【正文】 體的范疇可以大到整個地球，也可以小到一個工程建(構(gòu))筑物的塊體。變形體的變形在一定范圍之內(nèi)，應(yīng)認為是正常的現(xiàn)象，但如果超過了規(guī)定的限度，就會影響建筑物的正常使用，甚至可能引發(fā)災(zāi)害。煤礦是一個特殊的行業(yè)，煤炭作為我國主要的資源，它的大規(guī)模開采和利用，一方面給人類帶來了巨大的社會效益和經(jīng)濟效益。開采沉陷引起的地表沉降已成為目前我國一個很突出的環(huán)境工程地質(zhì)問題，并早己成為我國礦山開采研究中的一個重要研究課題，并取得了大量的處于世界領(lǐng)先的成果[3]。因此，研究地表移動的規(guī)律，以便開采被壓煤層同時保護移動范圍內(nèi)的建筑物等地面目標不被破壞，就成為一個十分有意義的研究課題。早在19世紀末，采礦引起的覆巖移動和破壞以及由此造成的井巷和地面建筑物的損害就引起了人們的注意，并進行了初步的觀察和記錄。關(guān)于礦山開采沉陷及防治的研究國內(nèi)外已進行了大量的研究工作，并取得了一些的研究成果。前蘇聯(lián)學(xué)者早在30年代就開始了相關(guān)研究，對開采后的巖層移動進行了地面觀測和地下觀測，獲得了大量的原始資料和實測數(shù)據(jù)，并據(jù)此對巖層控制和采煤工藝進行了改進和完善，研究了綜采設(shè)備，提出了各類頂板的支護阻力和下沉量的計算方法，研究了巖層及地表受采動影響后的運動特征、影響和破壞的范圍及程度。特別是進入80年代以來，由于煤炭工業(yè)的迅速發(fā)展，“三下”采煤的客觀需要，測距儀、全站儀、及GPS等先進測量儀器的出現(xiàn)和計算機的廣泛應(yīng)用，使巖層與地表移動的科學(xué)研究發(fā)展到一個新的階段，可實現(xiàn)地表移動觀測的自動采集、變形值計算及變形預(yù)報。巖層和地表移動最初的研究工作是從現(xiàn)場實地觀測開始的。現(xiàn)場觀測為認識巖層和地表移動規(guī)律提供了大量的數(shù)據(jù)。在我國，為探索規(guī)律而進行的現(xiàn)成實測工作開始于50年代，各主要礦區(qū)都分別建立了地表移動觀測站，獲取了關(guān)于本礦區(qū)的巖層和地表移動完整資料。目前，開采沉陷研究已經(jīng)有了很好的成績，并且應(yīng)用到礦山開采的實際中，為礦山的正常生產(chǎn)提供了保障。由于開采沉陷涉及學(xué)科較多，而以前的研究多在某單一學(xué)科的基礎(chǔ)上建立起來的。2）開采沉陷的動態(tài)過程研究尚不充分。3）影響開采沉陷的地質(zhì)采礦因素定量性研究不充分。4）連續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論在開采沉陷中的實用化程度較低。5）現(xiàn)代非線性科學(xué)在開采沉陷中的研究處在探討階段。 課題研究內(nèi)容和意義 研究內(nèi)容本文選取古城煤礦3207條帶開采工作面作為研究對象，利用地表移動觀測資料和數(shù)值模擬的方法進行了如下研究：1）通過在工作面地表建立地表移動觀測站，利用常規(guī)測量儀器對地表觀測站進行觀測，獲得了大量觀測數(shù)據(jù)；2）根據(jù)大量觀測數(shù)據(jù)，進行個觀測點的高程計算、計算各測點間沿觀測線方向的水平距離，進行垂直和水平位移計算。總結(jié)出礦區(qū)地表移動與變形的一般規(guī)律。開展礦區(qū)地表移動與變形分析，為古城煤礦土地的復(fù)墾、利用提供信息資料。81山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 礦井地質(zhì)采礦條件2 礦井地質(zhì)采礦條件 礦區(qū)地理位置及交通 地理位置山東能源臨沂礦業(yè)集團古城煤礦位于兗州市東郊曲阜市以西，分屬兗州、曲阜兩市管轄，地理坐標北緯35176。36′，東經(jīng)116176。54′，西南部以鐵路煤柱線分界，淺部自煤層露頭及單家村煤礦為界，具體由2009年頒發(fā)的采礦許可證核定的23個坐標點確定，開采深度700～1300m。詳見交通位置圖(圖21)。泗河、沂河流經(jīng)本礦井，泗河發(fā)源于新泰市太平頂山的西部，全長142km，為全年性河流，洪峰期流量為4020/s；沂河發(fā)源于尼山，屬泗河支流，洪峰期流量為445/s。℃，月平均最高氣溫29℃(1966年)，℃(2002年7月15日)；℃(1975年)，℃(1967年1月15日)。(1966年)。(1975年1月)，(1968年1月)。東部煤系地層被嶧山斷層抬升而被剝蝕掉，直接出露太古界混合巖系。地層傾角平緩，一般﹤10176。古城煤礦位于兗州向斜東北部，總體呈一寬緩的向斜構(gòu)造，地層傾向東南，局部存在短軸褶曲，幅度較小。區(qū)內(nèi)共含煤25層，%。其中山西組的3號煤為主要可采煤層，%，全區(qū)可采，其余各層厚度均不超過1m?！?，含煤21層，自上而下6上、8上、8下、10上、10下、112上、11115上、116上、16下、118上、118下，%，10下、15上為局部的可采煤層，16上、17煤大部可采煤層?！?l/s?m，富水性較差；～ l/s?m，富水性較差；～ l/s?m，富水性較差； l/s?m，富水性較差；～ l/s?m，富水性中等。 地壓 根據(jù)觀測，放頂煤回采時，頂煤垮落步距為5m，頂板初壓步距為50m，周期來壓步距為20m。 采煤方法煤礦目前開采的煤層為3煤層，煤層厚度穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，煤層中硬，可放性中等，適合機械化分層或放頂煤開采，“古城礦井初步設(shè)計”推薦采用網(wǎng)下放頂煤開采。如果采用搬遷的方式解決壓煤問題，則搬遷費用大，且與地方關(guān)系協(xié)調(diào)難度大。山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 地表移動觀測站設(shè)計與布設(shè)3 工作面地表移動觀測站的設(shè)計及布設(shè) 工作面地質(zhì)概況表31 3207工作面地質(zhì)概況煤層名稱3煤水平名稱三水平采區(qū)32采區(qū)3205工作面標高(m)1010～12203207工作面標高(m)1030～1100地面標高(m)+～+地面位置上部位于伊家村，327國道橫貫工作面上部，下部位于孟家村村西270m，古柳村東北430m。工作面走向長(m)1363煤層傾角0176。煤層厚度(m)煤層結(jié)構(gòu)簡單3煤為瀝青～弱玻璃光澤，厚層狀，,煤巖成分以暗煤為主，亮煤次之，煤巖類型為亮暗煤,煤質(zhì)牌號為低灰、低硫、低砷、低磷，高發(fā)熱量的優(yōu)質(zhì)二號氣煤，煤層厚度取掘進時煤厚探測數(shù)據(jù)的平均值，頂?shù)装鍘r層厚度為古1鉆孔數(shù)據(jù)。煤3底板砂質(zhì)泥巖黑色，夾炭質(zhì)條帶，沿層面有黑色片狀礦物。正常地壓工作面深度大，地壓較明顯3205儲量計算塊段號走向長(m)傾斜長(m)斜面積(m2)煤厚(m)容重(t/m3)工業(yè)儲量(t)回采率(%)可采量(t)111110751193258`13853638511775583206儲量計算塊段號走向長(m)傾斜長(m)斜面積(m2)煤厚(m)容重(t/m3)工業(yè)儲量(t)回采率(%)可采量(t)1113124514068516523458514044933207工作面，如下圖所示 圖31 3207工作面概況 3207工作面地表移動觀測站的設(shè)計及布設(shè) 觀測站的設(shè)計1）設(shè)計所用參數(shù)的確定古城煤礦3207工作面條帶開采地表移動的各項參數(shù)，參照《煤礦測量手冊》及以前開展的地表巖移觀測數(shù)據(jù)，類比地質(zhì)采礦條件類似礦山，該煤系地層上覆巖性為中硬，走向、上山及下山移動角值均取75゜，并考慮調(diào)整值20゜，則取定各參數(shù)如下： 走向移動角：δ=750 200 下山移動角：β=750 200 最大下沉角：θ=（δ為煤層傾角） 松散層移動角：Φ=4502）平面位置設(shè)計(1)走向觀測線的設(shè)計走向觀測線應(yīng)設(shè)在移動盆地的走向主斷面上，走向觀測線位置的確定方法是：在傾向主斷面上，從采空區(qū)中心用最大下沉角θ劃線與地表相交于О點，通過О點作平行煤層走向的垂直斷面，在此斷面所在的位置就是走向觀測線的位置，并且依據(jù)移動角值確定開采影響范圍的邊界點。(2)傾向觀測線的設(shè)計傾向觀測線位于主斷面內(nèi)，和走向觀測線垂直，在走向主斷面圖上自開切眼用(δΔδ)角和Φ角向工作面推進方向劃線交地表于E點，傾向線必須在工作面推進方向上超過E點的位置[10]。東西線一布設(shè)觀測點42個。設(shè)站時移動盆地邊界是根據(jù)地質(zhì)采礦條件類似的其它礦區(qū)的沉陷參數(shù)類比確定的。H點便是不受鄰區(qū)開采影響的點。在HF方向上設(shè)走向觀測線，要求走向觀測線和傾斜觀測線垂直、相交，并稍微超過交點一段距離得G點（G點不得超過E點），HF便是走向觀測線的工作長度[11]，如圖31，走向觀測線長度HF按下式計算：DF=2hcot?+2(H0h)cot(δ?δ)cotδ?δ+l式中： h——表土層厚度； H0——采深；l——工作面走向長度。傾斜觀測的長度是在移動盆地主斷面上確定的，具體辦法是：自采區(qū)的上、下邊界分別以(γΔγ)和(βΔβ)劃線與基巖和松散層交接相交，再從交點以Φ角劃線交于地表A、B點，AB即為傾斜觀測線和工作長度，如圖32。 圖33 傾向主斷面圖3207條帶開采工作面開采區(qū)域觀測站沿傾向布設(shè)一條觀測線。(4)控制點與工作測點間距設(shè)計為了確保觀測成果的可靠性，觀測站的控制點應(yīng)布設(shè)在地表不受采動影響的穩(wěn)定區(qū)域，開采區(qū)域沉陷觀測站的布設(shè)如下頁圖34所示。(5)測點結(jié)構(gòu)及埋設(shè)方法 觀測點用混凝土預(yù)澆灌，標石上端面尺寸為150150mm，下端面尺寸為250250mm，高度500mm，埋深450mm，上露50mm。圖34 測點結(jié)構(gòu)及埋設(shè)方法示意圖本次巖移觀測共需埋設(shè)測點96個，觀測線長度超出工作面邊界的長度均大于932m。在觀測站測點及側(cè)線控制點標設(shè)時，先由高級點用極坐標法標設(shè)出各側(cè)線控制點及交叉點，然后在測線上依照實地情況選擇設(shè)點。地表地洞觀測工作可分為：觀測站的連接測量，全面觀測，單獨進行水準測量，地表破壞的測定和編錄。連接測量時，首先，是將觀測站G1控制點和礦區(qū)控制網(wǎng)連測，已確定平面位置和高程。本次連接采用礦四等導(dǎo)線點為起始點與起始方向，用日本尼康廠生產(chǎn)的DTM830全站儀測量，一次測至3207條帶開采工作面觀測線的控制點上。表31 連測導(dǎo)線測量觀測限差表等級導(dǎo)線長度測角中誤差測距中誤差相對中誤差測回數(shù)J2方角閉合差相對中誤差四等9km″18mm1/8000061/35000一級4km5″15mm1/3000021/15000高程連接測量采用Ⅲ等水準測量，組成閉合水準路線，采用S1水準儀按三等水準測量要求進行施測，測量限差見表32。 全面觀測為了準確地確定工作測點在地表開始移動前的空間位置，應(yīng)在連測后、地表開始移動之前進行全面觀測。高程測量在確認觀測站控制點未遭碰動、其高程值沒有變化的前提下，可直接從觀測站控制點開始進行水準測量。高程測量使用S3型水準儀，配合紅黑面尺，按四等水準的測量規(guī)范要求，采用附合水準路線進行觀測。10，傾角觀測一測回。首先，為判定地表是否開始移動，在回采工作面推進一定距離（～）后，在預(yù)計可能首先移動的地區(qū)內(nèi)選擇幾個測點，在短期的時間間隔內(nèi)進行多次水準測量，以便及時發(fā)現(xiàn)測點下沉的趨勢，確定地表開始移動的時間。地表移動全過程，按下沉速度劃分成三個時期：初始期：50mm/月； 活躍期：50mm/月；衰退期：50mm/月。連續(xù)6個月觀測地表各點的累計下沉值均小于30mm，則可確定地表移動過程穩(wěn)定。采區(qū)地質(zhì)構(gòu)造情況及水文地質(zhì)情況。采動對農(nóng)作物生長的影響。地下水位簡易觀測 。山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 概率積分法預(yù)計4 觀測站數(shù)據(jù)處理與變形量 3207條帶開采工作面觀測數(shù)據(jù)說明根據(jù)3207條帶開采工作面垂直移動特點和采掘進度（由2014年7月到2015年5月），分別于2014年7月到2015年5月進行了20次高程測量。垂直位移觀測采用S2水準儀，平面位移觀測采用尼康2″級830型全站儀。 地表移動與變形量計算每次觀測結(jié)束，對觀測成果進行檢查，使其滿足《煤礦測量規(guī)程》的有關(guān)規(guī)定，然后進行各種改正數(shù)的計算和平差計算，確保觀測成果的正確性。測點某時刻的下沉，由該時刻觀測到的測點高程與采前首次觀測的測點高程之差計算得；測點某時刻的水平移動，由該時刻觀測到的測點坐標與采前首次觀測到的測點坐標變化經(jīng)矢量分析分解后獲得；相鄰兩測點間的傾斜和水平變形[13]，分別由該相鄰兩測點的下沉之差和水平移動之差與該兩測點間的水平距離之比獲得，在計算兩測點間的水平變形時，要考慮到測點的水平移動方向問題；相鄰兩線段的曲率變形，由該相鄰兩線段的傾斜之差與兩線段的平均水平距離之比獲得；測點的下沉速度，由測點前、后兩次觀測的下沉值與兩次觀測的間隔天數(shù)之比獲得[14]。在作移動、變形曲線時，一般具有正號的量從水平軸（即地表水平線）上向上量取，具有負號的量向下量取。2)相鄰兩點間的傾斜in→n+1=Wn+1WnLn→n+1 (mm/m)式中：Wn+1和Wn分別表示n+1號點和n號點的下沉量；Ln→n+1表示n號點至n+1號點的水平距離。4)n號點的水平移動Un=LmL0 (mm)式中：Lm、L0分別為第m 次觀測時和首次觀測時 n號點至觀測線控制點間的水平距離，用點間距離累加求得。6)m號點的下沉速度Vn=Wm+1Wmt (mm晝夜)式中：Wm+1 和Wm 分別表示第m+1次和第m次觀測時（即前后兩次）n號點的下沉量；t為兩次觀測的間隔天數(shù)。8)由實測坐標計算水平移動方法將地表觀測站中任意點與控制點間的首次與末次邊長改化到同一觀測線上，分別為L39。39。L39。水平變形為：ε=?LL39。將地表反映了點位的情況，稱為坐標位移量。時，PP39。地表點量的模為： A=?X2+?X2式中：?X=XnX0 。9)各種移動變形值的測量方法誤差下沉誤差?。篗W=177。(mmm)　 曲率誤差?。篗k=177。(mm) 水平變形誤差：Mz=177。在MSDFVS的設(shè)計和開發(fā)過程中遵循如下的原則：實用性原則：密切結(jié)合生產(chǎn)實際，為用戶提供必要的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能，保證已有的數(shù)據(jù)資源能夠轉(zhuǎn)入本系統(tǒng)，同時，還要確保系統(tǒng)的數(shù)據(jù)錄入和輸出