劉 輝 ，李 玉 ，蘇麗娟 ，朱曉峻 ，張鵬飛 ，姚明明 ，王金正 ，王慶偉 ，司光亞

（1.安徽大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院, 安徽 合肥 230601；2.安徽省礦山生態(tài)修復(fù)工程實驗室, 安徽 合肥 230601；3.安徽大學(xué) 數(shù)學(xué)科學(xué)學(xué)院,安徽 合肥 230601；4.山東能源集團魯西礦業(yè)有限公司 郭屯煤礦, 山東 菏澤 274700）

0 引 言

煤炭作為重要的工業(yè)原料，在中國經(jīng)濟社會發(fā)展中發(fā)揮關(guān)鍵作用[1]。開采煤炭資源造成的沉降破壞了礦區(qū)的環(huán)境、耕地和地表建筑，導(dǎo)致地表沉降及許多其他潛在的災(zāi)難性后果[2-3]，因此，掌握煤層開采地表變形規(guī)律至關(guān)重要。大量研究表明，對一般地質(zhì)采礦條件下煤層開采引起的巖土體移動變形規(guī)律的認識較為深刻[4]。在我國東部大部分礦區(qū)，由于厚松散層薄基巖賦存條件，地表沉陷呈現(xiàn)下沉量大、移動范圍廣、穩(wěn)沉?xí)r間長等特征。通過現(xiàn)場實測或模擬研究發(fā)現(xiàn)，厚松散層薄基巖特殊地質(zhì)條件下開采比一般地質(zhì)條件下開采的地表下沉系數(shù)偏大，有些大于1.0 甚至更大[5]；主要影響角正切較小，水平移動系數(shù)較大，水平移動范圍大于下沉范圍；上山邊界角、移動角小于或接近下山邊界角和移動角等[6]。一般認為產(chǎn)生這些特殊性是松散層較厚導(dǎo)致上覆巖層的綜合巖性偏軟、采動引起應(yīng)力集中、土體壓實進一步增大地表變形等引起的，而開采引起含水層失水沉降亦不可忽略[7]。

對于地表移動變形規(guī)律國內(nèi)外學(xué)者進行了大量的研究，其中代表成果有：HU 等[8]根據(jù)六安煤礦地質(zhì)條件，進行了厚土層薄基巖和薄土層厚基巖2 種開采沉陷模擬，分別對基巖厚度和土層厚度進行了研究，并對不同地質(zhì)條件下地表移動變形規(guī)律進行了分析，結(jié)果表明：隨著土層厚度的增加，地表變形迅速增加，但在一定數(shù)值（本文為100 m）后，地表變形變化不大；當土層厚度一定時，地表變形隨基巖厚度的增加而減??；ZHANG 等[9]通過數(shù)值模擬表明基巖厚度對工作面上覆地層的變形和破壞有很大影響，在上覆基巖較薄的地方，沖積層底部的最大沉降和破壞顯著增加；余學(xué)祥等[10]研究大采深厚松散層下地表移動變形具有下述基本特點：起動距小，煤礦被開采以后，地表很快進入活躍階段，開始階段僅41 d，約占總移動時間的6%，活躍階段的時間相對較短，小于總移動時間的23%，但最大下沉值的88%以上是在該階段獲得的，衰退階段約占總移動時間的71%，相對較長；郭玉芳等[11]探討了巨厚松散層條件下礦區(qū)的采礦，結(jié)合FLAC3D程序數(shù)值模擬軟件，研究了厚松散層采礦條件下地表移動變形的特殊規(guī)律：地表變形集中、下沉系數(shù)變大、地表破壞范圍較廣；學(xué)者利用數(shù)值模擬研討了采深和松散層厚度對煤層開采后地表移動變形的影響[12]，得出采深采厚比一定且較大的情況時，隨著松散層厚度的增大，地表下沉量和水平位移略有增加，地表變形影響的范圍也有所增大[13-14]。

以上研究為厚松散層薄基巖地表變形規(guī)律提供了參考，但由于未考慮松散層厚度、基巖厚度在埋深中的占比，研究結(jié)果存在一些不足：①對于特殊地質(zhì)條件下煤層開采的巖土體移動變形規(guī)律研究較少，需要深入研究松散層與基巖不同厚度比時地表移動變形的規(guī)律；②覆巖結(jié)構(gòu)中不同巖土體占比條件下開采的地表變形規(guī)律仍需進一步研究；③對于厚松散層薄基巖條件的定量分析不足，尤其是不同松散層基巖厚度比條件下地表變形規(guī)律存在明顯差異性。

為準確預(yù)測厚松散層薄基巖下煤層開采引起的地表移動變形規(guī)律，達到控制地表沉陷災(zāi)害目的，需要深入研究厚松散層薄基巖條件下的地表變形參數(shù)變化規(guī)律。以山東某煤礦為研究區(qū)域，在分析4302工作面實測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過FLAC3D進行數(shù)值模擬，建立了不同松基比（0.25～5.00）條件下煤層開采的地表變形計算模型，研究了地表變形特征，分析了松基比對地表變形參數(shù)的影響，并從開采沉陷的角度對厚松散層薄基巖條件進行了定量分析與探討。

1 研究區(qū)概況

井田位于山東省境內(nèi)，南北長約14 km，東西寬約13 km，面積約180 km2。井田內(nèi)地層自上而下分為：第四系、新近系、上石盒子組和下石盒子組、二疊系山西組、石炭系本溪組和太原組、奧陶系中、下統(tǒng)，如圖1 所示。該礦區(qū)井田松散層厚度一般為530～650 m，平均590 m，主要含煤地層為下二疊系山西組和上石炭統(tǒng)太原組，平均總厚237.75 m，含煤25 層，其中山西組含煤3 層，太原組含煤22 層。山西組煤層平均總厚10.35 m，含煤系數(shù)4.3%，可采及局部可采煤層有3 煤、15 上煤、16 上煤、17 煤和18中煤，平均厚8.67 m，占煤層總厚的84%，其中3 煤層是本礦井主要可采煤層，煤層采用長壁垮落法開采。

圖1 覆巖結(jié)構(gòu)Fig.1 Overburden structure diagram

該煤礦4302 工作面傾向長度為383 m，走向長度為408 m，煤層厚度為3.2 m，工作面煤層傾角為10°，平均采深為810 m，其中松散層平均厚度為572 m，基巖厚度為238 m。煤層頂板主要由粗砂巖、中細砂巖、砂質(zhì)泥巖等組成，具有開采深度大、傾角小、松散層厚、薄基巖等特點。覆巖結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

2 地表移動觀測

為研究該工作面開采引起的地表移動，在主斷面上方根據(jù)十字線原則布設(shè)了地表移動觀測站，設(shè)置了3 條觀測線，其中沿走向布設(shè)1 條觀測線，沿傾向布設(shè)2 條觀測線，觀測線長度超出工作面邊界的長度均大于450 m[15]，走向線布設(shè)26 個觀測點，傾向線布設(shè)69 個觀測點，如圖2 所示。

圖2 地表移動觀測站示意Fig.2 Schematic diagram of a mobile surface observation station

該工作面自2017 年3 月開采，至2017 年9 月結(jié)束，地表移動觀測時間為2017 年5 月至2018 年9 月。平均觀測周期為2 個月，其中，地表移動活躍期進行加密觀測，共進行了9 次測量。根據(jù)觀測結(jié)果，因4302 工作面未達到充分采動，通過計算其采動系數(shù)為0.39，獲取了地表移動盆地特征參數(shù)，分別為尺寸383 m×408 m，平均采深810 m，煤層傾角10°，開采厚度3.2 m，邊界角58°，移動角63°；并得到了概率積分法參數(shù)，分別為下沉系數(shù)1.21，水平移動系數(shù)0.42，主要影響角正切1.48，開采影響傳播角87°，拐點偏移距54 m；分別繪制了開采各時期工作面走向方向的地表動態(tài)下沉曲線、地表傾斜曲線、地表曲率曲線、水平移動曲線和水平變形曲線，如圖3-圖7所示。

圖3 工作面走向下沉曲線Fig.3 Working face sinking curve

圖4 傾斜曲線Fig.4 Slope curve

圖5 曲率曲線Fig.5 Curvature curve

圖6 水平移動曲線Fig.6 Horizontal shift curve

圖7 水平變形曲線Fig.7 Horizontal deformation curve

由圖3-圖7 可知：工作面開采過程中，隨著開采范圍的增大，下沉值不斷增加，地表最大下沉值出現(xiàn)在距開切眼約222 m 位于采空區(qū)中心上方的C16號測點，最大下沉值達到1 114 mm，因未達到充分采動，下沉盆地未出現(xiàn)平底狀態(tài)；從盆地邊緣至拐點間的傾斜值逐步減小，拐點到最大沉降點間傾斜值逐漸增大，在最大沉降點處傾斜值為0。位于拐點處的傾斜值最大，并且擁有2 個正負相反的最大傾斜值。在距離開切眼約64 m 處，傾斜達到負向最大值，其傾斜值為-3.93 mm/m，在距離終采線約213 m 處，傾斜達到正向最大值，其傾斜值為2.37 mm/m；在開切眼后方約64 m 的位置處，曲率達到正向最大值，其曲率值達到0.086 mm/m2，在開切眼前方約63 m 處，曲率達到負向最大值，其曲率值達到-0.079 mm/m2；地表移動變形處于穩(wěn)定狀態(tài)時，水平移動曲線趨于光滑，最大負水平移動值位于開切眼后方約232 m處，其值約為-620 mm，最大正水平移動值位于距終采線157 m 處，其值約為560 mm；距離終采線約286 m處，水平變形達到正向最大值2.38 mm/m。

該工作面松散層厚，基巖相對較薄，松散層與基巖厚度比達到2.4，屬于特殊地質(zhì)采礦條件，因松散層的下沉機理不同于基巖，它一方面隨基巖的下沉而下沉，另一方面松散層擁有深厚土體，不具抗拉強度，呈整體移動，可將松散層簡化為一自由荷載作用于基巖面上，基巖所承受荷載越重[16]，所以地表沉陷出現(xiàn)了一些特殊現(xiàn)象，如下沉系數(shù)偏大甚至大于1、水平移動系數(shù)偏大、地表破壞范圍較廣、拐點偏移距偏小等。由此證明不同上覆基巖和松散層的厚度對于研究地表移動變形規(guī)律是至關(guān)重要的，同時進一步揭示特殊地質(zhì)采礦條件下巖土體的變形機理，因此，運用FLAC3D模擬不同松散層基巖厚度比，研究特殊地質(zhì)條件下煤層開采的地表變形規(guī)律具有重要意義。

3 厚松散層薄基巖下開采地表變形數(shù)值模擬

3.1 模型設(shè)計

為探討不同松散層與基巖厚度比條件下的地表變形規(guī)律，以山東某礦區(qū)地質(zhì)采礦條件為原型，通過FLAC3D數(shù)值模擬軟件，固定采深為900 m，模擬研究不同松基比對地表變形規(guī)律的影響，在達到充分采動的情況下，制定地質(zhì)采礦條件為：開采煤層為水平開采，設(shè)計模型工作面長度2 000 m，寬度2 000 m，煤層厚度3 m，開采深度900 m，依據(jù)不同松基比分別建立數(shù)值模擬方案。

設(shè)計模型高度956 m，長度5 000 m，寬度5 000 m，根據(jù)模型水平方向情況選取每25 m 一個網(wǎng)格，垂直方向按照巖層厚度不同進行合理設(shè)置，其中煤層厚度選取3 m 一個網(wǎng)格。在工作面走向和傾向兩側(cè)各留1 500 m 的邊界保護煤柱，模型如圖8 所示。

圖8 數(shù)值模擬模型Fig.8 Numerical simulation model

結(jié)合上覆巖層材料的力學(xué)特征和摩爾-庫倫屈服準則，將地質(zhì)資料經(jīng)巖層概化合并，建立了與實際基本吻合的模擬模型[17]，根據(jù)該煤礦的地質(zhì)概況和物理力學(xué)性質(zhì)，選取地質(zhì)報告中相關(guān)參數(shù)進行實驗室模擬模型，通過實驗室多次試驗獲得模型的煤巖體物理力學(xué)參數(shù)，見表1。

表1 煤巖體物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of coal and rock mass

3.2 模擬方案

在常規(guī)地質(zhì)采礦條件下，研究開采厚度、基巖厚度等對地表變形參數(shù)的影響時，由于松散層占采深的比例較小，經(jīng)常忽略不計[17]。而對于厚松散層薄基巖礦區(qū)而言，大多煤系都被厚松散層覆蓋，同時結(jié)合地表變形規(guī)律，將松散層與基巖厚度比記為松基比K，如式(1)所示。

式中：h為松散層厚度，m；H0為采深，m。

為了進一步研究松散層與基巖的耦合作用下不同松基比條件的地表變形規(guī)律，結(jié)合東部礦區(qū)實際工作面松基比情況和已有學(xué)者的研究成果建立數(shù)值模擬模型。在其他各類巖土體的巖性及比例均一致的基礎(chǔ)上，可減少比例縮放帶來的影響，通過實驗室試驗調(diào)整松基比，建立K為0.25、0.50、0.75、1.00、1.25、1.50、1.75、2.00、2.50、3.00、3.50、4.00、4.50、5.00 的14 個數(shù)值計算模型，分別對這些模型的土體變形情況進行分析，明確不同松基比的地表變形規(guī)律。

3.3 結(jié)果分析

3.3.1 地表變形規(guī)律

通過對上述各方案進行模擬計算，得到不同松基比地表下沉值和水平移動值，為了便于分析，繪制了不同松基比時地表下沉和水平移動曲線，如圖9-圖10 所示。

圖9 不同松基比地表下沉曲線Fig.9 Surface subsidence curves with different pine-to-basis ratio

圖10 不同松基比地表水平移動曲線Fig.10 Surface horizontal movement curves with different loose-to-base ratios

由圖9、圖10 可知：特殊地質(zhì)條件下煤層開采，地表下沉曲線和水平移動曲線總體上與一般地質(zhì)條件下采礦引起的地表移動分布曲線接近；下沉曲線出現(xiàn)平底，說明工作面達到充分采動，并且越靠近采空區(qū)下沉越大，隨著K逐漸增大，地表下沉曲線盆地深度先增大后穩(wěn)定，最大下沉點位于采空區(qū)中央，下沉曲線關(guān)于最大下沉點對稱分布；從盆地邊緣至拐點處的水平移動逐步增加，轉(zhuǎn)折點處與最大沉降點之間的水平移動在逐步下降，在最大沉降點之間的水平移動值趨于0，當在拐點處水平位移最大時，出現(xiàn)了2 種方向相反的最大水平移動值，曲線在采空區(qū)的中央形成中心對稱；最大下沉值和最大水平移動值隨著松基比增大呈現(xiàn)先增大后穩(wěn)定的規(guī)律，說明不同松基比對地表移動變形的作用不同，不同情況需進行不同討論，當松散層占開采深度比重越大時，基巖所承受荷載越重，地表下沉逐漸增大，但當松散層厚度逐漸增大時，松散層對地表變形起到緩解作用，地表下沉逐漸穩(wěn)定；隨著松基比的增加，地表下沉值與水平移動值在邊緣處收斂緩慢，范圍逐漸擴大，曲線上方由陡峭逐漸變平緩；松基比等于1.75 時，地表最大下沉量達到3 608 mm，松基比等于1.25 時，最大水平位移達到1 994 mm。

通過對不同松基比方案進行模擬計算，獲取了不同松基比條件下地表下沉系數(shù)q，水平移動系數(shù)b、主要影響角正切tanβ，邊界角δ0和移動角δ0，見表2。

表2 模擬不同松基比的地表變形參數(shù)Table 2 Surface deformation parameters for different pine-to-basic ratios

由表2 可知，采煤區(qū)充分開采時，松基比影響地表沉陷程度：在煤層采礦采厚相同的情況下，當松基比不斷增加時，下沉系數(shù)為非線性變化，表現(xiàn)為先增大后逐漸穩(wěn)定，其中K=1.75，qmax=1.203，當松基比達到一定限值時，采空區(qū)的破壞對地表移動變形的影響減?。浑S著松基比不斷增加，水平移動系數(shù)呈現(xiàn)先增大后減小最終逐漸穩(wěn)定的特點，當松基比等于1.25 時，水平移動系數(shù)最大達到0.56；主要影響角正切隨著松基比增加呈現(xiàn)先增大后減小的特點，K=1.25 時，tanβ最大為1.41，tanβ越小，地表移動范圍相對越大，下沉盆地越分散；邊界角描述地表移動盆地邊界特點，移動角代表了地下開采對地表移動的影響程度、大小、范圍，當采深固定時，移動角、邊界角與松基比之間存在線性關(guān)系，隨著松基比增大，移動角、邊界角逐漸減小。

3.3.2 松基比對下沉系數(shù)的影響

通過對表2 統(tǒng)計的數(shù)值模擬結(jié)果進行回歸分析，得到了下沉系數(shù)q與松基比K之間關(guān)系，如圖11 所示。

圖11 下沉系數(shù)與松基比相關(guān)關(guān)系Fig.11 Correlation between subsidence coefficient and loose-to-base ratio

由圖可知：下沉系數(shù)q與松基比K之間呈現(xiàn)先增大后逐漸穩(wěn)定的關(guān)系，K=1.75 時出現(xiàn)拐點。當松基比從0 增加到1.75 時，下沉系數(shù)與松基比呈線性增大關(guān)系，平均增加率為0.085，當松基比增加0.1 時，下沉系數(shù)增加0.008 5，其中K=1.75 時，下沉系數(shù)達到最大值1.203；當松基比從2.0 增加到5.0 時，下沉系數(shù)趨于平緩，q平均值為1.187，不再隨著松基比的變化而大幅變化。

3.3.3 松基比對水平移動系數(shù)的影響

根據(jù)模擬結(jié)果表2，繪出了水平移動系數(shù)b與松基比K的關(guān)系曲線，如圖12 所示。

圖12 水平移動系數(shù)與松基比相關(guān)關(guān)系Fig.12 Correlation between horizontal movement coefficient and loose-to-basic ratio

由圖12 可知：水平移動系數(shù)b與松基比K之間存在先增大后減小最終趨于穩(wěn)定的關(guān)系，K=1.25 時出現(xiàn)拐點。當松基比從0 增加到1.25 時，水平移動系數(shù)與松基比呈線性增大關(guān)系，平均增加率為0.088，由0.46 增大到0.56；當松基比從1.25 增加到2.0 時，水平移動系數(shù)與松基比呈線性減小關(guān)系，平均減少率為0.104，當松基比增加0.1 時，水平移動系數(shù)減少0.010 4；當松基比從2.0 增加到5.0 時，減少速率減緩，水平移動系數(shù)逐漸呈現(xiàn)穩(wěn)定趨勢。

3.3.4 松基比對主要影響角正切的影響

通過對表2 統(tǒng)計的數(shù)值模擬結(jié)果進行回歸分析，得到了主要影響角正切tanβ與松基比K之間的關(guān)系，如圖13 所示。

圖13 松基比與主要影響角正切相關(guān)關(guān)系Fig.13 Correlation between loose basis ratio and main influence angle tangent

由圖13 可知：主要影響角正切tanβ與松基比K之間存在先增大后減小關(guān)系，其中K為1.25 時，tanβ達到最大值為1.41。當K為0.25～1.25 時，松基比與主要影響角正切呈線性增大關(guān)系，平均增加率為0.204；K為1.25～5.00 時，tanβ與K呈線性減小關(guān)系，平均減少率為0.081。

4 數(shù)值模擬與實測結(jié)果對比

為驗證模擬結(jié)果的準確性，分別選取了兩淮和魯南典型厚松散層礦區(qū)5 個工作面的實測數(shù)據(jù)進行對比分析，分別為：劉橋二礦610 工作面、張莊礦3131-1 工作面、淮南某礦1215 工作面、山東兗州鮑店5304-1 和郭屯1308 工作面。地質(zhì)采礦條件和地表移動參數(shù)，見表3，下沉系數(shù)、水平移動系數(shù)、主要影響角正切實測結(jié)果與本文模擬結(jié)果的對比如圖14 所示。

表3 不同礦區(qū)工作面地質(zhì)采礦條件與地表移動參數(shù)Table 3 Geological mining conditions and surface movement parameters of working faces in different mining areas

圖14 實測與模擬結(jié)果對比Fig.14 Comparison between the actual measurement and simulation results

其中，劉橋二礦位于安徽省淮北市濉溪縣劉橋鎮(zhèn)境內(nèi)，主采為二疊系山西組 6 煤層，采深420 m，采厚3.0 m，煤層傾角3°，覆巖結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，主要由第四系表土、細砂、泥巖、粉砂、砂質(zhì)黏土組成，松散層厚度140 m，基巖厚度279 m；張莊礦位于安徽省淮北市，主采石炭二疊系煤層，采深96 m，采厚2.7 m，近水平煤層，覆巖結(jié)構(gòu)較為簡單，主要由第四系松散層、泥巖、砂巖組成，松散層厚度48 m，基巖厚度48 m；淮南某礦1215 工作面位于淮南煤田，主采13-1 煤，采深642 m，采厚3.08 m，煤層傾角3°，覆巖結(jié)構(gòu)較為簡單，主要由第四系松散層、細至中粒砂巖、泥巖、黏土組成，松散層厚度385 m，基巖厚度257 m；鮑店煤礦位于鄒城、兗州市境內(nèi)，主采山西組3 煤層，采深289 m，采厚2.9 m，煤層傾角9°，覆巖結(jié)構(gòu)較為簡單，主要由泥巖、粉砂巖、細至中粒砂巖組成，松散層厚度190 m，基巖厚度99 m[18]。山東郭屯煤礦位于山東省菏澤地區(qū)鄆城縣城，主采煤層為山西組3 煤層，采深765 m，采厚3 m，煤層傾角為3°，覆巖結(jié)構(gòu)較為簡單，主要由第四系松散層、泥巖、中砂巖組成，松散層厚度582 m，基巖厚度183 m[19]。

通過實測與模擬對比，可以看出：不同松基比工作面實測下沉系數(shù)與模擬下沉系數(shù)的平均相對誤差為10.5%，最大為14.6%（松基比為0.5），最小為5.3%（松基比為1.5）；實測與模擬整體趨勢一致，但當松基比等于2.0 時，實測比模擬稍大，在其他松基比情況下，實測比模擬偏小，產(chǎn)生誤差的原因可能是巖土體內(nèi)部具有復(fù)雜性，進行數(shù)值模擬時無法考慮全面，加入了土體中的豎向應(yīng)力，忽略了水平應(yīng)力的影響；水平移動系數(shù)平均相對誤差為16.6%，最大為22.6%（松基比為3.0），最小為7.9%（松基比為1.5）；水平移動系數(shù)模擬和實測地表變形規(guī)律一致，但實測值大多稍小于模擬值，這是由于實際情況下的測量會受到降雨，開挖速度，人工等因素的影響，而模擬無法實現(xiàn)；主要影響角正切平均相對誤差為16.3%，最大為27.6%（松基比為2.0），最小為3.5%（松基比為1.0）。根據(jù)上述概率積分法參數(shù)對比，可知模擬得到的主要影響角正切、水平移動系數(shù)和下沉系數(shù)與實測值之間存在較小誤差，模擬結(jié)果可靠。

5 松基比對地表變形參數(shù)影響的機理分析

在沒有進行采煤或者受到采煤影響之前，土體僅受到自身重力、支承力和兩側(cè)水平應(yīng)力作用，這兩組平衡應(yīng)力，使得土體相對穩(wěn)定，不會產(chǎn)生移動變形[18]。煤礦被采出以后，破壞了采空區(qū)周圍巖土體內(nèi)部原有的力學(xué)平衡狀態(tài)，由此巖層發(fā)生了移動、變形。當開采面積達到一定范圍后，地表遭到破壞產(chǎn)生波動，并發(fā)生移動變形。不同松散層基巖厚度產(chǎn)生的移動變形規(guī)律存在差別，并且對地表變形參數(shù)具有重要的影響：

1） 采動覆巖移動的破壞傳遞過程與上覆巖層的巖性密切相關(guān)，厚松散層多由黏性或砂性土沉積而成，在自重應(yīng)力作用下，會對其下部基巖產(chǎn)生較大壓力，基巖的下沉引起松散層下沉[20]。

對不同松基比情況下地下煤層開采后引起的上覆巖土體垂直應(yīng)力變化進行分析，如圖15 所示。在松基比為0.25～2.5 時，松散層占平均采深的比例較小，采空區(qū)上方的松散層向地表附加應(yīng)力幾乎全部為正值，即產(chǎn)生壓應(yīng)力，壓力在逐漸減小，由0.51 MPa減小到0.08 MPa；隨著松散層占的比例增加，松基比為3.0～5.0 時，垂直附加應(yīng)力發(fā)生改變，變?yōu)樨撝?，此時產(chǎn)生拉應(yīng)力，拉力值逐漸增大，由0.17 MPa 增加到0.23 MPa，煤層開采后引起的應(yīng)力影響范圍逐漸減小。在采空區(qū)邊界兩端擁有了應(yīng)力集中區(qū)域，巖土體垂直應(yīng)力基本上關(guān)于采空區(qū)呈中心對稱，隨著松基比的增加，應(yīng)力減小后趨于穩(wěn)定，松基比0.25 時達到最大值42 MPa，松基比3.5～5.0 時穩(wěn)定在34 MPa。由于煤炭被采出以后，巖土體原始的應(yīng)力分布發(fā)生改變，煤層頂、底板應(yīng)力逐漸向了采空區(qū)邊界分布，形成應(yīng)力集中區(qū)域，頂、底板達到承載極限值最終應(yīng)力值趨于穩(wěn)定。

圖15 覆巖垂直應(yīng)力分布Fig.15 Vertical stress distribution of overlying rock

2） 地表變形參數(shù)用于描述地表移動變形規(guī)律，其隨著松基比的變化而變化，主要表現(xiàn)為隨著松基比的增加，下沉系數(shù)呈現(xiàn)先增大后穩(wěn)定的趨勢，水平移動系數(shù)為先增大后減小最后趨于穩(wěn)定，主要影響角正切呈先增大后減小特點，邊界角、移動角呈現(xiàn)逐漸減小特征，產(chǎn)生影響的原因如下：①開采條件相同的情況下，基巖面下沉向松散層土體傳遞過程中，除了土體跟隨基巖面下沉之外，傳遞過程中引起土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化，產(chǎn)生了附加應(yīng)力，在附加應(yīng)力作用下，松散層土體產(chǎn)生了沉陷響應(yīng)，引起附加下沉。隨著松基比逐漸增加，松散層占比逐漸增加，作用在基巖及采空區(qū)的應(yīng)力增加，受到松散層荷載影響的采空區(qū)冒落帶內(nèi)破碎巖體更加壓實，巖石碎脹性減小，地表下沉增大，基巖承受的荷載越大，下沉系數(shù)逐漸增大；當松基比達到一定限值時，松散層中的承載結(jié)構(gòu)為松散層拱結(jié)構(gòu)，基巖中的承載結(jié)構(gòu)為關(guān)鍵層[21]，即基巖層內(nèi)能夠形成有效支承應(yīng)力層，承擔(dān)了上覆附加應(yīng)力，減少了開采對于松散層的影響，最大下沉量逐漸穩(wěn)定，下沉系數(shù)呈現(xiàn)趨于平緩特點。②采空區(qū)的存在導(dǎo)致基巖的移動變形，進而影響著松散層，當松基比較小時，松散層存在壓縮變形特性，受到松散層壓縮變形的影響，水平移動范圍逐漸增大，故而水平移動系數(shù)增大；當松基比越來越大時，松散層所占比例越來越大，受到開采產(chǎn)生的附加豎向應(yīng)力的影響越來越小，采空區(qū)外側(cè)應(yīng)力值增高，因此整體變形量減小，水平移動范圍逐漸減小，水平移動系數(shù)減小后趨于穩(wěn)定。③主要影響角正切與主要影響半徑密切相關(guān)，受到松散層、基巖厚度的耦合影響，如式(2)所示，當松基比不斷增大時，最大下沉值呈現(xiàn)先增大后減小趨勢，最大傾斜值為最大下沉值一階導(dǎo)數(shù)，表現(xiàn)為先增大后減小，由此得到的主要影響半徑呈先減小后增大特征，又因固定了開采深度，利用公式得到主要影響角正切值先增大后減小。

其中：r為主要影響半徑；W0為最大下沉值；i0為最大傾斜值；H0為采深，m。④當采深較大時，表土層在平均采深中占的比例對移動角、邊界角有很大的影響，移動角、邊界角隨著表土層厚度占平均采深比例的增加而減小[22]。

6 厚松散層薄基巖條件的定量分析及探討

為探討厚松散層薄基巖條件下巖層移動與地表變形，國內(nèi)外學(xué)者分別從井下開采、覆巖破壞、地表移動等不同角度開展了研究：①從井下開采角度，采礦工作者認為以確定的基巖范圍來區(qū)別基巖厚度，如在研究神東礦區(qū)薄基巖淺埋煤層保水開采技術(shù)時提出，通常情況下將厚度h≤30～50 m 的巖層稱之為薄基巖[23]；②從覆巖破壞角度，煤層開采以后采空區(qū)上覆巖層出現(xiàn)彎曲下沉帶、裂隙帶和垮落帶，垮落帶和裂隙帶合稱導(dǎo)水裂縫帶[24]。一般認為垮落帶與導(dǎo)水裂縫帶為“兩帶”，通常位于垮落帶內(nèi)巖層。多數(shù)學(xué)者根據(jù)煤層開采后采空區(qū)上覆巖層“兩帶”高度與基巖厚度之間的關(guān)系，對薄基巖進行定義和分類，煤層上覆基巖厚度小于垮落帶高度屬于超薄基巖；基巖厚度大于垮落帶高度而小于導(dǎo)水裂縫帶高度屬于薄基巖；而厚基巖是基巖厚度大于導(dǎo)水裂縫帶高度[25]。③從地表移動角度，松散層和上覆基巖的厚度、巖性影響著地表的移動變形，松散層越薄，基巖越厚，巖性越大，對地表影響程度越小[26]。在大采深、基巖較薄的開采條件下，地表下沉盆地陡峭，移動變形分布集中，表現(xiàn)在參數(shù)上，移動角偏大，主要影響角正切偏大，地表下沉速度偏大，地表移動劇烈[20]，但對于松散層基巖厚度沒有一個統(tǒng)一的定義。

一般認為，厚度小于50 m 的松散層屬于薄松散層，厚度大于50 m 并小于100 m 屬于厚松散層，而巨厚松散層是厚度大于100 m[27]。然而，煤層開采后，采動下沉自頂板向上覆巖層傳遞，頂板以垮落形式冒落堆積于采空區(qū)，位于其兩側(cè)向上發(fā)生斷裂，在上方形成了托梁，托梁下方巖土體應(yīng)力得到釋放，出現(xiàn)斷裂、裂縫，當破壞帶范圍進一步增大，上方托梁延伸至松散層內(nèi)，形成暫時的自穩(wěn)結(jié)構(gòu)，因此托梁在上方松散層荷載作用下發(fā)生失穩(wěn)，造成松散層彎曲，整體下沉，如圖16 所示，壓覆于托梁下方的巖土體，受松散層荷載壓實作用，破壞帶中間巖土體采動裂隙不斷彌合[28]。

圖16 松散層與基巖相互作用關(guān)系Fig.16 Interaction relationship between loose layer and bedrock

基于松散層與基巖相互作用關(guān)系，考慮到實際巖土體的復(fù)雜性，無法直觀地了解到當改變松散層與基巖厚度比時地表移動變形規(guī)律。同時松散層為彈塑性介質(zhì)，強度較弱，容易發(fā)生塑性變形，這使得其在下沉過程中不易產(chǎn)生離層，因而出現(xiàn)地表下沉系數(shù)接近甚至大于1、盆地邊緣水平移動大于沉降等獨特現(xiàn)象[29]。因此，在綜合考慮松散層基巖厚度劃分的基礎(chǔ)上，基于數(shù)值模擬結(jié)果，建議采用松基比作為厚松散層條件的定量描述。

通過以上數(shù)值模擬研究可以看出，松基比對地表變形參數(shù)的影響主要表現(xiàn)在以下3 個方面：

1） 松基比對下沉系數(shù)的影響。下沉系數(shù)呈先增大后逐漸穩(wěn)定的特征。隨著松基比的不斷增大，下沉系數(shù)變化主要可分為2 個階段：首先，當松基比從0 增大到1.75 時，下沉系數(shù)呈線性快速增長；其次，當松基比大于2.0 時，下沉系數(shù)趨于平緩。

2） 松基比對水平移動系數(shù)的影響。水平移動系數(shù)呈先增大后減小最終趨于穩(wěn)定的特征。隨著松基比的不斷增大，水平移動系數(shù)變化主要可分為3 個階段：首先，當松基比從0 增大到1.25 時，水平移動系數(shù)呈線性增長；其次，當松基比從1.25 增大到2.0 時，水平移動系數(shù)呈線性減?。蛔詈?，當松基比從2.0 增大到5.0 時，水平移動系數(shù)減少速率減緩逐漸呈現(xiàn)穩(wěn)定趨勢。

3） 松基比對主要影響角正切的影響。隨著松基比的不斷增大，主要影響角正切與松基比之間存在先增大后減小的關(guān)系；當松基比大于1.25 時，主要影響角正切逐漸減小。

隨著松散層和基巖厚度在埋深中所占的比例發(fā)生變化，尤其是厚松散層薄基巖礦區(qū)，原有的經(jīng)驗參數(shù)已無法滿足地表變形預(yù)計的需要。因此，建議提出將松基比作為厚松散層薄基巖條件的定量描述，即：隨著松基比的增大，當松基比小于1.25 時，地表變形量逐漸增大，可視為常規(guī)地質(zhì)采礦條件；而松基比在1.25～1.75 時，地表變形量出現(xiàn)極值；當松基比大于1.75 時，地表變形量逐漸減小，可視為厚松散層薄基巖條件。

7 結(jié) 論

1） 以山東某煤礦為例，利用FLAC3D數(shù)值模擬方法，建立了不同松基比（0.25～5.00）條件下煤層開采的地表變形數(shù)值模擬模型，研究了地表變形規(guī)律。結(jié)果表明：當開采厚度一定時，隨著松基比不斷增大，地表變形量呈明顯的先增大后減小特征，但松基比達到某一限值后，地表變形趨于穩(wěn)定。

2） 回歸分析了松基比與地表下沉系數(shù)、水平移動系數(shù)、主要影響角正切之間的關(guān)系。下沉系數(shù)呈現(xiàn)先增大后穩(wěn)定特點，水平移動系數(shù)表現(xiàn)為先增大后減小最后趨于穩(wěn)定，主要影響角正切呈先增大后減小特點，拐點分別為1.75、1.25 和1.25；邊界角和移動角隨松基比的增大而減小。

3） 基于上述研究，從開采沉陷角度，提出了將松基比1.25～1.75 作為厚松散層薄基巖條件的臨界值，為我國東部厚松散層礦區(qū)災(zāi)害預(yù)測、保護煤柱留設(shè)提供了理論基礎(chǔ)。

本文僅針對東部厚松散層薄基巖條件，建立了理想的數(shù)值模擬模型，研究了不同松基比與巖土體地表變形參數(shù)變化規(guī)律，但是，對于巖土體的地表移動情況因受到采礦方法、頂板管理方式、巖性結(jié)構(gòu)、采深、開采厚度、采空區(qū)尺寸與形態(tài)、礦層傾角、重復(fù)采礦次數(shù)、地層結(jié)構(gòu)及含水層等條件的綜合影響，仍相當復(fù)雜，因此各種地質(zhì)采礦條件下的巖土體地表變形規(guī)律仍有待進一步的研究，期待更多更為深入的研究成果在今后陸續(xù)發(fā)表。