dòng)和基巖移動(dòng)形式一致，而在山區(qū)地段，受地形因素影響，地表點(diǎn)在移動(dòng)過程中存在沿山坡下坡方向的重力分量，導(dǎo)致水平移動(dòng)發(fā)生

84、變化，山區(qū)地表下沉與水平移動(dòng)可看作是平原情況下的地表下沉、水平移動(dòng)分量與傾斜地表滑移在下沉、水平移動(dòng)方向分量的疊加。如圖4.3所示，設(shè)地表任意點(diǎn)A0受采動(dòng)影響后向采空區(qū)方向的移動(dòng)向量為A0A1，向地表傾斜方向的移動(dòng)向量為A0A2。則傾斜地表總的移動(dòng)向量為：</p><p>　　A0 A = A0 A1 + A0 A2 （3-2）&

85、lt;/p><p>　　將各移動(dòng)向量投影到移動(dòng)盆地主斷面上分解為垂直分量W和水平分量u，則</p><p><b>　?。?-3）</b></p><p>　　圖4-10 傾斜地表移動(dòng)向量疊加示意圖</p><p>　　顯然，W、u分別為傾斜地表的下沉和水平移動(dòng)，W1、u1和W2、u2分別為開采和地表滑移兩個(gè)向量所產(chǎn)生的下沉

86、和水平移動(dòng)。根據(jù)已有的山區(qū)觀測資料，W1、u1主要取決于地質(zhì)采礦條件和上覆巖層的性質(zhì)，與平地下沉和水平移動(dòng)規(guī)律相似，W2、u2與地表的傾角、傾向以及表土層性質(zhì)和點(diǎn)的位置有關(guān)。</p><p>　　3.5地表移動(dòng)觀測站數(shù)據(jù)的處理</p><p>　　首先對野外測得數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查核實(shí)，經(jīng)檢查無誤后采用現(xiàn)代數(shù)據(jù)處理方法，對水準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行平差處理，對GPS-RTK所得平面數(shù)據(jù)進(jìn)行解算。整個(gè)觀測周期內(nèi)，

87、由于在山區(qū)，條件較平原相對復(fù)雜，部分測點(diǎn)遭到了破壞。其中由于修路原因，處在作面正上方的h23、h24、h25、v1、v2、v3、v7、v9、v11點(diǎn)遭到破壞，根據(jù)實(shí)地情況，對點(diǎn)h23、h24、h25進(jìn)行了高程的恢復(fù)，但其平面精確坐標(biāo)（水平位移）無法得到。</p><p>　　觀測數(shù)據(jù)經(jīng)平差處理后，便可計(jì)算觀測線上各測點(diǎn)和測點(diǎn)間的移動(dòng)和變形。移動(dòng)和變形的計(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)間的傾斜和水平

88、變形，相鄰三點(diǎn)的曲率變形。由于觀測線呈曲線布設(shè)，其兩測點(diǎn)間的傾斜與相鄰三點(diǎn)的曲率示意圖見3-11。</p><p>　　圖 311 兩測點(diǎn)間的傾斜與相鄰三點(diǎn)的曲率意圖</p><p>　　83201工作面地表沉陷盆地特征如下圖3-12所示</p><p>　　圖3-12 83201工作面地表沉陷盆地特征</p><p><b>

89、　　3.5.1下沉曲線</b></p><p>　　各點(diǎn)的下沉以本次與首次的標(biāo)高差表示，單位mm，則第m次觀測n點(diǎn)的下沉Wn為</p><p>　　Wn = Hn 0 - Hn m （3-4）</p><p><b>　　式中，</b></p><p

90、>　　Hn 0，Hn m——分別為首次和第m次觀測時(shí)n點(diǎn)的高程。</p><p>　　圖3-13為各期下沉曲線圖</p><p>　　圖3-13 h線各期下沉曲線圖</p><p>　　由于受到山區(qū)地形的影響，地表下沉曲線并不以采空區(qū)中心線對稱，最大下沉點(diǎn)偏向上坡方向；曲線在13、14、15號(hào)點(diǎn)附近出現(xiàn)了凸起，13、14、15號(hào)點(diǎn)位于山谷，在下沉過程中由于

91、受到兩側(cè)山體的擠壓而抬升；總的來看，曲線基本形狀及特征性質(zhì)與平原相似。</p><p><b>　　3.5.2傾斜曲線</b></p><p>　　地表下沉盆地沿某一方向的坡度叫傾斜，用i表示，單位mm/m，則n號(hào)點(diǎn)與n+1號(hào)點(diǎn)中點(diǎn)處的傾斜，即相鄰兩點(diǎn)間的傾斜為</p><p><b>　?。?-5）</b></p&

92、gt;<p><b>　　式中，</b></p><p>　　xn、yn；xn+1、yn+1——分別為n號(hào)點(diǎn)和n+1號(hào)點(diǎn)的平面坐標(biāo)；</p><p>　　Wn，Wn+1——分別為n號(hào)點(diǎn)和n+1號(hào)點(diǎn)的下沉量。</p><p>　　圖3-14為各期傾斜曲線</p><p>　　圖3-14 h線沿觀測線各期傾

93、斜曲線圖</p><p>　　傾斜曲線基本以采空區(qū)中心呈反對稱；隨著工作面的推進(jìn)，下沉盆地繼續(xù)增大，兩個(gè)最大傾斜值也不斷增加，工作面上方的最大傾斜值也隨工作面向前移動(dòng)；動(dòng)態(tài)最大傾斜值大于靜態(tài)最大傾斜值；在達(dá)到下沉充分后，工作面上方的最大值相對于工作面的位置固定，最大值也趨于穩(wěn)定。</p><p><b>　　3.5.3曲率曲線</b></p><p

94、>　　觀測線下沉的彎曲程度叫曲率，用K表示，單位mm/m2，則n -1號(hào)點(diǎn)與n+1號(hào)點(diǎn)中點(diǎn)處的曲率，即n -1號(hào)點(diǎn)至n+1號(hào)點(diǎn)之間的曲率為</p><p><b>　?。?-6）</b></p><p><b>　　式中，</b></p><p>　　in+1~n，in~n-1——分別為n+1號(hào)點(diǎn)至n號(hào)點(diǎn)和n號(hào)點(diǎn)至

95、n-1號(hào)點(diǎn)的傾斜；</p><p>　　xn-1、yn-1；xn+1、yn+1——分別為n-1號(hào)點(diǎn)和n+1號(hào)點(diǎn)的平面坐標(biāo)。</p><p><b>　　式中，</b></p><p>　　xn、yn；xn+1、yn+1——分別為n號(hào)點(diǎn)和n+1號(hào)點(diǎn)的平面坐標(biāo)；</p><p>　　Wn，Wn+1——分別為n號(hào)點(diǎn)和n+1號(hào)點(diǎn)

96、的下沉量。</p><p>　　圖3-15 觀測線各期曲率曲線圖</p><p>　　圖3-15 h線沿觀測線各期曲率曲線圖</p><p>　　由于受山區(qū)地形地貌影響，曲率變化形態(tài)復(fù)雜，呈現(xiàn)跳躍式分布形態(tài)，谷值與峰值交替出現(xiàn)，而平原地區(qū)充分采動(dòng)時(shí)曲率曲線關(guān)于采空區(qū)中心對稱，存在兩個(gè)最大負(fù)曲率和兩個(gè)最大正曲率值；平原地區(qū)充分采動(dòng)時(shí)最大下沉點(diǎn)處曲率為零，而山區(qū)最大下

97、沉點(diǎn)位于山坡上坡方向，受滑移影響存在較大的曲率值；山區(qū)上坡方向曲率變化程度明顯大于下坡方向；移動(dòng)穩(wěn)定后最大曲率值位于山坡半山腰略偏向上坡方向處；動(dòng)態(tài)最大曲率值大于穩(wěn)定后靜態(tài)最大曲率值。</p><p>　　3.5.4水平移動(dòng)曲線</p><p>　　下沉盆地內(nèi)，某點(diǎn)沿某一水平方向的位移叫水平移動(dòng)，用U表示，單位mm，則第m次觀測n點(diǎn)的沿基線方向的水平移動(dòng)為</p><p

98、><b>　?。?-7）</b></p><p><b>　　式中，</b></p><p>　　xn m、yn m ；xn 0、yn 0——分別為第m 次觀測時(shí)和首次觀測時(shí) n 號(hào)點(diǎn)的平面坐標(biāo)。</p><p>　　圖3-16為東西方向水平移動(dòng)</p><p>　　圖3-16 h線各期東西

99、方向水平移動(dòng)曲線圖</p><p>　　沿公路布設(shè)未出現(xiàn)山區(qū)曲型的滑移，基本符合平原水平移動(dòng)規(guī)律。從曲率圖中看到h16點(diǎn)處水平移動(dòng)為零，平原條件下該水平移動(dòng)應(yīng)向北移動(dòng)，分析其原因有兩個(gè)，一是主要為點(diǎn)位于山谷，受兩側(cè)山體擠壓而向東移動(dòng)；二是東北方向?yàn)楹恿?，受采?dòng)影響后向河流方向移動(dòng)。</p><p>　　圖3-17 為東西方向水平移動(dòng)</p><p>　　圖3-17

100、 h線各期南北方向水平移動(dòng)曲線圖</p><p>　　南北方向水平移動(dòng)曲線h47-h43點(diǎn)向北，出現(xiàn)異常，平原應(yīng)該向采取中心移動(dòng)，即南北方向水平移動(dòng)為向南移動(dòng)，該處產(chǎn)生異常原因是北側(cè)為溝谷，向溝谷方向滑移。</p><p>　　3.5.5水平變形曲線</p><p>　　下沉盆地內(nèi)兩點(diǎn)間單位長度的水平移動(dòng)差稱之為水平變形，以ε表示，單位為 mm/m。</p&g

101、t;<p>　　則n號(hào)點(diǎn)與n+1號(hào)點(diǎn)中點(diǎn)處的水平變形，即 n 號(hào)點(diǎn)至 n+1 號(hào)點(diǎn)間沿基線方向的水平變形為</p><p><b>　?。?-8）</b></p><p>　　式中，符號(hào)及其下標(biāo)意義同上。</p><p>　　圖3-18為各期東西方向水平變形曲線</p><p>　　圖3-18 h線各期東

102、西方向水平變形曲線圖</p><p>　　圖3-19為各期東西方向水平變形曲線</p><p>　　圖3-19 h線各期東西方向水平變形曲線圖</p><p>　　山區(qū)水平變形曲線既不與曲率曲線類似，也不關(guān)于采空區(qū)中心對稱，這與平原地區(qū)區(qū)別很大；最大下沉點(diǎn)處水平變形值不為零；移動(dòng)穩(wěn)定后，水平變形為零的區(qū)域位于山峰和山腰中間某處；由此可見，山坡滑移對水平變形影響很

103、大。</p><p>　　4 概率積分法預(yù)計(jì)參數(shù)的求取</p><p>　　根據(jù)我國各礦區(qū)的實(shí)際情況在預(yù)計(jì)方法中選擇合適的預(yù)計(jì)模型，對于一般地質(zhì)采礦條件下的預(yù)計(jì)，其精度是能滿足沉陷治理工程需要的。對于存在特殊地質(zhì)采礦條件時(shí)，仍然沒有較成熟的預(yù)計(jì)方法，實(shí)際工程中一般采用數(shù)值模擬和物理模擬作定性或半定量的分析。本系統(tǒng)所面向的主要是在深厚含水松散層（松散層厚 150-300m，松散層厚占采深的

104、60％-80％）條件下的地表移動(dòng)變形規(guī)律，主要適用于淮南礦區(qū)以及全國類似條件礦區(qū)（如徐州、大屯、淮北和宿東等礦區(qū)），經(jīng)過多年實(shí)踐證明，采用概率積分法是十分有效的。</p><p>　　4.1概率積分法基本原理</p><p>　　概率積分法就是根據(jù)隨機(jī)介質(zhì)理論，把開采引起的地表移動(dòng)看作隨機(jī)事件，用概率積分（或其導(dǎo)數(shù)）來表示微小單元開采引起地表移動(dòng)和變形的預(yù)計(jì)公式（影響函數(shù)），從而用疊加原理

105、計(jì)算出整個(gè)開采引起的地表移動(dòng)和變形。由于概率積分法具有一定的理論基礎(chǔ)，預(yù)計(jì)參數(shù)通過實(shí)測資料求得，且對一個(gè)礦區(qū)參數(shù)相對穩(wěn)定，參數(shù)變化遵循一定的規(guī)律。同時(shí)概率積分法可適用于任意形狀工作面、地表任意點(diǎn)的移動(dòng)和變形預(yù)計(jì)，使用方便，適應(yīng)性強(qiáng)，預(yù)計(jì)精度高，因此在我國得到了廣泛應(yīng)用，成為我國當(dāng)前主導(dǎo)的預(yù)計(jì)方法。概率積分法是以正態(tài)分布函數(shù)為影響函數(shù)用積分式表示巖層與地表下沉盆地的方法，適用于常規(guī)的巖層與地表移動(dòng)與變形計(jì)算。概率積分法就是根據(jù)隨機(jī)介質(zhì)理論

106、，把開采引起的地表移動(dòng)看作隨機(jī)事件，用概率積分（或其導(dǎo)數(shù)）來表示微小單元開采引起地表移動(dòng)和變形的預(yù)計(jì)公式（影響函數(shù)），從而用疊加原理計(jì)算出整個(gè)開采引起的地表移動(dòng)和變形。由于概率積分法具有一定的理論基礎(chǔ)，預(yù)計(jì)參數(shù)通過實(shí)測資料求得，且對一個(gè)礦區(qū)參數(shù)相對穩(wěn)定，參數(shù)變化遵循一定的規(guī)律。同時(shí)概率積分法可適用于任意形狀工作面、地表任意點(diǎn)的移動(dòng)和變形預(yù)計(jì)，使用方便，適應(yīng)性強(qiáng)，預(yù)計(jì)精度高，因此在我國得到了廣泛應(yīng)</p><p>

107、　　4.1.1隨機(jī)介質(zhì)及其移動(dòng)的規(guī)律</p><p>　　作為開采沉陷的研究主體的巖體可以用兩種完全不同的介質(zhì)模型來模擬：一種是連續(xù)介質(zhì)模型，一種是非連續(xù)介質(zhì)模型。連續(xù)介質(zhì)模型認(rèn)為：在移動(dòng)過程中，介質(zhì)始終保持其連續(xù)性，介質(zhì)單元之間的聯(lián)系關(guān)系保持不變；非連續(xù)介質(zhì)模型認(rèn)為：在移動(dòng)過程中，介質(zhì)的連續(xù)性受到破壞，介質(zhì)之間原有的聯(lián)系關(guān)系發(fā)生變化，單元相互分離并發(fā)生性對運(yùn)動(dòng)。由于巖體中有一系列原生的和開采引起的裂隙面和其他非

108、連續(xù)面，所以用非連續(xù)介質(zhì)模型研究開采沉陷問題是適當(dāng)?shù)摹?lt;/p><p>　　J.李特威尼申等應(yīng)用非連續(xù)介質(zhì)力學(xué)中的顆粒體介質(zhì)力學(xué)來研究巖層及地表移動(dòng)問題，認(rèn)為開采引起的巖層和地表移動(dòng)的規(guī)律與作為隨機(jī)介質(zhì)的顆粒體介質(zhì)模型所描述的規(guī)律在宏觀上相似。</p><p>　　作為隨機(jī)介質(zhì)的顆粒體介質(zhì)，在研究其移動(dòng)規(guī)律時(shí)可抽象為圖4-1所示理論模型。該理論模型認(rèn)為，介質(zhì)是有類似于砂?；蛳鄬碚f很小的巖

109、塊這樣的介質(zhì)顆粒組成的。顆粒之間完全失去聯(lián)系，可相對運(yùn)動(dòng)。顆粒介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)用顆粒的隨機(jī)移動(dòng)來表征，并把大量的顆粒介質(zhì)移動(dòng)看作是隨機(jī)過程。</p><p>　　圖4-1作為隨機(jī)介質(zhì)的顆粒體介質(zhì)的理論模型</p><p>　　用數(shù)學(xué)歸納法可以求得圖 4-1 中任意（x,z）方格內(nèi)散體移動(dòng)的概率為：</p><p><b>　　（4-1）</b><

110、;/p><p>　　4.1.2概率積分法預(yù)計(jì)模型</p><p><b>　　1. 坐標(biāo)系統(tǒng)</b></p><p>　　1）坐標(biāo)系統(tǒng)觀測站在設(shè)計(jì)時(shí)常常是在國家大地坐標(biāo)系或當(dāng)?shù)鬲?dú)立坐標(biāo)系下，而概率積分法預(yù)計(jì)公式中的 x、y 是在相對于工作面的特定坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，因此在變形預(yù)計(jì)和參數(shù)預(yù)計(jì)時(shí)需將國家大地坐標(biāo)或當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)轉(zhuǎn)換到特定坐標(biāo)系下【24】</

111、p><p>　　概率積分法中計(jì)算任意點(diǎn)下沉?xí)r采用的坐標(biāo)系如圖 4-2 所示：以工作面水平投影的左邊界和下邊界的交點(diǎn)作為坐標(biāo)原點(diǎn)；X 軸沿地表指向采空區(qū)，Y 軸沿傾向指向上山方向，從而建立直角坐標(biāo)系（以下簡稱計(jì)算坐標(biāo)系）</p><p>　　圖4-2概率積分法坐標(biāo)系建立及坐標(biāo)變換示意圖</p><p>　　2）坐標(biāo)變換設(shè)在當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系下待定點(diǎn)A坐標(biāo)為A（XA,YA）；在計(jì)算