山区地下深部临近采煤工作面地表沉陷规律研究

2022-09-02闫伟涛张朝辉陈震陈俊杰

河南理工大学学报(自然科学版) 2022年4期

闫伟涛，张朝辉，陈震，陈俊杰

（1.河南理工大学测绘与国土信息工程学院，河南焦作 454000；2.山西省煤炭地质114勘查院，山西长治 046011）

0 引言

煤炭是我国第一大能源，在我国能源结构中占首要位置。大规模煤炭开采易导致大范围覆岩移动和地表变形。覆岩移动和地表变形是多种采矿因素（地质、地形等）联合作用下的复杂时间，空间运动［1-2］。不同地质、地形、采矿条件下，同样的采动面表现出迥异的采动影响。国内外学者已就不同地质、地形、采矿条件下的沉陷规律做了大量研究［3-6］。其中山区地下深部临近采煤工作面煤炭资源的大规模开采最突出，不仅导致覆岩和地表移动变形在范围、程度和位置等方面产生异常，同时也使后续的沉陷预计难度增大。从矿区地质构造上看，我国山区矿井广泛分布于山西、河南、贵州等省份，约占全国矿井总数的1／3。关于山区地表移动变形问题，已有学者进行了较深入的研究。王启春等［7］结合AutoCAD，Surfer和FLAC3D软件构建基岩裸露山区不同倾斜煤层开采的数值模拟模型，分析了煤层倾角对地表移动变形的影响；王磊等［8］、韩奎峰等［9］、廉旭刚等［10］、赵博等［11］推导建立了山区地表沉陷预测改进算法；刘玉成等［12］基于薄板弯曲变形理论中小挠度弯曲问题构建了4类地表山体地表下沉盆地模型；胡青峰等［13］、贾秉松等［14］、LIU Z G等［15］对山区地表沉降监测方法进行了有益探索；戴华阳等［16］、白光宇等［17］、蓝航等［18］结合模型试验或数值模拟研究了山区地表移动变形规律；胡海峰等［19］分析了山区采动条件下环境、生态、地裂缝和斜坡等的破坏规律与产生机理。山区开采条件千差万别，沉陷规律也各有不同，受矿区开采计划和有关政策限制，山区采煤工作面往往顺序开采，工作面上方覆岩同时受高起伏地形和临近工作面采动的双重影响，采动后工作面上方及附近地表移动变形规律异于传统情况。因此，本文拟结合现场实测和数据分析结果揭示山区地下深部临近采煤工作面的地表移动变形规律。

1 矿区概况与数据获取

1.1 矿区概况

1310工作面主采3号煤层，1310工作面上方地面标高1 012.40～1 193.20 m，煤层底板标高334.00～444.00 m，地表最大落差近200 m，平均采深760 m，煤层倾角0°～10°，平均3°，煤层厚4.30～5.30 m，平均4.88 m。煤层结构简单，可采系数1.0，变异系数5.13%，煤层稳定。工作面走向长2 741 m，倾斜长219.27 m。工作面顶板管理采用全部垮落法，煤层开采采用综采一次采全高开采方法。工作面顶底板岩层特性见表1，工作面特征如下。

表1 工作面顶底板岩层特性Tab.1 Characteristics of roof and floor of worting face

（1）深部开采。平均采深760 m（一般认为采深大于400 m小于700 m即进入中深部开采，采深大于700 m即进入深部开采）。

（2）临近工作面扰动。采区工作面开采顺序为1309→1310→1311。北侧为1311综采工作面，接续1310工作面；南侧1309综采工作面已回采结束。1310工作面开采前期受1309残余变形影响，后期受1311工作面开采影响，重复扰动明显。

（3）地表高起伏。工作面上方地表起伏较大。

1.2 观测站布设

依据工作面上方地形，结合《煤矿测量规程》布设点位。点位间距30 m，共布设半条走向和一条倾向线。观测站实际布设见表2和图1。

表2 观测站布设汇总表Tab.2 Summary table of observation station layout

图1 观测站实际布设点位图Fig.1 Actual layout point map of observation stations

1.3 地形分析

研究区地形如图2所示，地表山坡陡峭，落差较大。根据工作面点位布设绘制走向线和倾向线方向地形剖面图，如图3～4所示。

图3 走向线方向地形剖面图Fig.3 Topographic map of strike line direction

在停采线一端从煤柱一侧到采空区沿着走向方向依次布设地表监测点A1～A49。点A22大致在停采线正上方。走向线从点A1到点A34呈上坡趋势，地表坡度较大，约14°，且地表下滑倾向与地表下沉盆地移动倾向相反，属于反坡；点A34到点A49地形呈下坡趋势，地表坡度较缓，且该区域地表下滑倾向与地表下沉盆地移动倾向相同，属于正坡。

图4 倾向线方向地形剖面图Fig.4 Topographic map of dip line direction

工作面倾向从下山到上山依次布设点B1～B66。点B30位于下山开采边界正上方，点B37位于上山开采边界正上方。倾向线从下山点B1到点B47总体呈上坡趋势，坡度8°左右，地表下滑倾向与地表下沉盆地移动倾向相反，属于反坡；倾向线从点B47到点B66，地表总体呈下降趋势，坡度较小，约5°，地表下沉倾向与地表下沉盆地移动倾向相反，也属于反坡。总体上看，倾向线地表从下山到上山总体呈反坡趋势。

1.4 获取实测数据

由于测区地形起伏太大，且植被茂密，通视条件差，无法进行传统的全站仪和水准测量，因此全面观测和日常观测采用RTK测量方法。仪器采用南方银河6接收机。为了提高观测精度，进行多次观测。测量全流程如图5所示。

图5 测量全流程Fig.5 Whole process of measurement

观测时，固定解形式，每次平滑获取数据15次，其中垂向互差小于0.03 m，平面互差小于0.02 m的数据才能平滑记录，否则重测。在全观测生命周期，1310观测站高程共观测记录16次，平面共观测记录6次。

2 地表沉陷规律

2.1 走向移动变形

处理各期走向数据，获得下沉值和水平位移值（图6）。由图6（a）可知，随着工作面推进，地表下沉量逐渐增大，到2020年10月9日，观测范围内出现平底，说明走向方向采动充分，平底边缘位于点A35附近，最大下沉值达1 747 mm。但由于平底内侧受高起伏地形影响，地表盆地平底部分又出现滑移，呈现严重不相等现象，地表最大下沉增至2 436 mm。图6（b）为不同时间走向线水平位移变化情况。由图6（b）可知，随工作面推进，走向方向水平位移极值增大，影响范围扩大。受高起伏地形影响，水平移动出现两个正的极值，其中采空区上方极值较大，其主要受山区高起伏地形影响。

图6 走向动态移动曲线Fig.6 Dynamic moving curves of strike direction

2.2 倾向移动变形

图7（a）为不同时间倾向方向地表下沉分布情况，由图7（a）可知，随着工作面推进，地表下沉值和下沉范围逐渐增大，但最大下沉点位置不变，在点B33附近。到2020年8月23日，地表最大下沉值达到2 307 mm。但由于南北两侧新旧采面临近重复扰动，使得倾向下沉出现如下特殊规律：

图7 倾向动态移动曲线Fig.7 Dynamic moving curves of dip direction

（1）前期1310工作面开采使南侧已开采完的1309，1308和1307等工作面重新活化，导致上山方向下沉曲线变缓。

（2）最后一次观测数据受1310工作面北侧邻近1311工作面开采影响，使本已接近稳定的1310工作面又出现移动，最大下沉点下沉量显著增加，增加了130 mm左右，且在下山方向出现了另一个下沉极值。通过对比分析发现2020年8月23日前，倾向下山方向沉陷符合一般规律，因此，后续研究皆以2020年8月23日测得数据作为地表移动变形的最终数据。

图7（b）为不同时间倾向线水平移动变化情况。由图7（b）可知，水平位移随着工作面推进逐渐增大，但不是反对称，由于山坡受下坡方向滑移影响，导致指向下坡方向的水平位移增大，最后一次观测数据受到邻近工作面1311开采影响，使下山方向水平位移曲线发生变化。

2.3 动态参数

2.3.1 超前影响距和超前影响角

在走向线下沉数据中，选择或内插下沉值为10 mm的点，量取图上工作面到点的距离，即每次观测时间的超前影响距，最后对多次求得的超前影响距取平均值，便可得到走向线的平均超前影响距，见表3。超前影响角

表3 超前影响距Tab.3 Advance influence distances

2.3.2 地表移动持续时间、最大下沉速度、滞后距和滞后角

根据地表最大下沉点求得地表移动持续时间。选择移动盆地平底部分的点A45，A47和A48进行地表移动动态研究，如图8所示。

图8 下沉速度曲线Fig.8 Curves of subsidence velocity

点A45开始阶段63天，活跃阶段224天，由于观测时间有限，不能得出衰退期。最大下沉速度为28 mm／d，最大下沉速度滞后距为220 m，最大下沉速度滞后角为73.9°。

点A47开始阶段42天，活跃阶段245天，由于观测时间有限，不能得出衰退期。最大下沉速度为26 mm／d，最大下沉速度滞后距为245 m，最大下沉速度滞后角为72.2°。

点A48开始阶段63天，活跃阶段192天，由于观测时间有限，不能得出衰退期。最大下沉速度为24 mm／d，最大下沉速度滞后距为250 m，最大下沉速度滞后角为71.8°。

通过点A45，A47和A48，求得平均开始阶段，为56天，活跃阶段为220天，最大下沉速度为26 mm／d，平均最大下沉速度滞后角为72.6°。

大量实测资料表明，地表最大下沉速度与最大下沉值、开采深度、覆岩性质及工作面推进速度有关，其经验公式为

式中：K为下沉速度系数；Vmax为最大下沉速度，mm／d；H0为平均采深，m；c为工作面推进速度，m／d；Wmax为本工作面的地表最大下沉值，mm。

工作面平均推进速度为5.75 m／d，停采线侧平均采深为760 m，最大下沉值为1 747 mm，最大下沉速度为26 mm／d，通过计算可得，K＝1.97。

2.4 静态参数分析

2.4.1 边界角和移动角

根据山区地表移动特点，水平移动和下沉值为10 mm时，将两者的最小边界角作为最终边界角。依据倾斜、曲率和水平变形最外的临界变形值点获取最终移动角。由于工作面上方松散层仅几米厚，可忽略不计，求得的边界角和移动角见表4。

表4 边界角和移动角Tab.4 Limit angles and moving angles

由表4可知，由于走向线地形主要为反坡，减小了采动影响范围，从而增大了边界角和移动角，致使走向边界角和移动角偏大；但倾向上、下山方向同时受地表反坡和临近工作面重复采动的影响，且临近工作面重复采动影响更大，致使采动影响范围增大，边界角和移动角减小。

2.4.2 最大下沉角和走向充分采动角

倾向线最大下沉点B33距采空区中心22 m，计算得1310工作面最大下沉角为88.34°。工作面走向长2 741 m，已达到充分采动，其中点A35为沉陷盆地平底边缘点，距停采线380 m，计算得停采线侧走向充分采动角为63.4°。符合一般沉陷规律。

3 概率积分法拟合求参

分别对走向线和倾向线数据拟合求参（图9），其中走向线求参时去除滑移影响，不考虑发生严重滑移的几个点位沉陷信息。

图9 曲线拟合求参Fig.9 Curves fitting and parameters calculation

拟合曲线联合求参，结果为：下沉系数0.64，主要影响角正切值2.58，开采影响传播角88°，走向拐点偏移距148 m，上山拐点偏移距-20 m，下山拐点偏移距-21 m，水平移动系数0.24。由于1310工作面南侧有旧采空区，北侧有新开采工作面，且两侧地形均为反坡，导致1310工作面倾向上下山方向的拐点偏移距全为负，偏向于煤柱一侧，其他参数基本符合一般沉陷规律。