重复采动地表移动变形规律分析

叶 伟 徐良骥

（1.安徽理工大学空间信息与测绘工程学院，安徽 淮南 232000；2.深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室，安徽 淮南 232000）

淮南矿区属于高潜水位矿区［1］。高潜水位矿区的典型特征是地表在采动后会形成沉陷水域，尤其对重复采动工作面地表移动变形监测会产生很大影响。重复采动是指岩层和地表已经受过一次开采的影响而产生移动、变形和破坏之后，再一次经受开采（开采下部煤层或下分层或同一煤层的下一个工作面）的影响，使得岩层和地表又一次受到采动影响［2］。重复采动条件下工作面正上方地表会出现大面积沉陷积水区，给观测站建立造成了较大困难。在煤炭开采地表移动变形信息提取方面，传统方法是通过布设观测站，进行水准测量和CORS RTK测量［3-7］。目前，较为先进的变形信息提取方法包括D-InSAR结合GPS技术、多轨D-InSAR结合多孔径合成雷达（Multiple Aperture Interferometry，MAI）技术，可获取地表三维信息［8］。D-InSAR会因为自身局限性受到一些应用限制，如大面积水域会造成D-InSAR图像干涉的低相干、对南北方向的形变具有不敏感性［9］。目前，InSAR技术的形变测量精度基本采用实地测量数据（如水准测量、GPS测量等）进行检核［9］。因此，即使采用D-InSAR技术提取地表形变量，也需要布设观测站。为了研究重复采动条件下地表移动变形规律，需要结合实际工作面地表环境和地质采矿条件进行观测站布设和数据采集，并对数据进行处理和分析。

本研究以淮南矿区某矿11123工作面（以下简称“11123工作面”）为例，详细分析重复采动条件下观测站的设计与观测方法，为国内具有类似开采条件和地表水文条件的工作面建立地表观测站提供参考。全面观测的目的是将观测站数十千米以外的矿区高等级控制点高程和坐标与工作面观测站的高程、平面控制网进行联测，从而建立相对的控制网坐标系统［10-12］。全面观测数据处理成果质量的好坏直接关系到后续观测的精度和开采沉陷规律的准确研究［13］。观测站的日常观测工作是指首次和末次全面观测之间适当增加的水准测量工作，还包括对监测点在采动过程中的位移和地面出现裂缝、塌陷的形态以及时间的记录和分析。关于裂缝发育规律的研究，王云广等［14］根据沉陷盆地主断面的移动变形特征，将地表移动变形影响区划分为拉伸区、压缩区和先拉伸后压缩区，并分析了各区的裂缝发育特征，提出一种基于下沉曲线长度计算判断采动拉伸区裂缝发育的方法；钱鸣高等［15］利用块体结构模型对煤层采动后覆岩运动和地表沉陷规律进行了研究，取得较好的效果；郭惟嘉等［16］采用现场观测、理论分析等手段，对翟镇煤矿重复采动条件下的地表非连续变形现象进行了研究；陈超等［17］通过总结前人有关裂缝的现场实测成果，分析认为现场实测能较为直观地了解岩土体内裂隙演变情况。本研究通过对11123工作面3号倾向观测线地表裂缝的实际发育情况进行现场调查并实测裂缝发育数据，对3号倾向观测线的拐点位置进行计算，并根据拐点位置的动态移动情况，验证根据11123工作面地质采矿条件划分的拉伸—压缩变形分区以及3号倾向观测线地表裂缝的动态发育规律。

1 研究区概况

11123工作面下顺槽位于该矿东一采区，走向长1 320m，倾向长155m，上顺槽标高-437～-456m，下顺槽标高-463～-488 m。11123工作面平均采厚为4.8m，煤层倾角为10°，平均采深483.5m，松散层厚度为255m。11123工作面下顺槽的地质构造复杂，巷道将揭露较多断层，其中F11223-4、F11223-5、F11223-7、F11223-24上、F11223-15、F11223-17等正断层和 F11223-12逆断层对11123工作面采动后岩层运动方式和地表移动变形程度影响很大。工作面开切眼地表向东215 m以南300 m以内是大面积沉陷水域，被用于网箱养鱼和光伏发电。11123工作面地表以南约400 m处分布有某发电厂和村庄。

2 重复采动地表移动变形观测站设计

2.1 观测站设计方案确定

为了研究11123工作面重复采动地表移动变形规律、求解主要地表移动角量参数和预计参数以及为工作面附近的地表重要构（建）筑物的变形提供预警防护，根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采指南》中对地表移动观测站设计的规定，并综合考虑该工作面地质采矿条件（重复采动）、地表水文条件、控制点和监测点的长期保存等因素，设计的地表移动变形观测站类型为剖面线型的3条倾向观测线，由此构成了11123工作面地表移动变形观测站。考虑到村庄和某发电厂均位于11123工作面南侧，11123工作面北侧都是沉陷水域，故3条观测线的设计有别于常规倾向观测线。表现在其长度是计算出来的整条观测线长度，但控制点只布设在工作面南侧，并且监测点止于工作面正上方北侧边界。

1号倾向观测线布设在距工作面开切眼350 m处，与工作面倾斜方向的夹角α为22°；2号倾向观测线距离工作面开切眼730m，与工作面倾斜方向的夹角α为16°；3号倾向观测线距离工作面开切眼139 m，与工作面倾斜方向的夹角α为21°。

2.2 倾向观测线长度及测点密度确定

倾斜观测线长度计算公式为［2］

式中，S为倾向观测线的工作面长度，m；H为上、下开采边界平均采深，m；h为松散层厚度，m；γ为上山、下山平均移动角，（°）；Δγ为上山、下山平均移动角修正值，（°）；ϕ为松散层移动角，（°）；L为工作面倾斜宽度，m；α为煤层倾角，（°）；s为相邻控制点间距，m；Si为倾向观测线地面长度，m；δi为倾向观测线与工作面倾斜方向的夹角，（°）。

地表移动观测站监测点一般为等间距布设［10-11］，监测点数目及密度与采深之间的关系如表1所示。11123工作面平均采深为483.5 m，由于2号、3号倾向观测线远离南风井，故测点间距设定为30m，1号倾向观测线位于南风井附近，为了更好地反映工作面倾向移动变形对南风井重要构（建）筑物的影响，需要对监测点进行加密［12］，故设计1号观测线的点间距为25m。控制点应埋设在观测线两端［2］，由于该工作面现场条件所限，仅在每条观测线远离工作面的南端布置了3个控制点，控制点间距为50 m。为保证控制点稳定性，首个与监测点相邻的控制点与该监测点的间距设置为200 m。观测站布设如图1所示。

3 重复采动地表移动变形数据采集与规律分析

3.1 全面观测与日常观测

3.1.1 全面观测数据采集与处理方法

全面观测数据处理包括高程全面观测数据处理和平面全面观测数据处理。

（1）高程全面观测。从观测站数十千米以外的高等级水准点（国家二等水准点）出发，通过二等水准测量将高程传递到观测站各控制点，采用单程双转点法进行高程误差检核，并构建水准监测网，进而对采集的数据进行网平差计算。利用平差软件（AdjustS）进行高程控制网平差解算，并将两次独立的高程全面观测点位平差结果的平均值作为观测站各个监测点的初始高程值。

（2）平面全面观测。将观测站数十千米以外的高等级GPS控制点（D级GPS控制点）与观测站设计的控制点组成平面坐标联测点。根据高等级GPS控制点的点位分布情况设计平面观测网，采用静态测量方法采集平面全面观测数据。对于平面观测原始数据，利用中海达HGO软件进行基线解算后，再利用最小二乘方法进行坐标联测点之间的兼容性估计［13］，结果显示，各联测点均通过了显著性检验。在此基础上，对解算结果进行空间约束和空间无约束平差，求解坐标转换参数，进而获得精确的观测站控制点平面坐标，为后续日常平面观测提供等级坐标和参数基础。

本研究采用虚拟CORS参考站技术结合三脚架固定对中杆法［5］进行多次观测，并计算坐标平均值作为测站各监测点的初始坐标。

3.1.2 日常观测数据采集

日常观测中的水准测量采用三等水准，以确保所采集的高程数据精度，并对重复采动过程中出现的地表裂缝进行了现场调查和实测。

3.2 裂缝动态发育规律实测数据分析

3.2.1 裂缝发育情况现场调查

3.2.1.1 第1阶段调查与实测

由于11123工作面正上方地表出现了大量积水，无法对完整工作面的地面裂缝和隆起现象进行调查。故选取11123工作面观测站3号倾向观测线上MS44监测点到MS59监测点之间地带进行分析。通过现场调查发现，11123工作面观测站3号倾向观测线2019年4月26日监测点MS56到MS58之间地表首次出现6条裂缝，裂缝大致与工作面推进方向平行或向工作面一侧稍有弯曲。本研究采用钢尺量距法获取裂缝的发育长度和宽度信息。根据文献［21-22］的地裂缝现场实测方法，考虑到石灰浆容易渗透到表土层中，易造成测量误差，故而本研究裂缝发育深度采用石灰粉作为追踪剂，利用喷头将石灰粉沿裂缝口喷入裂缝中，再进行开挖实测。

3.2.1.2 第2阶段调查与实测

随着工作面继续推进，于2019年6月26日，对现场裂缝进行了第2次调查和裂缝发育情况实测。第1条裂缝长度为30.1 m，平行于工作面并经过3号倾向观测线MS56监测点，裂缝深度为18～29.5 cm，宽度为1.3～2 cm。第2条裂缝位于第1条裂缝北侧25.6 m处，近似平行于工作面走向，长度为60.4 m，深度为6.8～10 cm，裂缝宽度平均为1 cm。第3～5条裂缝为第2条裂缝在与工作面推进方向一致方向上的3条裂缝分支，呈现一定弧度，长度分别为15.3、12.8、13.4 m，宽度分别为0.5～3.5 cm、1～2.5 cm、4～7 cm，裂缝平均深度分别为15.9、16.1、15.7 cm。第6条裂缝位于第5条裂缝北侧34.6 m位置，距离MS57监测点北侧15.3 m，裂缝长度为30.8 m，平均深度为19.3 cm，平均宽度为0.9 cm。前两期裂缝现场发育特征如图2所示。

3.2.1.3 第3阶段调查与实测

2019年11月20日，本研究对11123工作面3号倾向观测线地表裂缝进行了第3次调查，并进行了裂缝发育情况实测。此时，只剩下平行于工作面经过MS56监测点的第1条裂缝，该裂缝长度继续增大到42.2 m，裂缝深度为15.7～22.1 cm，宽度为1.2～1.4 cm，田野内出现了裂缝台阶，落差为2～3 cm。MS56点与MS59点之间的其他裂缝都已经闭合（图3）。

3.2.2 拐点位置移动分析裂缝发育

拐点是地表移动盆地的特征点之一，是内外边缘区分界点，也是拉伸区和压缩区分界点。本研究通过分析拐点移动特征来验证裂缝的动态发育规律。根据11123工作面观测站实测数据分别计算了3号倾向观测线各监测点的倾斜变形和曲率变形，并绘制了裂缝发育期间3号倾向观测线的变形曲线，如图4所示。根据倾斜变形最大的点和曲率变形在达到最大值后降为0的点综合确定拐点位置，分析从裂缝出现到闭合期间3号倾向观测线的拐点移动情况，从而动态分析裂缝的移动和发育特征。

结合11123工作面开采进度（图1）和图4可知：2019年3月21日—2019年4月26日，3号观测线拐点位于MS58～MS59点之间，说明MS59点以南区域为拉伸区；2019年4月27日—2019年7月26日，3号倾向观测线拐点逐渐移动到MS57～MS58点之间，说明MS58点以南区域为拉伸区；随着工作面进一步推进，采空区变大以及多个正断层和逆断层受采动影响，导致覆岩运动损伤加剧，使得地表裂缝进一步发育，2019年7月27日—2019年10月23日，3号倾向观测线拐点逐渐移动到MS57点，说明原先MS57～MS59点之间的拉伸区逐渐转变为压缩区；2019年10月24日—2019年12月24日，3号倾向观测线拐点逐渐移动到MS56点附近，说明原先MS56～MS59点之间的拉伸区已全部转变为压缩区。3号倾向观测线的拐点移动规律与11123工作面地表拉伸—压缩变形分区较为吻合，同时验证了3号倾向观测线上裂缝的动态发育规律。

4 结论

（1）综合11123工作面重复采动地质采矿条件以及工作面地表水文地质条件，建立了工作面地表移动观测站，为类似开采条件和地表地形环境的矿区工作面地表观测站设计提供了参考，同时为研究重复采动条件下地表移动变形规律提供了基础数据来源。

（2）对前人裂缝深度实测方法进行了改进，使用石灰粉代替石灰浆作为追踪剂，有效避免了石灰水灌入裂缝中发生渗流造成一定的测量误差。

（3）综合11123工作面3号倾向观测线的倾斜变形曲线特征点（倾斜变形最大点）和曲率变形特征点（曲率变形达到最大值后降为0的点），确定了拐点位置。根据2019年3月21日—2019年12月24日期间绘制的6期倾斜变形曲线和曲率变形曲线可知，拐点位置经历了由最初位于MS58～MS59点之间移动到MS57～MS58点之间，随后移动到MS57点，最后拐点停留在MS56点，说明过MS56点作平行于工作面的直线，以南区域为拉伸区，以北至工作面下山开采边界区域为先拉伸后压缩区。结合3个阶段现场调查和实测的3号线附近裂缝发育情况可知，在该矿地质采矿条件及重复采动条件下，地表产生的位于先拉伸后压缩区间的裂缝发育是一个从产生到发育再到闭合的动态演变过程。