山區地下深部臨近采煤工作面地表沉陷規律研究

閆偉濤，張朝輝，陳震，陳俊杰

（1.河南理工大學 測繪與國土信息工程學院，河南 焦作 454000；2.山西省煤炭地質114勘查院，山西 長治 046011）

0 引 言

煤炭是我國第一大能源，在我國能源結構中占首要位置。大規模煤炭開采易導致大范圍覆巖移動和地表變形。覆巖移動和地表變形是多種采礦因素（地質、地形等）聯合作用下的復雜時間，空間運動［1-2］。不同地質、地形、采礦條件下，同樣的采動面表現出迥異的采動影響。國內外學者已就不同地質、地形、采礦條件下的沉陷規律做了大量研究［3-6］。其中山區地下深部臨近采煤工作面煤炭資源的大規模開采最突出，不僅導致覆巖和地表移動變形在范圍、程度和位置等方面產生異常，同時也使后續的沉陷預計難度增大。從礦區地質構造上看，我國山區礦井廣泛分布于山西、河南、貴州等省份，約占全國礦井總數的1／3。關于山區地表移動變形問題，已有學者進行了較深入的研究。王啟春等［7］結合AutoCAD，Surfer和FLAC3D軟件構建基巖裸露山區不同傾斜煤層開采的數值模擬模型，分析了煤層傾角對地表移動變形 的 影 響；王 磊 等［8］、韓 奎 峰 等［9］、廉 旭 剛等［10］、趙博等［11］推導建立了山區地表沉陷預測改進算法；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］對山區地表沉降監測方法進行了有益探索；戴華陽等［16］、白光宇等［17］、藍航等［18］結合模型試驗或數值模擬研究了山區地表移動變形規律；胡海峰等［19］分析了山區采動條件下環境、生態、地裂縫和斜坡等的破壞規律與產生機理。山區開采條件千差萬別，沉陷規律也各有不同，受礦區開采計劃和有關政策限制，山區采煤工作面往往順序開采，工作面上方覆巖同時受高起伏地形和臨近工作面采動的雙重影響，采動后工作面上方及附近地表移動變形規律異于傳統情況。因此，本文擬結合現場實測和數據分析結果揭示山區地下深部臨近采煤工作面的地表移動變形規律。

1 礦區概況與數據獲取

1.1 礦區概況

1310工作面主采3號煤層，1310工作面上方地面標高1 012.40～1 193.20 m，煤層底板標高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。煤層結構簡單，可采系數1.0，變異系數5.13%，煤層穩定。工作面走向長2 741 m，傾斜長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。工作面頂底板巖層特性見表1，工作面特征如下。

表1 工作面頂底板巖層特性Tab.1 Characteristics of roof and floor of worting face

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

（2）臨近工作面擾動。采區工作面開采順序為1309→1310→1311。北側為1311綜采工作面，接續1310工作面；南側1309綜采工作面已回采結束。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，重復擾動明顯。

（3）地表高起伏。工作面上方地表起伏較大。

1.2 觀測站布設

依據工作面上方地形，結合《煤礦測量規程》布設點位。點位間距30 m，共布設半條走向和一條傾向線。觀測站實際布設見表2和圖1。

表2 觀測站布設匯總表Tab.2 Summary table of observation station layout

圖1 觀測站實際布設點位圖Fig.1 Actual layout point map of observation stations

1.3 地形分析

研究區地形如圖2所示，地表山坡陡峭，落差較大。根據工作面點位布設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到采空區沿著走向方向依次布設地表監測點A1～A49。點A22大致在停采線正上方。走向線從點A1到點A34呈上坡趨勢，地表坡度較大，約14°，且地表下滑傾向與地表下沉盆地移動傾向相反，屬于反坡；點A34到點A49地形呈下坡趨勢，地表坡度較緩，且該區域地表下滑傾向與地表下沉盆地移動傾向相同，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點B1～B66。點B30位于下山開采邊界正上方，點B37位于上山開采邊界正上方。傾向線從下山點B1到點B47總體呈上坡趨勢，坡度8°左右，地表下滑傾向與地表下沉盆地移動傾向相反，屬于反坡；傾向線從點B47到點B66，地表總體呈下降趨勢，坡度較小，約5°，地表下沉傾向與地表下沉盆地移動傾向相反，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。

1.4 獲取實測數據

由于測區地形起伏太大，且植被茂密，通視條件差，無法進行傳統的全站儀和水準測量，因此全面觀測和日常觀測采用RTK測量方法。儀器采用南方銀河6接收機。為了提高觀測精度，進行多次觀測。測量全流程如圖5所示。

圖5 測量全流程Fig.5 Whole process of measurement

觀測時，固定解形式，每次平滑獲取數據15次，其中垂向互差小于0.03 m，平面互差小于0.02 m的數據才能平滑記錄，否則重測。在全觀測生命周期，1310觀測站高程共觀測記錄16次，平面共觀測記錄6次。

2 地表沉陷規律

2.1 走向移動變形

處理各期走向數據，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，地表下沉量逐漸增大，到2020年10月9日，觀測范圍內出現平底，說明走向方向采動充分，平底邊緣位于點A35附近，最大下沉值達1 747 mm。但由于平底內側受高起伏地形影響，地表盆地平底部分又出現滑移，呈現嚴重不相等現象，地表最大下沉增至2 436 mm。圖6（b）為不同時間走向線水平位移變化情況。由圖6（b）可知，隨工作面推進，走向方向水平位移極值增大，影響范圍擴大。受高起伏地形影響，水平移動出現兩個正的極值，其中采空區上方極值較大，其主要受山區高起伏地形影響。

圖6 走向動態移動曲線Fig.6 Dynamic moving curves of strike direction

2.2 傾向移動變形

圖7（a）為不同時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，地表下沉值和下沉范圍逐漸增大，但最大下沉點位置不變，在點B33附近。到2020年8月23日，地表最大下沉值達到2 307 mm。但由于南北兩側新舊采面臨近重復擾動，使得傾向下沉出現如下特殊規律：

圖7 傾向動態移動曲線Fig.7 Dynamic moving curves of dip direction

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

（2）最后一次觀測數據受1310工作面北側鄰近1311工作面開采影響，使本已接近穩定的1310工作面又出現移動，最大下沉點下沉量顯著增加，增加了130 mm左右，且在下山方向出現了另一個下沉極值。通過對比分析發現2020年8月23日前，傾向下山方向沉陷符合一般規律，因此，后續研究皆以2020年8月23日測得數據作為地表移動變形的最終數據。

圖7（b）為不同時間傾向線水平移動變化情況。由圖7（b）可知，水平位移隨著工作面推進逐漸增大，但不是反對稱，由于山坡受下坡方向滑移影響，導致指向下坡方向的水平位移增大，最后一次觀測數據受到鄰近工作面1311開采影響，使下山方向水平位移曲線發生變化。

2.3 動態參數

2.3.1 超前影響距和超前影響角

在走向線下沉數據中，選擇或內插下沉值為10 mm的點，量取圖上工作面到點的距離，即每次觀測時間的超前影響距，最后對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 地表移動持續時間、最大下沉速度、滯后 距和滯后角

根據地表最大下沉點求得地表移動持續時間。選擇移動盆地平底部分的點A45，A47和A48進行地表移動動態研究，如圖8所示。

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

點A45開始階段63天，活躍階段224天，由于觀測時間有限，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A47開始階段42天，活躍階段245天，由于觀測時間有限，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A48開始階段63天，活躍階段192天，由于觀測時間有限，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°。

大量實測資料表明，地表最大下沉速度與最大下沉值、開采深度、覆巖性質及工作面推進速度有關，其經驗公式為

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

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

2.4 靜態參數分析

2.4.1 邊界角和移動角

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

表4 邊界角和移動角Tab.4 Limit angles and moving angles

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

2.4.2 最大下沉角和走向充分采動角

傾向線最大下沉點B33距采空區中心22 m，計算得1310工作面最大下沉角為88.34°。工作面走向長2 741 m，已達到充分采動，其中點A35為沉陷盆地平底邊緣點，距停采線380 m，計算得停采線側走向充分采動角為63.4°。符合一般沉陷規律。

3 概率積分法擬合求參

分別對走向線和傾向線數據擬合求參（圖9），其中走向線求參時去除滑移影響，不考慮發生嚴重滑移的幾個點位沉陷信息。

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

擬合曲線聯合求參，結果為：下沉系數0.64，主要影響角正切值2.58，開采影響傳播角88°，走向拐點偏移距148 m，上山拐點偏移距-20 m，下山拐點偏移距-21 m，水平移動系數0.24。由于1310工作面南側有舊采空區，北側有新開采工作面，且兩側地形均為反坡，導致1310工作面傾向上下山方向的拐點偏移距全為負，偏向于煤柱一側，其他參數基本符合一般沉陷規律。

4 結 論

（1）高反坡減小了地表采動影響范圍，增大了相應邊界和移動角；高地形起伏使原有移動盆地的平底部分出現異常，平底內下沉值嚴重不對等，變形值不再為0。

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

（3）受臨近工作面采動影響，移動變形曲線收斂變緩。表現為地表移動盆地傾向上、下山方向拐點往煤柱一側偏移，致使拐點偏移距為負；減小地表采動影響范圍，擴大邊界和移動角。