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摘要：本文主要研究建新煤矿4101综采放顶煤工作面开采时岩层的移动及变形规律，得出符合本矿区正确合理的变形参数，促进矿区煤炭资源的合理开发利用，对矿区地表建筑物保护、生态环境保护提供主要技术参数，具有重要的应用价值。
关键词：开采；岩移；研究；应用
一、概述
建新煤矿地处黄陵县建庄林区，属陕北黄土高原南部的低中山丘陵，区内山峦起伏、沟壑纵横、地形复杂，属侵蚀构造地形，并呈堆积的山间河谷地貌特征。植被以灌木、松树等为主，覆盖密度大，为典型的低山林区，水系较发育。
矿区井田范围内分布有水库、村庄、工业设施等，大部分村庄民房建在沟壑切割形成的塬地或近沟壑边缘，随着井下大范围开采，涉及地表建筑的煤层开采及保护问题会越来越多。
因此，研究井下开采对地表造成的影响、存在规律、预防措施和
治理就成为当务之急。
二、4101工作面观测站方案设计
1. 主要目的、任务
1）根据矿井地形、地质、开采条件，设计并建立4101工作面开采的地表移动观测站，进行地表移动变形观测；
2）通过观测取得建新煤矿地形、地质、采矿条件下的采动地表变形规律与岩层移动参数，为矿区村庄、道路及其公共设施、水体下采煤和留设保护煤柱提供计算分析资料与依据，为矿区“三下”安全开采服务；
3）观测条件许可下，进行地表移动数据的动态跟踪分析，了解开采过程地表移动变形的规律与特征。
2. 作业依据
1. 中国统配煤矿总公司.煤矿测量规程、手册.煤炭工业出版社；
2. 中国矿业大学.开采沉陷学.中国矿业大学出版社；
3. 中华人民共和国煤炭工业部制定.建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程.煤炭工业出版社；
4. 中华人民共和国测绘行业标准.全球定位系统（GPS）测量规范.GBT 18314-2001；国家三、四等水准测量规范.GB 12898-91。
3. 仪器设备
为完成研究任务，配备中海达GPS（静态）接收机4台，精度5mm+10ppm、拓普康2″全站仪一台，测距精度2mm+2ppm、索佳C32Ⅱ水准仪（S3型）一台，3米区格式木质水准尺及尺垫一副，计算机一台。
4. 设站地区地形、地质及采矿技术条件
矿区主采4-2煤层，4101工作面位于矿井41盘区，煤层厚度约3.2～8.9m，平均厚度5.6m，倾角1～3°，为近水平煤层；工作面走向长1163m，倾向长180m，总面积222053m2。采用综合机械化放顶煤采煤法，全部垮落法管理顶板。上方地形高低起伏，植被茂密，海拔1135～1500 m，平均采深550m。
5. 观测站设计
矿区地形条件差、起伏大，植被非常茂密，这给观测站的设计和观测工作带来极大不便。考虑到实际困难，我们主要分析研究开采影响的静态结果，这样观测站的设计可随地形的起伏和植被的分布做适当的调整，观测次数尽量减少，以满足参数计算和静态分析为目的。
1）观测线长度及平面位置确定
根据钻孔资料和煤层底板等高线，可以看出开采面内煤层呈盆地型分布，走向并不明显，故都设计为倾向线。设计沿倾向方向分别布置两条观测线，且两条观测线基本垂直（A、B）。根据采深与观测点间距的选取要求，测点间距控制在30m左右。
根据开采区地表的地形分析，在采动影响区域之外根据地表已有永久控制点确定每条观测线的控制点至少2～3个，并连测观测线上各观测点。观测点的外端点距控制点间距离及控制点与控制点间的距离以不小于50m进行布设。
2）所用参数选择
根据4101工作面开采影响观测范围的地质、地形及开采煤层条件分析，上覆岩层以砂岩为主，夹有少部分砾岩和泥岩，综合分析本区覆岩岩性与铜川、蒲白、澄合矿区属相近类型。根据有关研究表明：这些矿区松散层边界角φ=57.3，基岩走向边界角0=68.6，上山边界角0=73.9，下山边界角0=66.1，可作为4101工作面开采沉陷的设计参数。由于地形条件的限制，考虑将各移动角的修正值定为10，即取Δγ=Δδ=Δβ=10。
3）倾向与走向观测线位置确定
因开采面内煤层呈盆地型分布，走向不明显，故不设走向线，设计均为倾向线，根据地形条件设计倾向观测线，达到最大下沉即可。
4）观测线长度
A观测线长度，根据实际地形情况我们可以选择半盆地上山观测线。具体计算：
H0ctg63.9+ Hoctg58.6=269+335+30= 634 m
B观测线长度，考虑到测区为山地布点观测不方便，所以在布设观测站时参数的设计和观测线的长度会加以适当的调整，将观测线尽可能沿沟底布设或尽可能靠近沟底，便于观测。具体计算：
H0ctg63.9+L+ Hoctg56.1=269+180+369=818 m
三、观测
地表移动观测站观测时间及观测内容
1. 观测站与矿区控制网连测
在观测点埋设好10～15天、点位固结后，测站地区未被采动之前应完成连接测量工作。根据规范要求，连接测量需独立进行两次。由于地形复杂，采用静态GPS作E级平面控制和矿区进行连测；高程采用四等三角高程测量的方法即可。
2. 全面观测
全面观测必须独立进行两次，时间间隔不超过5天，包括各测点的平面位置和高程。
全面观测平面用全站仪按一级导线测量，高程按三等水准精度要求实施。两次观测同一点高程差≯10mm，點位坐标互差≯20mm，取平均值作为观测站的原始观测数据。 為确定移动稳定后各点的空间位置，须在地表稳定后进行一次全面观测（称为末次观测），地表移动稳定的标志是：连续6个月观测地表各点的累计下沉值均小于30 mm。如果需要增加全面观测，可根据情况或要求随时确定。
3. 日常观测
1）当开采工作面推进宽度达到采深的0.2～0.5倍后，每隔十天进行一次水准测量，监控地表是否开始移动；
2）在地表移动过程中，要进行日常观测工作，即每隔1～3个月观测一次。
3）在移动活跃阶段，还应在下沉较大的区段，增加水准观测次数。此阶段可按四等水准测量精度进行。
每次观测，要实测相应工作面位置、开采厚度、工作面推进速度及顶板陷落、煤层产状、地质构造、水文条件等。同时测量地表受采动影响后产生的裂缝位置和塌陷要素，特别是采区附近200m范围内的地物变形情况及其特征，并注明发现日期。每次观测结束后，要及时将有关开采要素（开采高度、深度，工作面推进速度，工作面位置、日期等）、地面损害特征（地表裂缝、塌陷坑、滑坡点，损坏的房屋及保护物等）要素标注到图纸上，以便分析。
四、变形分析
在对野外观测成果再次检查，进行各种改正数的计算和平差计算后，通过内业整理首先算出观测点平面坐标和高程，然后计算出各变形量和变形参数。
经过两年半的实际现场观测，各点高程变化值在2—10mm之间，考虑到此偏差由测量误差和外因条件对点位的影响，各点的高程变化应在正常范围。
选取倾向线与中心线的交点O，作点位下沉曲线图（如图）所示：
根据对实测数据处理及特征点点位变形曲线图分析得知，各监测点高程均未发生明显变化，且在对测区日常巡视中未发现地表裂缝、塌陷坑等地面损害特征，分析此种状况的原因，大致有以下几点：
1.4101工作面开采深度平均550m左右，煤层开采深度大，开采对地表沉陷影响明显减弱。
2.工作面开采宽度较窄，加之煤层开采深度大，基本不会形成充分采动，地表不易发生大面积变形。
3.工作面上覆岩层多为砂岩和砾岩，厚度超过了100m，且岩性坚硬。据辽宁工程技术大学教授赵德深的论文《煤矿区采动覆岩离层分布规律与地表沉陷控制研究》表明：当厚硬岩石覆盖层接近地表且厚度超过100m时，其下方离层可持久存在，且砾岩基本不会出现断裂现象，故4101工作面的开采沉陷基本未波及地表。
关键词：开采；岩移；研究；应用
一、概述
建新煤矿地处黄陵县建庄林区，属陕北黄土高原南部的低中山丘陵，区内山峦起伏、沟壑纵横、地形复杂，属侵蚀构造地形，并呈堆积的山间河谷地貌特征。植被以灌木、松树等为主，覆盖密度大，为典型的低山林区，水系较发育。
矿区井田范围内分布有水库、村庄、工业设施等，大部分村庄民房建在沟壑切割形成的塬地或近沟壑边缘，随着井下大范围开采，涉及地表建筑的煤层开采及保护问题会越来越多。
因此，研究井下开采对地表造成的影响、存在规律、预防措施和
治理就成为当务之急。
二、4101工作面观测站方案设计
1. 主要目的、任务
1）根据矿井地形、地质、开采条件，设计并建立4101工作面开采的地表移动观测站，进行地表移动变形观测；
2）通过观测取得建新煤矿地形、地质、采矿条件下的采动地表变形规律与岩层移动参数，为矿区村庄、道路及其公共设施、水体下采煤和留设保护煤柱提供计算分析资料与依据，为矿区“三下”安全开采服务；
3）观测条件许可下，进行地表移动数据的动态跟踪分析，了解开采过程地表移动变形的规律与特征。
2. 作业依据
1. 中国统配煤矿总公司.煤矿测量规程、手册.煤炭工业出版社；
2. 中国矿业大学.开采沉陷学.中国矿业大学出版社；
3. 中华人民共和国煤炭工业部制定.建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程.煤炭工业出版社；
4. 中华人民共和国测绘行业标准.全球定位系统（GPS）测量规范.GBT 18314-2001；国家三、四等水准测量规范.GB 12898-91。
3. 仪器设备
为完成研究任务，配备中海达GPS（静态）接收机4台，精度5mm+10ppm、拓普康2″全站仪一台，测距精度2mm+2ppm、索佳C32Ⅱ水准仪（S3型）一台，3米区格式木质水准尺及尺垫一副，计算机一台。
4. 设站地区地形、地质及采矿技术条件
矿区主采4-2煤层，4101工作面位于矿井41盘区，煤层厚度约3.2～8.9m，平均厚度5.6m，倾角1～3°，为近水平煤层；工作面走向长1163m，倾向长180m，总面积222053m2。采用综合机械化放顶煤采煤法，全部垮落法管理顶板。上方地形高低起伏，植被茂密，海拔1135～1500 m，平均采深550m。
5. 观测站设计
矿区地形条件差、起伏大，植被非常茂密，这给观测站的设计和观测工作带来极大不便。考虑到实际困难，我们主要分析研究开采影响的静态结果，这样观测站的设计可随地形的起伏和植被的分布做适当的调整，观测次数尽量减少，以满足参数计算和静态分析为目的。
1）观测线长度及平面位置确定
根据钻孔资料和煤层底板等高线，可以看出开采面内煤层呈盆地型分布，走向并不明显，故都设计为倾向线。设计沿倾向方向分别布置两条观测线，且两条观测线基本垂直（A、B）。根据采深与观测点间距的选取要求，测点间距控制在30m左右。
根据开采区地表的地形分析，在采动影响区域之外根据地表已有永久控制点确定每条观测线的控制点至少2～3个，并连测观测线上各观测点。观测点的外端点距控制点间距离及控制点与控制点间的距离以不小于50m进行布设。
2）所用参数选择
根据4101工作面开采影响观测范围的地质、地形及开采煤层条件分析，上覆岩层以砂岩为主，夹有少部分砾岩和泥岩，综合分析本区覆岩岩性与铜川、蒲白、澄合矿区属相近类型。根据有关研究表明：这些矿区松散层边界角φ=57.3，基岩走向边界角0=68.6，上山边界角0=73.9，下山边界角0=66.1，可作为4101工作面开采沉陷的设计参数。由于地形条件的限制，考虑将各移动角的修正值定为10，即取Δγ=Δδ=Δβ=10。
3）倾向与走向观测线位置确定
因开采面内煤层呈盆地型分布，走向不明显，故不设走向线，设计均为倾向线，根据地形条件设计倾向观测线，达到最大下沉即可。
4）观测线长度
A观测线长度，根据实际地形情况我们可以选择半盆地上山观测线。具体计算：
H0ctg63.9+ Hoctg58.6=269+335+30= 634 m
B观测线长度，考虑到测区为山地布点观测不方便，所以在布设观测站时参数的设计和观测线的长度会加以适当的调整，将观测线尽可能沿沟底布设或尽可能靠近沟底，便于观测。具体计算：
H0ctg63.9+L+ Hoctg56.1=269+180+369=818 m
三、观测
地表移动观测站观测时间及观测内容
1. 观测站与矿区控制网连测
在观测点埋设好10～15天、点位固结后，测站地区未被采动之前应完成连接测量工作。根据规范要求，连接测量需独立进行两次。由于地形复杂，采用静态GPS作E级平面控制和矿区进行连测；高程采用四等三角高程测量的方法即可。
2. 全面观测
全面观测必须独立进行两次，时间间隔不超过5天，包括各测点的平面位置和高程。
全面观测平面用全站仪按一级导线测量，高程按三等水准精度要求实施。两次观测同一点高程差≯10mm，點位坐标互差≯20mm，取平均值作为观测站的原始观测数据。 為确定移动稳定后各点的空间位置，须在地表稳定后进行一次全面观测（称为末次观测），地表移动稳定的标志是：连续6个月观测地表各点的累计下沉值均小于30 mm。如果需要增加全面观测，可根据情况或要求随时确定。
3. 日常观测
1）当开采工作面推进宽度达到采深的0.2～0.5倍后，每隔十天进行一次水准测量，监控地表是否开始移动；
2）在地表移动过程中，要进行日常观测工作，即每隔1～3个月观测一次。
3）在移动活跃阶段，还应在下沉较大的区段，增加水准观测次数。此阶段可按四等水准测量精度进行。
每次观测，要实测相应工作面位置、开采厚度、工作面推进速度及顶板陷落、煤层产状、地质构造、水文条件等。同时测量地表受采动影响后产生的裂缝位置和塌陷要素，特别是采区附近200m范围内的地物变形情况及其特征，并注明发现日期。每次观测结束后，要及时将有关开采要素（开采高度、深度，工作面推进速度，工作面位置、日期等）、地面损害特征（地表裂缝、塌陷坑、滑坡点，损坏的房屋及保护物等）要素标注到图纸上，以便分析。
四、变形分析
在对野外观测成果再次检查，进行各种改正数的计算和平差计算后，通过内业整理首先算出观测点平面坐标和高程，然后计算出各变形量和变形参数。
经过两年半的实际现场观测，各点高程变化值在2—10mm之间，考虑到此偏差由测量误差和外因条件对点位的影响，各点的高程变化应在正常范围。
选取倾向线与中心线的交点O，作点位下沉曲线图（如图）所示：
根据对实测数据处理及特征点点位变形曲线图分析得知，各监测点高程均未发生明显变化，且在对测区日常巡视中未发现地表裂缝、塌陷坑等地面损害特征，分析此种状况的原因，大致有以下几点：
1.4101工作面开采深度平均550m左右，煤层开采深度大，开采对地表沉陷影响明显减弱。
2.工作面开采宽度较窄，加之煤层开采深度大，基本不会形成充分采动，地表不易发生大面积变形。
3.工作面上覆岩层多为砂岩和砾岩，厚度超过了100m，且岩性坚硬。据辽宁工程技术大学教授赵德深的论文《煤矿区采动覆岩离层分布规律与地表沉陷控制研究》表明：当厚硬岩石覆盖层接近地表且厚度超过100m时，其下方离层可持久存在，且砾岩基本不会出现断裂现象，故4101工作面的开采沉陷基本未波及地表。