張 偉 任振群 李 陽 楊默含

（1.兗礦能源集團有限公司；2.中國礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測繪學(xué)院）

重復(fù)采動是指巖層和地表已經(jīng)受過一次開采的影響而產(chǎn)生移動、變形和破壞，再次開采使巖層和地表又受到采動破壞，這種采動稱為重復(fù)采動［1］，一般可分為同一煤層重復(fù)采動、多煤層重復(fù)采動兩大類［2］。重復(fù)采動時，由于臨近工作面或上層煤采空區(qū)的影響，導(dǎo)致開采工作面的地表沉陷特征具有特殊性，比如移動變形值增大、破壞強度增加、影響范圍增大等［3-5］。國內(nèi)外學(xué)者圍繞這一問題開展了研究工作，陳盼等［6］通過現(xiàn)場實測，對比有采空區(qū)與無采空區(qū)影響時地表移動盆地角值參數(shù)的差異，解釋了重復(fù)采動下地表移動規(guī)律存在差異的原因；湯伏全等［7］通過GNSS 連續(xù)變形監(jiān)測系統(tǒng)獲取各監(jiān)測點的實時坐標數(shù)據(jù)，結(jié)合FLAC3D數(shù)值模擬軟件分析地下開采引起的地表及巖體內(nèi)部移動變形機理，揭示了采空區(qū)影響下相鄰回采工作面動態(tài)非對稱沉陷規(guī)律；孫學(xué)陽等［8］采用FLAC3D軟件對非充分采動和充分采動2 類模型進行數(shù)值模擬，對同一煤層重復(fù)采動條件下地表移動變形進行研究，通過對比初次采動，揭示了重復(fù)采動時下沉系數(shù)、地表沉陷盆地范圍和形狀的變化。

本研究以南屯煤礦73上29、73下21（西）工作面開采沉陷為研究背景，以現(xiàn)場實測資料為基礎(chǔ)，從下沉值、下沉速度和地表移動持續(xù)時間3個方面研究同一煤層重復(fù)采動、多煤層重復(fù)采動對地表沉陷分布的影響。

1 試驗區(qū)地表移動觀測站設(shè)計

南屯煤礦主要開采3上和3下煤層，煤層層間距約15 m。為研究重復(fù)采動對地表沉陷分布的影響，選定南屯煤礦七采區(qū)73上29 工作面和73下21（西）工作面為試驗區(qū)。

73上29 工作面開采3上煤層，工作面走向長約192.6 m，傾向長約713.9 m，煤層傾角平均為3°，平均采高為6.1 m。該工作面重復(fù)采動類型為同一煤層重復(fù)采動，工作面西部為73上28 工作面采空區(qū)，東部為73上15、73上17、73上19、73上24、73上26 工作面采空區(qū)，南部為73上13工作面采空區(qū)。

73下21（西）工作面開采3下煤層，工作面走向長214.7 m，煤層傾向長776.3 m，煤層傾角為2°，煤層厚度平均為3.2 m。73下21（西）工作面重復(fù)采動類型為多煤層重復(fù)采動，工作面上覆3上煤層已全部開采完畢，為73上21（東）、73上23 及73上21 工作面采空區(qū)；73下21（西）工作面東部為73下21（東）采空區(qū)，南部為73下19工作面采空區(qū)。

為研究同一煤層重復(fù)采動的沉陷分布規(guī)律，選擇位于73上29 工作面傾向主斷面的新濟鄒路上布設(shè)地表移動觀測站，共布設(shè)16 個測點，測點C1～C16關(guān)于走向主斷面對稱分布，地表移動觀測站布設(shè)情況如圖1 所示。觀測站自2017 年10 月9 日—2018年11 月28 日共計觀測32 次，采用四等水準測量觀測。

為研究多煤層重復(fù)采動的沉陷分布規(guī)律，選擇位于73下21（西）工作面傾向主斷面的公路上布設(shè)地表移動觀測站，布置測點14個，測點D29～D43沿公路均勻分布，地表移動觀測站布設(shè)情況如圖2所示。觀測站自 2013 年 2 月 22 日—12 月 3 日共計觀測 27 次 ，采用四等水準測量觀測。

2 地表移動觀測站觀測結(jié)果

2.1 73上29工作面實測數(shù)據(jù)處理

73上29 工作面地表移動觀測線西部為已停采1 a的73上28工作面采空區(qū)，東部為停采時間超過15 a的73上15、73上17 工作面采空區(qū)。為了研究工作面兩側(cè)不同停采年份采空區(qū)對地表點下沉、下沉速度的影響情況，繪制了C1～C16 測點的下沉曲線圖，工作面走向中心線對稱分布的C12 與C6 點的下沉對比圖以及C6和C12點下沉速度對比圖，見圖3～圖5。

2.2 73下21（西）工作面實測數(shù)據(jù)處理

73下21（西）工作面上覆3上煤層已全部開采完畢。3下煤層開采方面，73下21（西）工作面南部為73下19工作面采空區(qū)。73下21 工作面地表沉陷受到3上煤層采空區(qū)、3下煤層采空區(qū)（73下19 工作面采空區(qū)）綜合影響。為研究一次重復(fù)采動與二次重復(fù)采動對工作面地表沉陷的影響特征，繪制了D29～D43測點的下沉分布圖、工作面走向中心線對稱分布的觀測點D29 和D35的下沉過程和下沉速度對比圖，見圖6～圖8。

3 同一煤層采空區(qū)對臨近工作面開采沉陷的影響分析

3.1 下沉曲線特征分析

由圖3～圖4可知，73上29工作面地表觀測點沉陷分布有如下特點：①隨著工作面逐步推進，各監(jiān)測點地表下沉量逐漸增大，最后趨于穩(wěn)定；②停采年份短的采空區(qū)對工作面開采沉陷影響更大，C11～C16測線上各點地表下沉值均大于與其對稱分布的C6～C1 測線上各點地表下沉值；③臨近采空區(qū)對工作面開采沉陷影響在順槽處達到最大，隨著測點距離順槽距離增加，逐步降低，C6 點和C12 點處地表下沉差值達到最大值，為224.5 mm，隨著測點與順槽距離增加，這一差值逐步減小趨近于零。

3.2 下沉速度特征分析

分析圖5可知，C6點和C12點的下沉速度都經(jīng)歷了由小到大、再由大到小直至最終逐漸穩(wěn)定的過程；C6 點最大下沉速度27.9 mm/d 略小于C12 點最大下沉速度29.7 mm/d；C12 點與C6 點最大下沉速度出現(xiàn)的時間段基本一致，為2018年4月18日—5月2日。

綜上所述，采空區(qū)停采年份對下沉速度發(fā)展的過程影響較小，停采年份短采空區(qū)側(cè)最大下沉速度較停采年份長采空區(qū)側(cè)最大下沉速度大。

3.3 地表移動持續(xù)時間

C6和C12點地表移動持續(xù)時間如表1所示。

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由表1 可知，C12、C6 點的地表移動持續(xù)時間相當(dāng)，表明采空區(qū)停采時間對地表移動持續(xù)時間影響不顯著；比較而言，C6 點較C12 點地表移動的初始期較長、活躍期略短；結(jié)合2點的下沉速度分布曲線，可以認為地表移動速度曲線差異較小，不同停采時間采空區(qū)對地表移動動態(tài)過程影響較小。

4 多煤層采空區(qū)對回采工作面地表沉陷的影響分析

4.1 下沉曲線特征分析

由圖6～圖7 可知，73下21（西）工作面地表觀測點沉陷分布有如下特點：①隨著工作面不斷推進，各監(jiān)測點地表下沉量逐漸增大，最后趨于穩(wěn)定；②受73下19采空區(qū)影響的D29點下沉值比僅受3上煤層采空區(qū)影響的D35 點大；③隨著73下21（西）工作面逐步接近—推過觀測線，D29 點和D35 點的下沉差值逐漸增大，最終差值為180 mm。

綜上所述，工作面兩側(cè)承受重復(fù)采動次數(shù)不同導(dǎo)致地表沉陷分布不對稱；二次重復(fù)采動導(dǎo)致測點下沉量更大；隨著工作面接近—推過觀測線，二次重復(fù)采動與一次重復(fù)采動對測點下沉影響逐步增加，直至趨于穩(wěn)定。

4.2 下沉速度特征分析

分析圖8 可知：①D29 點和D35 點的下沉速度都經(jīng)歷了由小到大、再由大到小直至最終逐漸穩(wěn)定的過程；D29 點的移動過程大約持續(xù)了9 個月，于2013年 5 月 28 日達到最大下沉速度 10.9 mm/d；D35 點的移動過程也大約持續(xù)了9 個月，于2013 年5 月28 日達到最大下沉速度9.8 mm/d；②受3上、3下煤層采空區(qū)影響的D29 點與僅受3上煤層采空區(qū)影響的D35 點最大下沉速度出現(xiàn)的時間段一致，出現(xiàn)在2013 年5 月15日—28日。

綜上所述，一次重復(fù)采動與二次重復(fù)采動對地表點下沉過程影響較小；受到二次重復(fù)采動影響點最大下沉速度較一次重復(fù)采動最大下沉速度小，即多次重復(fù)采動會導(dǎo)致地表點最大下沉速度增加。

4.3 地表移動持續(xù)時間

73下21（西）工作面采空區(qū)兩側(cè)邊界地面監(jiān)測D29點和D35點的移動持續(xù)時間及相關(guān)階段如表2所示。

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由表2 可知，在D29 點和D35 點整個移動持續(xù)過程中，只有地表下沉活躍階段和下沉衰退階段，下沉衰退階段所占時間比下沉活躍階段要長，且2點各階段占比相同。首次監(jiān)測D6點和D35點就處于地表下沉活躍階段，說明重復(fù)采動工作面比初次采動工作面對地下開采響應(yīng)更加迅速；與73上29 工作面地表移動持續(xù)時間相比，多次重復(fù)采動地表移動持續(xù)時間短，衰退期占比大。

綜上所述，多次重復(fù)采動導(dǎo)致地表點對采動響應(yīng)迅速，地表點僅發(fā)育活躍期，移動持續(xù)時間長，衰退期占比大。

5 結(jié) 論

（1）重復(fù)采動改變了下沉的分布特征；停采時間短的采空區(qū)比停采時間長的采空區(qū)對下沉分布影響更為顯著，停采時間短采空區(qū)側(cè)下沉值、下沉范圍、下沉速度均偏大；停采時間長短對下沉速度發(fā)展過程影響小。

（2）受多煤層采空區(qū)影響，二次重復(fù)采動側(cè)地表點下沉值、下沉速度均偏大；地表移動持續(xù)時間受重復(fù)采動次數(shù)影響較小。

（3）受多次重復(fù)采動影響，地表點對采動響應(yīng)更為迅速，表現(xiàn)為地表移動僅有活躍期和衰退期；與一次重復(fù)采動相比，地表移動持續(xù)時間顯著縮短。