采空区地表沉降变形规律研究

2021-04-13王亚林郑周

科技与创新 2021年6期

王亚林，郑周

采空区地表沉降变形规律研究

王亚林，郑周

（江苏省第二地质工程勘察院，江苏徐州 221000）

通过理论分析、采空区实测数据以及灰色模型模拟方法的结合，对张双楼煤矿采空区上方的光伏发电项目沉降变形进行分析研究，发现地表移动形变的延续时间与地表整体的不均匀沉降具有相当密切的联系，利用灰色模型理论对未来沉降量模拟预测，预测结果较好，有助于更好地服务指导矿区的开采、采空区域的二次开发、沉陷灾害控制与环境保护等，并为相似条件下的矿区的发展和保护提供一定的参考。

灰色模型；移动形变；延续时间；沉降

一光伏发电项目位于位于徐州矿务集团张双楼煤矿采空区上方，地下煤层开采后，地表发生了较为明显的移动变形，主要表现为整体沉降下的局部不均匀连续沉降，未出现塌陷坑、地裂缝、台阶等非连续变形现象[1]。分析研究该采空区地表变形的特征，以及局部不均匀连续沉降对光伏发电运营的影响程度，有助于更好地指导矿区的开采、采空区的二次开发利用、沉陷灾害控制与环境保护等[2]。

1 地表沉降观测点的布置

矿区平面如图1所示。由资料可知，张双楼矿区煤层赋存于二叠系山西组和石炭系太原组，其中可采煤层为4层，分别为7煤、9煤、17煤和21煤，倾角范围15°～33°，基本属于缓倾斜煤层。在采空和未来采空影响区域内共埋设沉降观测点375个，一期238个全部位于7煤工作面上方，二期137个部分位于7煤、9煤工作面上方。实际观测点布置如图所示，进行了18个月的沉降观测，共计8期，并在矿区后续开采过程中会对沉降点持续测量。

图1 矿区平面示意图

监测点均匀分布在采空区影响的光伏发电项目区域内，对于项目区域内的地表的变化情况能较为直观地表现出来。

通过对均匀分布的检测点的沉降观测，可以较为全面地掌握区域内地表移动变形情况：一期观测点中累计最大沉降值为27.36 mm，最小沉降值为3.01 mm，最大下沉速度为0.104 mm/d，平均下沉速度0.027 mm/d；二期观测点中累计最大沉降值为20.09 mm，最小沉降值为2.38 mm，最大下沉速度为0.070 mm/d，平均下沉速度0.024 mm/d。平均沉降速率符合江苏省工程建设标准DGJ32-J18—2006《建筑物沉降观测方法》规范规定的平均沉降速率小于等于0.04 mm/d的稳定标准[3]。

2 地表沉降预测及分析

光伏发电项目场地下方煤矿已开采煤层为7煤和9煤，采煤方法采用走向长臂陷落法，顶板管理方式采用自然冒落法，矿井开采以综采、综放为主，辅以炮采。7煤最早开采于1988年，最迟开采于2014年，项目场地及周边的7煤已基本开采结束，属于老采空区；9煤最早开采于2002年，目前尚继续开采中，属于新采空区。

采空区的埋深决定着采空区地面变形稳定时间，一般可分为三个阶段：初始期是地表移动盆地主断面出现下沉 10 mm时；地表下沉速度大于50 mm/月（煤层倾角≤45°）或地表下沉速度大于30 mm/月（煤层倾角＞45°），可认为是活跃期；在连续6个月下沉值不超过30 mm时认为地表移动期结束为衰退期，从地表移动期开始到结束的整个时间称为地表移动的持续时间。

根据《煤矿采空区岩土工程勘察规范》中的理论，可以推算出项目区域内地表形变的大概延续时间：

式（1）中：为移动盆地内某一区域稳定所需的时间，d；0为平均开采深度，m。

稳定时间为1 470～1 822 d，即采空区引起的地表移动延续时间为4.0～5.0年。

2.1 项目区域内整体地表移动变形预测

项目区域内地表移动变形的最主要原因是地下煤层被开采后形成了采空区，采空区上覆及周围岩体失去原有的平衡状态，引发地表移动、变形以至破坏[4-6]。目前，变形影响区域范围内的7煤已基本开采完毕，9煤正在开采中，未来尚可能继续开采17煤、21煤。采空区引起的地表移动变形延续时间为4.0～5.0年。

从开采时间划分，项目区域内采空区有老采空区、新采空区、未来采空区三种形式，因此，项目区域范围内地表变形量有“动态”变化的特点，当大规模开采9煤、17煤、21煤时，在地表移动变形的活跃期内，可能造成的地表沉降速率相对较大，对项目区域内某些单体建筑及固定式光伏板阵列的影响程度较大。

根据采空区地表变形理论，在煤层埋深较大、采深采厚比（/）>30时，地面变形一般为连续变形，不会出现塌陷坑、裂缝、台阶等急剧变形，对地面建筑的危害程度较轻。由于该矿区可开采煤层埋深大于500 m，且采深采厚比大于100，根据采空区地表变形理论及前期地表变形观测，预计本项目场地以后地表变形仍会以连续变形为主，表现形式主要为地表整体的不均匀沉降，单体建筑或单个固定式光伏阵列的下沉值相差较小，损害程度较轻，后期修补或加固的方法较为简单，易于处理[7]。

矿区的9煤开采于2014—2016年，上方是光伏发电项目二期所在区域，沉降监测的数据显示在观测期内采空区对光伏发电项目中的固定式光伏阵列的影响程度较轻，观测点中累计最大沉降值小于一期沉降量。同时根据徐州地区庞庄矿、董庄矿等情况类似的各煤矿典型工作面观测站地表移动实测参数，来预估未来采空区影响范围内的地表整体沉降情况。徐州地区煤矿典型工作面地表移动参数如表1所示。

表1 徐州地区煤矿典型工作面地表移动参数

观测站边界角/º移动角/º裂缝角/º δ0γ0β0φδγβδ"γ"β" 庞庄矿50253.15454457778.565.57381.573 韩桥矿755—66.556.543.8—71708078.583 董庄矿10760404543.8755856.3757869 董庄矿10754412643.871.555.551.8788361.5 权台矿110—5442.543.8—53.554.5—7164

当本项目区域内地面沉降持续进行，特别是未来大规模开采17煤、21煤后，造成的整体地面较为均匀的下沉，累计沉降量可能会达到3～4 m，使得一定范围内的地势变得低洼，地表大量积水。

2.2 项目区域内各部位地基不均匀沉降预测

在整体沉降区域内同样会发生局部不均匀沉降，Verhulst模型主要用来描述具有饱和状态的过程，标准的Verhulst模型曲线呈现“S”形，在采空区地表沉降方面反映了从开始沉降、沉降加速期最终趋于稳定的一个过程，所以在Verhulst模型的理论基础上，综合矿场地表移动参数及整体沉降规律，对地表的不均匀沉降进行预测[8]。

将参数、代入模型的白化方程，求得模型的解为：

则灰色Verhulst模型的时间响应序列为：

最终预测值为：

选取区域内监测点中沉降量最大的3个沉降监测数据为样本，用来预测其未来2期的沉降量，并以后续的沉降观测数据来验证预测是否可靠[9-11]。监测点中沉降量最大的沉降监测数据如表2所示。

表2 监测点中沉降量最大的沉降监测数据

期数累计沉降量/ mm 187号78号220号 1﹣4.33﹣3.1﹣3.3 2﹣11.91﹣10.34﹣8.86 3﹣13.72﹣12.31﹣10.7 4﹣15.11﹣14.96﹣13.26 5﹣17.44﹣18.06﹣16.56 6﹣17.1﹣17.28﹣16.35 7﹣27.36﹣24.55﹣22.48

由表2可知，187#和78#监测点在选取的观测期内的总共沉降量分别为27.36 mm 和24.55 mm。根据表2中的两监测点观测数据所绘制的累计沉降量曲线如图2所示，可看出沉降速率缓缓提高，由于地表移动延续时间长达4～5年，导致监测点数年内仍处于沉降加速期，最终趋于稳定。因此，采用灰色Verhulst模型对沉降加速期内的未来2期沉降量预测较为合理。

2.3 模型预测的精度分析

利用灰色Verhulst模型分析监测点的沉降数据，并使用MATLAB 2014a软件编程对监测点的沉降量进行预测，结果如表3所示。

灰色Verhulst模型与实际测量的数据值拟合较好，未来两期预测值相对误差最大为﹣6.8%，最小相对误差为0.9%，且预测期数越大，预测精度可以提高，与实际测量值约越近；其中实测值由于受地形、测量环境等多种因素影响，局部点出现跳跃属于正常，但从总体上看，局部出现奇异点，理论值与实测值的下沉趋势基本一致，预测结果较为可靠。

图2 监测点累计沉降量曲线

表3 预测结果及误差

点号精度分析 8期预测值实测值误差/（%）9期预测值实测值误差/（%） 187号30.7629.265.136.5038.02﹣4.0 78号25.8227.72﹣6.828.3028.050.9 220号24.4225.68﹣4.928.4129.21﹣2.8

3 结论

经过对矿区的分析计算可以得到采空区地面变形稳定时间为1 470～1 822 d，即采空区引起的地表移动延续时间为4.0～5.0年。在后续大规模开采深度更大的17煤、21煤后，矿区地面整体会存在较为均匀的变形沉降（局部发生不均匀沉降），累计沉降量可能会达到3～4 m，采空区地势变得低洼，地表将会大量积水。

灰色Verhulst模型所描述的系统动态发展规律与给采空区的沉降过程极为相似，且3个监测点的实测数据值拟合较好，理论值与实测值的下沉趋势基本一致，未来两期预测值相对误差最大为﹣6.8%，最小相对误差为0.9%，预测精度较为理想，预测结果较为可靠，可以为采空区地表移动变形的处理措施提供相应的依据。

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