回采面推进速度与地表塌陷距离观测及塌陷防治.docx

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回采面推进速度与地表塌陷距离观测及塌陷防治

项目编号：

15120606

研究开发项目计划任务书

项目名称：

回采面推进速度与地表塌陷距离观测及塌陷防治

预测预报研究

承担单位：

霍州煤电集团吕梁山煤电有限公司木瓜煤矿

协作单位：

开发机构：

霍州煤电集团技术中心

起止时间：

2014年11月-2015年7月

项目负责人：

贺龙祥

技术中心

2014年11月5日

一、项目概述（包括：

立项背景、研究内容、预期目标。

限300字）：

矿山开采对地表自然生态存在不同程度的破坏,特别是对采空区实施自然垮落的矿山,对地貌破坏严重,甚至会直接影响人身财产安全。

因此地表塌陷深度、范围预测对于评估地表构、建筑物安全意义重大。

当前国家对矿山生态环境治理问题非常重视,自2007年起,矿山土地复垦方案评价已列入申办采矿权的必要文件,采空区地表塌陷的预测则成为土地复垦方案的重要内容之一。

2014年山西焦煤提出了“安全是生存的底线，环保是发展的红线”工作理念，将“坚守安全环保底线”作为今后一段时期的中心工作和突破重点。

因此，对我矿回采工作面推进速度与地表塌陷距离观测及塌陷防治预测预报的研究显得尤为重要。

为响应国家及集团公司要求，现对我矿10-201回采工作面推进速度与地表塌陷距离观测及防治进行研究，以得到我矿回采工作面地表塌陷规律及防治措施。

__二、立项背景、目的意义及国内外技术现状（包括知识产权状况）

2.1国内外煤矿采空区地表岩移研究现状

2.1.1国外采空区地表岩移研究发展概况

在十九世纪七十年代，比利时人总结了开采的破坏性影响，提出：

建筑物的破坏程度与它在移动盆地内的位置有关，认为移动盆地内对建筑物有危险的是边缘地带。

建筑物受损害不是由于绝对下沉引起的，而是相对下沉，即倾斜引起的。

比利时人认为，要想减少开采对地面的损害，应该在大范围内连续开采。

这一论点现在正应用于解决建筑群下开采问题。

波兰在这方面多年来的实践，证明上述论点是可取的。

比利时人当时还很重视地表下沉与开采厚度的关系。

直到1897年，德国陶德曼矿务局建立了世界上第一个移动观测站，当时建站观测的目的，主要是用来获取保护煤柱设计的依据，并制定所谓的“陶德曼规程”。

他们在研究过程中，进行了大量而系统的仪器观测，在此基础上提出了下沉角值与岩石性质及矿层倾角有关，并求得了数量上的关系。

到十九世纪末，岩层与地表移动问题无论在试验工作方面，还是在理论研究方面，都一直没有间断过，而且得到了发展。

从二十世纪三十年代以后，在许多国家如德国、前苏联、比利时、英国、波兰、印度及日本等国，设置了大量的地表观测站，并在此基础上对岩层与地表移动的规律进行了大量研究，取得了丰硕的成果。

到二十世纪末，人们已初步掌握了岩层与地表移动的基本规律，通过大量的现场仪器观测，找到了岩层与地表移动各主要参数与地质采矿因素的关系，并建立了各种类型的地表移动盆地剖面数学表达式，为地表移动与变形预计方法的建立创造了条件。

有了地表移动预计方法，就可以预计一定条件下开采引起的地表变形值，因而，就有可能估计出房屋、铁路由于地下开采而受损害的程度，就可以事先采取防护措施，避免灾难性的破坏。

地面仪器观测手段通过数十几年的发展，从传统的地表变形监测方法发展到近代现代化的检测方法。

（1）常规地面测量方法的完善与发展，其显著进步是全站型仪器的广泛使用，尤其是全自动跟踪全站仪（RTS），为局部工程变形的自动监测或室内检测提供了一种很好的技术手段，它可进行一定范围内无人值守、全天候、全方位的自动监测。

（2）地面摄影测量技术在变形监测中的应用虽然起步较早，但由于摄影距离不能过远，加上绝对精度较低，使得其应用受到局限。

过去仅大量应用于高塔、烟囱、古建筑、船闸、边坡体等的变形监测。

近几年发展起来的数字摄影测量和实时摄影测量为地面摄影测量技术在变形监测中的深入应用开拓了非常广阔的前景。

（3）光、机、电技术的发展，研制了一些特殊和专用的监测仪器可用与变形的自动监测，它包括应变测量、准直测量和倾斜测量。

例如遥测垂线坐标仪，采用自动读数设备，其分辨率可达0.01mm；采用光纤传感器测量系统将信号测量和信号传输合二为一，具有很强的抗雷击、抗电磁场干扰和抗恶劣环境的能力，便于组成遥测系统，实现在线分布式检测。

（4）GPS作为一种全新的现代空间定位技术，已逐渐在越来越多的领域取代了常规光学和电子测量仪器。

自从20世纪80年代以来，尤其是进入90年代后，GPS卫星定位和导航技术与现代通信技术相结合，在空间定位技术方面引起了革命性的变化。

用GPS同时测定三维坐标的方法将测绘定位技术从陆地和近海扩展到整个海洋和外层空间，从静态扩展到动态，从单点定位扩展到局部与广域差分，从事后处理扩展到实时（准时）定位与导航，绝对和相对精度扩展到m级、cm级乃至亚mm级，从而大大拓宽了它的应用范围和在各行各业中的作用。

地学工作者已将GPS应用于地表变形监测的多个实验中，取得了丰富的理论研究成果，并逐步走向了实用阶段。

数据通讯技术、计算机技术和以GPS为代表的空间定位技术的日益发展和完善，使得GPS法由原来的周期性观测走向了高精度、实时、连续、自动监测成为可能。

2.1.2我国采空区地表岩移研究发展概况

在我们国家对岩层移动与地表沉降的研究由来已久，岩层与地表移动的研究工作开始于60年代以前，基本上借用苏联的典型曲线法；五十年代初期，建立了我国第一批地表移动观测站，开始了我国岩层移动科学研究的仪器观测工作。

五十年代后期，我国各主要矿区，先后制定了

开展地表移动观测的规划，并建立了一批观测站，相继开展了岩层与地表移动的观测与研究工作。

多年来的仪器观测，积累了大量的资料。

在此基础上，初步提出了移动与变形的计算公式，以及选定有关参数的方法。

从而改变了过去那种引用外国数据解决我国实际问题的局面。

五十多年来，有关矿山地表沉陷问题的专门性全国会议召开过多次，在这些会议上，各矿区的工程技术人员、科学工作者、大专院校的教师交流了科研及生产试验成果，总结了我国岩层移动工作，用大量的新资料充实了已有的科研成果，促进了我国矿山地表沉陷科研工作的进一步发展。

我国在水体下、铁路下、建筑物下采煤积累了大量经验。

目前，我国已广泛采用了全站仪进行测量工作，提高了观测的精度和工效，在建筑物变形观测中，应用了摄影测量技术和陀螺经纬仪，普遍采用了计算机进行岩移资料的整理，采用了计算机控制的自动绘图仪，将观测成果和预计成果绘成地表移动和变形的等值线图，采用了地表移动的自动记录装置，使观测工作实现了自动化。

 实验室研究方面，国内外普遍采用相似材料模型来研究地下开采上覆岩层与地表的移动过程和移动规律。

在岩层及地表移动的理论研究方面，国内外大抵是沿着两个途径——连续介质力学和随机介质理论展开的。

由于矿区地质及采矿条件的复杂性，，目前还没有一种完整理论能完全解决生产中的实际问题。

2.2木瓜煤矿以往采空区地表塌陷观测与塌陷防治预测状况及存在问题

2.2.1木瓜煤矿以往采空区地表塌陷观测手段

目前我矿采掘工作面主要集中在二采区，现回采衔接10-201工作面，已形成的采空区为10-209、10-208工作面。

以往主要依靠踏勘，利用手持GPS的定位功能，收集工作面地表裂缝、滑坡位置、范围等数据填绘在地质图上，作为灾害治理的依据。

2.2.2木瓜煤矿采空区地表塌陷观测存在的问题及简要分析

我矿区地处山区，地貌以黄土丘陵、沟壑为主，土质含砂，粘性差，地形条件十分复杂，使开采沉陷观测工作难度很大。

正因如此，近年来一直没有开展矿山开采沉陷的地表岩移观测和研究工作。

随着吕梁山各矿区相继进入下组煤开采，重复采动的影响导致地表破坏严重。

由于缺乏相关观测资料，使得煤柱留设和地表破坏引起的农工问题越来越严重。

为此，对我矿区的地表岩移观测工作展开了相关研究，首次在10-201使用RTK（GPS实时动态控制系统）技术对地表沉陷进行观测。

开采沉陷是随时间和空间变化的复杂四维问题。

地表移动观测的基本内容是在采动过程中，定期地、重复地测量观测线上各测点在不同时期空间位置的变化。

空间位置变化包括水平位移和高程的变化。

传统的测量方法是应用全站仪测量水平坐标，水准仪测量水准高程，但是水准高程测量的条件是有限的，在坡度较大的矿区地表基本是无法进行的，这样给很多地势陡峭的山区矿井进行沉陷观测带来了很大的困难，阻碍了山区沉陷观测工作的发展。

__三、项目主要内容、指标、关键技术及创新点

1、项目主要内容：

（1）对回采工作面采空区地表塌陷的观测方法进行研究；

（2）研究采空区上部地表塌陷初始期与回采工作面初次来压的时间关系；

（3）研究采空区上部地表塌陷速率与回采工作面推进速度的关系；

（4）研究采空区上部地表塌陷范围与回采工作面采空区面积的空间关系；

（5）RTK测量技术在采空区地表塌陷观测中的应用及可行性；

（6）优化采空区地表塌陷观测方法及塌陷防治预测预报技术。

2、技术指标：

参照霍州矿区及其他矿区资料岩移参数，采用类比法取得移动参数如下：

煤层平均倾角α=8°

松散层移动角ψ=45°

基岩走向移动角δ=75°

基岩上山移动角γ=75°

基岩下山移动角β=75°-0.8α=68.6°

RTK参数：

仪器型号为美国天宝GPS，GNSSR8系列

精度指标：

静态模式水平5mm+0.5ppm

静态模式垂直10mm+0.5ppm

动态模式水平10mm+1ppm

动态模式垂直20mm+1ppm

3、关键技术

利用RTK测量技术，在采空区地表复杂地貌条件下对塌陷观测中的数据采集更快捷、直观，且操作简单，节省人力物力。

4、创新点

在论述矿山开采沉陷相关基本概念和RTK技术的基础上，针对在山区开展地表岩移观测工作复杂的问题，结合RTK技术的的优势，采用RTK技术对山区地表沉陷进行实时快速测量。

并以具体10-201回采面地表岩移观测工作为例，结合工作面的地质采矿条件和矿山测量规程的相关规定，对工作面上方观测线进行了设计；采用RTK进行连续测量、全面观测和日常观测；最后通过对测量数据的分析，获得了我矿区的地表岩移规律，并证实了采用RTK技术在山区进行地表岩移观测的可行性。

RTK技术优点

（1）作业效率高：

在一般的地形地势下，高质量的RTK设站一次即可测完4km半径的测区，大大减少了传统测量所需的控制点数量和测量仪器的“搬站”次数，仅需一人操作，在一般的电磁波环境下几秒钟即得一点坐标，作业速度快，劳动强度低，节省了外业费用，提高了劳动效率。

（2）定位精度高，数据安全可靠，没有误差积累：

只要满足RTK的基本工作条件，在一定的作业半径范围内（一般为4km），RTK的平面精度和高程精度都能达到厘米级。

　　（3）降低了作业条件要求：

RTK技术不要求两点间满足光学通视，只要求满足“电磁波通视”。

　　（4）RTK作业自动化、集成化程度高，测绘功能强大：

RTK可胜任各种测绘内、外业。

流动站利用内装式软件控制系统，无需人工干预便可自动实现多种测绘功能，使辅助测量工作极大减少，减少人为误差，保证了作业精度。

　　（5）操作简便，容易使用，数据处理能力强：

只要在设站时进行简单的设置，就可以边走边获得测量结果坐标或进行坐标放样。

数据输入、存储、处理、转换和输出能力强，能方便快捷地与计算机、其它测量仪器通信，手簿软件的使用简单易学。

_

四、技术路线方案、课题分解

本项目将采用现场调研、野外实测、数据采集、理论分析、数值计算以及实验分析等相结合的研究方法。

本项目拟采取的研究方案如下：

1、布设控制点

选定工作面周边地表未受采动影响的10-201工作面为研究对象，在10-201地表预计受塌陷影响的地表范围以外的稳定山体上布置控制点。

采用GPS静态模式对3个近井点和两个控制点连续三天进行同时间段观测，根据已知近井点对两个控制点进行修正。

2、布设观测线

10-201工作面周边未受采动影响，平面图为规则矩形，走向长1432m、倾向长163m，煤层厚度2.9m，煤层平均倾角8°。

为得到更精确的地质参数，在10-201上部地表施工一个地质钻孔DB3，根据钻孔资料得知该工作面采深264-321m，其中基岩厚160m。

根据工作面实际参数共设三条观测线，沿工作面走向布一条（A线），工作面倾向布两条（B1、B2线，B1=B2），观测线长度根据《煤矿测量规程》规定按以下公式取值：

式中H——平均开采深度

h——松散层厚度

l——工作面倾向长度

L——工作面走向长度

S——控制点间距，此处取值为20m

各观测线的总长度、分段长度以及点间距和点数见下表

观测线

总长度

控制点数

监测点数

测点间距

测线方位

走向A

2000

2

101

20

90°

倾向B1

760

39

20

0°

倾向B2

760

39

20

0°

合计

3520

2

179

观测线位置：

走向观测线（A）离工作面正巷的平面距离为D3：

倾向观测线（B1）离工作面开切眼的平面距离为D1：

倾向观测线（B2）离工作面停采线的平面距离为D2：

式中c——工作面推进速度

t——观测站设计到第一次观测的时间间隔

3、全面观测

为了准确地确定工作测点在地表移动开始前的位置，在连测后且地表开始移动之前，应独立进行两次全面观测，两次全面观测时间间隔不超过5天。

全面观测的内容包括测定各测点的平面位置和高程。

记录地表原有的破坏情况，并作出素描。

在两次全面观测的同一点高程相差不大于10mm，支距距离不大于30mm，同一边长的长度差不大于4mm时，取平均值作为观测站的原始观测数据，即初次观测数据。

为了确定移动稳定后地表各点的空间位置，需在地表稳定后进行最后一次全面观测，即末次观测，地表移动稳定的累计下沉值均小于30mm。

4、日常观测

日常观测工作全部采用RTK观测，直接测定观测点的空间三维坐标，通过数据处理求其移动变形值。

重复测量的时间间隔，视地表下沉的速度而定，一般是每隔10～15d观测一次。

在移动的活跃阶段（地表每月下沉值大于50mm），还应在下沉较大的区段，增加观测次数，5～10d观测一次，在地表观测的同时要记录工作面的推进速度及推进位置。

采动结束后继续观测6个月，直到地表稳定为止。

5、数据分析

观测数据的分析包括计算和绘图两部分。

观测数据的计算主要是求取各测点的高程、相邻两测点的水平距离和各测点偏离观测线的支距，然后计算各测点的移动和变形值及下沉速度等；绘图是根据每次观测的计算结果绘制曲线图

五、地点、进度安排、费用安排

1、地点：

霍州煤电集团吕梁山煤电有限公司方山木瓜煤矿10-201工作面地表。

2、项目进度及费用安排：

月份

进度安排

费用安排

（万元）

14年11月

资料收集、现场调研及理论分析，制定研究方案

4

14年12月

地质钻孔

28

15年1月

布设控制点及观测线、购置观测设备（GPS一台）

29.1

15年2月

全面观测

0.4

15年3月

日常观测

4.2

15年4月

日常观测

15年5月

日常观测

15年6月

数据分析及处理，编制成果

5

15年7月

其他

4.5

合计

75.2

六、预期成果及经济、社会效益分析

当地下工作面开采达到一定距离后，地下开采便会涉及地表，随着工作面的推进，地表各点下沉速度逐渐增大，最大下沉速度也增大，从而来在采空区上方地表形成一个比采空区大得多的沉陷区域。

通过此项目研究，可以优化本矿区保护煤柱的设计，为矿区与开采有关的的环境影响提供可靠依据，也可以对采区影响范围地表变形情况进行预测预报。

七．项目研究人员名单

姓名

性别

部门

职称

承担内容

项目责任人（项目负责人）

屈平

男

办公室

高工

组织实施

项

目

主

要

参

加

人

贺龙祥

男

办公室

高工

组织实施

张涛

男

地测科

工程师

项目协调

袁远

男

地测科

助工

项目协调

任朦朦

男

地测科

助工

现场数据收集及测试

杨宇霆

男

地测科

助工

现场数据收集及测试

张扬

男

地测科

技术员

现场数据收集及测试

胡雪墩

男

地测科

助工

现场数据收集及测试

葛永芳

男

地测科

现场数据收集及测试

屈平

男

办公室

高工

组织实施

贺龙祥

男

办公室

高工

组织实施

八、经费预算

科目

总投资预算数

其中:

当年预算

总投资预算计算依据

经费支出定义

1、设备费

26万

26万

美国天宝GPS，GNSSR8系列

是指在项目研究开发过程中购置或试制专用仪器设备，对现有仪器设备进行升级改造，以及租赁外单位仪器设备而发生的费用。

其中：

购置

须注明购置设备名称、型号、单价、数量、用途

试制

须注明试制设备名称、数量、用途

2、材料费

1.3万

1.3万

控制点2个，260元/个；观测点179个，70元/个。

是指在项目研究开发过程中消耗的各种原材料、辅助材料等低值易耗品的采购及运输、装卸、整理等费用。

3、测试化验加工费

6.4万

6.4万

控制点、观测点共181个，60元/个。

由两人指导施工，预计工期18天，200元/每人每天。

连接测量需同时间段对3个近井点和两个控制点独立进行两次，预计5人参加，200元/每人每天。

对179个观测点在采前进行两次全面观测，由5人组参加，200元/每人每天。

对179个观测点在采动过程中进行的的观测，为期14个月，每月3次，由5人组参加，200元/每人每天。

是指在项目研究开发过程中支付给外单位（包括项目承担单位内部独立经济核算单位）的检验、测试、化验及加工等费用。

4、燃料动力费

是指在项目研究开发过程中相关大型仪器设备、专用科学装置等运行发生的可以单独计量的水、电、气、燃料消耗费用等。

5、差旅费

0.5万

0.5万

由五人组成地测调查小组，上山补贴200元/每人每次，交通费100元/每次，共3次。

是指在项目研究开发过程中开展科学实验（试验）、科学考察、业务调研、学术交流等所发生的外埠差旅费、市内交通费用等。

6、会议费

2万

2万

组织会议4次，5000元/次。

是指在项目研究开发过程中为组织开展学术研讨、咨询以及协调项目等活动而发生的会议费用。

7、国际合作与交流费

是指在项目研究开发过程中项目研究人员出国及外国同行来华工作的费用。

项目发生国际合作与交流费，应当事先报经项目组织单位审核同意。

8、出版/文献/信息传播/知识产权事务费

5万

5万

每次观测后对数据汇总处理，所有观测结束后对观测结果进行总结，编制成果报告。

是指在项目研究开发过程中，需要支付的出版费、资料费、专用软件购买费、文献检索费、专业通信费、专利申请及其他知识产权事务等费用。

9、劳务费

28万

28万

钻孔施工350米，800元/米；

是指在项目研究开发过程中支付给项目组成员中编外人员和项目组临时聘用人员等的劳务性费用。

10、专家咨询费

4.5万

4.5万

聘请两位专家作为项目指导。

2万；

用于2位博士生及3位硕士生项目研究期间的助研补贴。

博士按照2000元/月；硕士按照1000元/月。

共计2.5万

是指在项目研究开发过程中支付给临时聘请的咨询专家的费用。

专家咨询费不得支付给参与项目管理的工作人员。

一般标准为：

具有或相当于高级专业技术职称人员第1、2天为500-800元/人天，第3天及以后为300-400元/人天；其他专业技术人员第1、2天为300-500元/人天，第3天及以后为200-300元/人天。

11、管理费

是指在项目研究开发过程中对使用本单位现有仪器设备及房屋，日常水、电、气、暖消耗，以及其他有关管理费用的补助支出。

管理费实行分段超额累推比例法核定：

项目经费预算在100万元及以下的部分按照8%的比例核定；超过100万元至500万元的部分按照5%的比例核定；超过500万元至1000万元的部分按照2%的比例核定；超过1000万元的部分按照1%的比例核定。

管理费实行总额控制，由项目承担单位管理和使用。

12、其他

1.5万

1.5万

布设控制点两个，需征地0.5亩，3000元/亩；

须注明开支的具体内容。

合计

8-1设备购置（试制）预算明细表

序号

设备（软件）名称

型号

单价

（元/台件）

数量

（台件）

总价

经费

列支

生产国别与地区

主要技术性能指标

购置（试制）理由、用途、拟安置单位（与本项目关系）

1

GPS

美国天宝GPS，GNSSR8系列

26万

1

26万

设备一套，共计26万

美国天宝

GNSSR8系列

累计

26万

26万

8-2材料费预算明细表

序号

材料名称

计量单位

单价

（元/单位数量）

材料费用

经费列支

1

控制点（混凝土+钢筋）

个

260元/个

520元

520元

2

观测点（混凝土+钢筋）

个

70元/个

12530元

12530元

累计

1.3万

8-3外协测试化验与加工费预算明细表

序号

外协测试化验与加工的内容

外协测试化验与加工单位

计量单位

单价

（元/单位数量）

外协测试化验与加工费用

经费列支

1

连接测量费

5人；2天

200元/每人每天

0.2万

连接测量需同时间段对3个近井点和两个控制点独立进行两次，预计5人参加，200元/每人每天。

2

全面观测费

5人；2天

200元/每人每天

0.2万

对179个观测点在采前进行两次全面观测，由5人组参加，200元/每人每天。

3

日常观测费

5人；42天

200元/每人每天

4.2万

对179个观测点在采动过程中进行的的观测，为期14个月，每月3次，由5人组参加，200元/每人每天。

其他外协测试化验与加工项目

累计

4.6万元

4.6万元

九、项目（课题）组意见（对项目实施条件的承诺，包括对经费预算合理性，能否保证研究计划实施所需的人力，工作时间等基本条件）：

项目（课题）负责人（签名、盖章）

年月日

十、基层单位科技管理部门或项目组织部门意见（审查本单位项目论证意见）：

负责人（签名、盖章）

（公章）

年月日

十一、项目承担单位意见：

负责人（签名、盖章）

（公章）

年月日

十二、集团公司业务部室审查意见（对技术的先进性、必要性