閆偉濤，張朝輝，陳震，陳俊杰

（1.河南理工大學(xué) 測(cè)繪與國(guó)土信息工程學(xué)院，河南 焦作 454000；2.山西省煤炭地質(zhì)114勘查院，山西 長(zhǎng)治 046011）

0 引 言

煤炭是我國(guó)第一大能源，在我國(guó)能源結(jié)構(gòu)中占首要位置。大規(guī)模煤炭開采易導(dǎo)致大范圍覆巖移動(dòng)和地表變形。覆巖移動(dòng)和地表變形是多種采礦因素（地質(zhì)、地形等）聯(lián)合作用下的復(fù)雜時(shí)間，空間運(yùn)動(dòng)［1-2］。不同地質(zhì)、地形、采礦條件下，同樣的采動(dòng)面表現(xiàn)出迥異的采動(dòng)影響。國(guó)內(nèi)外學(xué)者已就不同地質(zhì)、地形、采礦條件下的沉陷規(guī)律做了大量研究［3-6］。其中山區(qū)地下深部臨近采煤工作面煤炭資源的大規(guī)模開采最突出，不僅導(dǎo)致覆巖和地表移動(dòng)變形在范圍、程度和位置等方面產(chǎn)生異常，同時(shí)也使后續(xù)的沉陷預(yù)計(jì)難度增大。從礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造上看，我國(guó)山區(qū)礦井廣泛分布于山西、河南、貴州等省份，約占全國(guó)礦井總數(shù)的1／3。關(guān)于山區(qū)地表移動(dòng)變形問題，已有學(xué)者進(jìn)行了較深入的研究。王啟春等［7］結(jié)合AutoCAD，Surfer和FLAC3D軟件構(gòu)建基巖裸露山區(qū)不同傾斜煤層開采的數(shù)值模擬模型，分析了煤層傾角對(duì)地表移動(dòng)變形 的 影 響；王 磊 等［8］、韓 奎 峰 等［9］、廉 旭 剛等［10］、趙博等［11］推導(dǎo)建立了山區(qū)地表沉陷預(yù)測(cè)改進(jìn)算法；劉玉成等［12］基于薄板彎曲變形理論中小撓度彎曲問題構(gòu)建了4類地表山體地表下沉盆地模 型；胡 青 峰 等［13］、賈 秉 松 等［14］、LIU Z G等［15］對(duì)山區(qū)地表沉降監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行了有益探索；戴華陽等［16］、白光宇等［17］、藍(lán)航等［18］結(jié)合模型試驗(yàn)或數(shù)值模擬研究了山區(qū)地表移動(dòng)變形規(guī)律；胡海峰等［19］分析了山區(qū)采動(dòng)條件下環(huán)境、生態(tài)、地裂縫和斜坡等的破壞規(guī)律與產(chǎn)生機(jī)理。山區(qū)開采條件千差萬別，沉陷規(guī)律也各有不同，受礦區(qū)開采計(jì)劃和有關(guān)政策限制，山區(qū)采煤工作面往往順序開采，工作面上方覆巖同時(shí)受高起伏地形和臨近工作面采動(dòng)的雙重影響，采動(dòng)后工作面上方及附近地表移動(dòng)變形規(guī)律異于傳統(tǒng)情況。因此，本文擬結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和數(shù)據(jù)分析結(jié)果揭示山區(qū)地下深部臨近采煤工作面的地表移動(dòng)變形規(guī)律。

1 礦區(qū)概況與數(shù)據(jù)獲取

1.1 礦區(qū)概況

1310工作面主采3號(hào)煤層，1310工作面上方地面標(biāo)高1 012.40～1 193.20 m，煤層底板標(biāo)高334.00～444.00 m，地表最大落差近200 m，平均采深760 m，煤層傾角0°～10°，平均3°，煤層厚4.30～5.30 m，平均4.88 m。煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可采系數(shù)1.0，變異系數(shù)5.13%，煤層穩(wěn)定。工作面走向長(zhǎng)2 741 m，傾斜長(zhǎng)219.27 m。工作面頂板管理采用全部垮落法，煤層開采采用綜采一次采全高開采方法。工作面頂?shù)装鍘r層特性見表1，工作面特征如下。

表1 工作面頂?shù)装鍘r層特性Tab.1 Characteristics of roof and floor of worting face

（1）深部開采。平均采深760 m（一般認(rèn)為采深大于400 m小于700 m即進(jìn)入中深部開采，采深大于700 m即進(jìn)入深部開采）。

（2）臨近工作面擾動(dòng)。采區(qū)工作面開采順序?yàn)?309→1310→1311。北側(cè)為1311綜采工作面，接續(xù)1310工作面；南側(cè)1309綜采工作面已回采結(jié)束。1310工作面開采前期受1309殘余變形影響，后期受1311工作面開采影響，重復(fù)擾動(dòng)明顯。

（3）地表高起伏。工作面上方地表起伏較大。

1.2 觀測(cè)站布設(shè)

依據(jù)工作面上方地形，結(jié)合《煤礦測(cè)量規(guī)程》布設(shè)點(diǎn)位。點(diǎn)位間距30 m，共布設(shè)半條走向和一條傾向線。觀測(cè)站實(shí)際布設(shè)見表2和圖1。

表2 觀測(cè)站布設(shè)匯總表Tab.2 Summary table of observation station layout

圖1 觀測(cè)站實(shí)際布設(shè)點(diǎn)位圖Fig.1 Actual layout point map of observation stations

1.3 地形分析

研究區(qū)地形如圖2所示，地表山坡陡峭，落差較大。根據(jù)工作面點(diǎn)位布設(shè)繪制走向線和傾向線方向地形剖面圖，如圖3～4所示。

圖3 走向線方向地形剖面圖Fig.3 Topographic map of strike line direction

在停采線一端從煤柱一側(cè)到采空區(qū)沿著走向方向依次布設(shè)地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)A1～A49。點(diǎn)A22大致在停采線正上方。走向線從點(diǎn)A1到點(diǎn)A34呈上坡趨勢(shì)，地表坡度較大，約14°，且地表下滑傾向與地表下沉盆地移動(dòng)傾向相反，屬于反坡；點(diǎn)A34到點(diǎn)A49地形呈下坡趨勢(shì)，地表坡度較緩，且該區(qū)域地表下滑傾向與地表下沉盆地移動(dòng)傾向相同，屬于正坡。

圖4 傾向線方向地形剖面圖Fig.4 Topographic map of dip line direction

工作面傾向從下山到上山依次布設(shè)點(diǎn)B1～B66。點(diǎn)B30位于下山開采邊界正上方，點(diǎn)B37位于上山開采邊界正上方。傾向線從下山點(diǎn)B1到點(diǎn)B47總體呈上坡趨勢(shì)，坡度8°左右，地表下滑傾向與地表下沉盆地移動(dòng)傾向相反，屬于反坡；傾向線從點(diǎn)B47到點(diǎn)B66，地表總體呈下降趨勢(shì)，坡度較小，約5°，地表下沉傾向與地表下沉盆地移動(dòng)傾向相反，也屬于反坡?？傮w上看，傾向線地表從下山到上山總體呈反坡趨勢(shì)。

1.4 獲取實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

由于測(cè)區(qū)地形起伏太大，且植被茂密，通視條件差，無法進(jìn)行傳統(tǒng)的全站儀和水準(zhǔn)測(cè)量，因此全面觀測(cè)和日常觀測(cè)采用RTK測(cè)量方法。儀器采用南方銀河6接收機(jī)。為了提高觀測(cè)精度，進(jìn)行多次觀測(cè)。測(cè)量全流程如圖5所示。

圖5 測(cè)量全流程Fig.5 Whole process of measurement

觀測(cè)時(shí)，固定解形式，每次平滑獲取數(shù)據(jù)15次，其中垂向互差小于0.03 m，平面互差小于0.02 m的數(shù)據(jù)才能平滑記錄，否則重測(cè)。在全觀測(cè)生命周期，1310觀測(cè)站高程共觀測(cè)記錄16次，平面共觀測(cè)記錄6次。

2 地表沉陷規(guī)律

2.1 走向移動(dòng)變形

處理各期走向數(shù)據(jù)，獲得下沉值和水平位移值（圖6）。由圖6（a）可知，隨著工作面推進(jìn)，地表下沉量逐漸增大，到2020年10月9日，觀測(cè)范圍內(nèi)出現(xiàn)平底，說明走向方向采動(dòng)充分，平底邊緣位于點(diǎn)A35附近，最大下沉值達(dá)1 747 mm。但由于平底內(nèi)側(cè)受高起伏地形影響，地表盆地平底部分又出現(xiàn)滑移，呈現(xiàn)嚴(yán)重不相等現(xiàn)象，地表最大下沉增至2 436 mm。圖6（b）為不同時(shí)間走向線水平位移變化情況。由圖6（b）可知，隨工作面推進(jìn)，走向方向水平位移極值增大，影響范圍擴(kuò)大。受高起伏地形影響，水平移動(dòng)出現(xiàn)兩個(gè)正的極值，其中采空區(qū)上方極值較大，其主要受山區(qū)高起伏地形影響。

圖6 走向動(dòng)態(tài)移動(dòng)曲線Fig.6 Dynamic moving curves of strike direction

2.2 傾向移動(dòng)變形

圖7（a）為不同時(shí)間傾向方向地表下沉分布情況，由圖7（a）可知，隨著工作面推進(jìn)，地表下沉值和下沉范圍逐漸增大，但最大下沉點(diǎn)位置不變，在點(diǎn)B33附近。到2020年8月23日，地表最大下沉值達(dá)到2 307 mm。但由于南北兩側(cè)新舊采面臨近重復(fù)擾動(dòng)，使得傾向下沉出現(xiàn)如下特殊規(guī)律：

圖7 傾向動(dòng)態(tài)移動(dòng)曲線Fig.7 Dynamic moving curves of dip direction

（1）前期1310工作面開采使南側(cè)已開采完的1309，1308和1307等工作面重新活化，導(dǎo)致上山方向下沉曲線變緩。

（2）最后一次觀測(cè)數(shù)據(jù)受1310工作面北側(cè)鄰近1311工作面開采影響，使本已接近穩(wěn)定的1310工作面又出現(xiàn)移動(dòng)，最大下沉點(diǎn)下沉量顯著增加，增加了130 mm左右，且在下山方向出現(xiàn)了另一個(gè)下沉極值。通過對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)2020年8月23日前，傾向下山方向沉陷符合一般規(guī)律，因此，后續(xù)研究皆以2020年8月23日測(cè)得數(shù)據(jù)作為地表移動(dòng)變形的最終數(shù)據(jù)。

圖7（b）為不同時(shí)間傾向線水平移動(dòng)變化情況。由圖7（b）可知，水平位移隨著工作面推進(jìn)逐漸增大，但不是反對(duì)稱，由于山坡受下坡方向滑移影響，導(dǎo)致指向下坡方向的水平位移增大，最后一次觀測(cè)數(shù)據(jù)受到鄰近工作面1311開采影響，使下山方向水平位移曲線發(fā)生變化。

2.3 動(dòng)態(tài)參數(shù)

2.3.1 超前影響距和超前影響角

在走向線下沉數(shù)據(jù)中，選擇或內(nèi)插下沉值為10 mm的點(diǎn)，量取圖上工作面到點(diǎn)的距離，即每次觀測(cè)時(shí)間的超前影響距，最后對(duì)多次求得的超前影響距取平均值，便可得到走向線的平均超前影響距，見表3。超前影響角

表3 超前影響距Tab.3 Advance influence distances

2.3.2 地表移動(dòng)持續(xù)時(shí)間、最大下沉速度、滯后 距和滯后角

根據(jù)地表最大下沉點(diǎn)求得地表移動(dòng)持續(xù)時(shí)間。選擇移動(dòng)盆地平底部分的點(diǎn)A45，A47和A48進(jìn)行地表移動(dòng)動(dòng)態(tài)研究，如圖8所示。

圖8 下沉速度曲線Fig.8 Curves of subsidence velocity

點(diǎn)A45開始階段63天，活躍階段224天，由于觀測(cè)時(shí)間有限，不能得出衰退期。最大下沉速度為28 mm／d，最大下沉速度滯后距為220 m，最大下沉速度滯后角為73.9°。

點(diǎn)A47開始階段42天，活躍階段245天，由于觀測(cè)時(shí)間有限，不能得出衰退期。最大下沉速度為26 mm／d，最大下沉速度滯后距為245 m，最大下沉速度滯后角為72.2°。

點(diǎn)A48開始階段63天，活躍階段192天，由于觀測(cè)時(shí)間有限，不能得出衰退期。最大下沉速度為24 mm／d，最大下沉速度滯后距為250 m，最大下沉速度滯后角為71.8°。

通過點(diǎn)A45，A47和A48，求得平均開始階段，為56天，活躍階段為220天，最大下沉速度為26 mm／d，平均最大下沉速度滯后角為72.6°。

大量實(shí)測(cè)資料表明，地表最大下沉速度與最大下沉值、開采深度、覆巖性質(zhì)及工作面推進(jìn)速度有關(guān)，其經(jīng)驗(yàn)公式為

式中：K為下沉速度系數(shù)；Vmax為最大下沉速度，mm／d；H0為平均采深，m；c為工作面推進(jìn)速度，m／d；Wmax為本工作面的地表最大下沉值，mm。

工作面平均推進(jìn)速度為5.75 m／d，停采線側(cè)平均采深為760 m，最大下沉值為1 747 mm，最大下沉速度為26 mm／d，通過計(jì)算可得，K＝1.97。

2.4 靜態(tài)參數(shù)分析

2.4.1 邊界角和移動(dòng)角

根據(jù)山區(qū)地表移動(dòng)特點(diǎn)，水平移動(dòng)和下沉值為10 mm時(shí)，將兩者的最小邊界角作為最終邊界角。依據(jù)傾斜、曲率和水平變形最外的臨界變形值點(diǎn)獲取最終移動(dòng)角。由于工作面上方松散層僅幾米厚，可忽略不計(jì)，求得的邊界角和移動(dòng)角見表4。

表4 邊界角和移動(dòng)角Tab.4 Limit angles and moving angles

由表4可知，由于走向線地形主要為反坡，減小了采動(dòng)影響范圍，從而增大了邊界角和移動(dòng)角，致使走向邊界角和移動(dòng)角偏大；但傾向上、下山方向同時(shí)受地表反坡和臨近工作面重復(fù)采動(dòng)的影響，且臨近工作面重復(fù)采動(dòng)影響更大，致使采動(dòng)影響范圍增大，邊界角和移動(dòng)角減小。

2.4.2 最大下沉角和走向充分采動(dòng)角

傾向線最大下沉點(diǎn)B33距采空區(qū)中心22 m，計(jì)算得1310工作面最大下沉角為88.34°。工作面走向長(zhǎng)2 741 m，已達(dá)到充分采動(dòng)，其中點(diǎn)A35為沉陷盆地平底邊緣點(diǎn)，距停采線380 m，計(jì)算得停采線側(cè)走向充分采動(dòng)角為63.4°。符合一般沉陷規(guī)律。

3 概率積分法擬合求參

分別對(duì)走向線和傾向線數(shù)據(jù)擬合求參（圖9），其中走向線求參時(shí)去除滑移影響，不考慮發(fā)生嚴(yán)重滑移的幾個(gè)點(diǎn)位沉陷信息。

圖9 曲線擬合求參Fig.9 Curves fitting and parameters calculation

擬合曲線聯(lián)合求參，結(jié)果為：下沉系數(shù)0.64，主要影響角正切值2.58，開采影響傳播角88°，走向拐點(diǎn)偏移距148 m，上山拐點(diǎn)偏移距-20 m，下山拐點(diǎn)偏移距-21 m，水平移動(dòng)系數(shù)0.24。由于1310工作面南側(cè)有舊采空區(qū)，北側(cè)有新開采工作面，且兩側(cè)地形均為反坡，導(dǎo)致1310工作面傾向上下山方向的拐點(diǎn)偏移距全為負(fù)，偏向于煤柱一側(cè)，其他參數(shù)基本符合一般沉陷規(guī)律。

4 結(jié) 論

（1）高反坡減小了地表采動(dòng)影響范圍，增大了相應(yīng)邊界和移動(dòng)角；高地形起伏使原有移動(dòng)盆地的平底部分出現(xiàn)異常，平底內(nèi)下沉值嚴(yán)重不對(duì)等，變形值不再為0。

（2）1310工作面走向主要受高反坡影響，走向邊界角和移動(dòng)角較大；傾向受臨近工作面重復(fù)采動(dòng)和高反坡聯(lián)合作用，上下山方向邊界角和移動(dòng)角都較小。

（3）受臨近工作面采動(dòng)影響，移動(dòng)變形曲線收斂變緩。表現(xiàn)為地表移動(dòng)盆地傾向上、下山方向拐點(diǎn)往煤柱一側(cè)偏移，致使拐點(diǎn)偏移距為負(fù)；減小地表采動(dòng)影響范圍，擴(kuò)大邊界和移動(dòng)角。