煤层采动巨厚松散层全断面监测及内部变形特征

张平松 ， 许时昂 ， 傅先杰 ， 吴荣新

(1.安徽理工大学 地球与环境学院, 安徽 淮南 232001；2.中煤新集能源股份有限公司, 安徽 淮南 232170)

煤炭在我国能源结构中占据重要的基础性地位，在推动经济社会的高质量发展和确保能源安全与稳定性供给方面做出了巨大的历史性贡献[1-5]。我国东部矿区，进行巨厚松散层覆盖下煤炭资源开采时，地表下沉现象显著，表现出下沉量大于采高、沉陷范围大、沉稳时间长、活跃期集中且剧烈等现象[6-11]。并且，由开采所引起的土地占用和地表沉陷治理成为限制矿区发展最严重的问题之一，这些问题在煤炭资源分布区与经济社会发展圈的重叠区以及高潜水位矿区显得更为突出[12-13]。以两淮矿区为例，淮北采煤塌陷土地2.77 万ha，造成失地农民人数达到27.6 万之多；淮南矿区塌陷累计面积也近3.33 万ha，涉及搬迁人口也达到了17.4 万余人。两地因搬迁及沉陷区生态修复累计投入资金已达数百亿。其中淮南采煤沉陷影响区域已占据了城市总面积的10%以上。随着煤炭开采的持续进行，矿区沉陷面积及影响范围还将进一步扩大[14]。

巨厚松散层矿区沉陷行为的特殊性，加上松散层土体在物理力学性质和赋存环境的复杂性，使得对其移动、变形等特征进行研究成为众多学者关注的焦点和难点，同时这也是煤矿企业在安全生产中高度重视的工程问题。地表稳沉的范围和时间的不确定性，除了直接影响工业广场和井筒的安全运行，还对矿区生态修复、安全生产和可持续发展提出了极大的挑战[15]。我国对于松散层变形研究起源于20 世纪50 年代，此时研究多关注“三下”开采，通过建立地表移动观测站获得地表沉陷数据；至20 世纪80 年代，华东地区出现大面积的井筒破裂的问题，同时巨厚松散层下开采所导致的地表移动、工业广场建筑物损坏以及塌陷区异地搬迁等问题，对其细致研究逐渐兴起。一些学者研究了松散层与井筒之间的作用机制，并深入分析松散层内部变形机理；何国清等[16]探讨了水平移动变形分布规律、预计和误差控制方法的优化，在一定程度上促进了地表沉陷预测、评价水平的提高；陈俊杰等[17]探讨了应力演化分区对地表沉陷影响，分析了应力分布与地表移动的机理，研究提出将松散层与基岩分开评价，以松散层厚度与基岩厚度比来评定采动程度；李文平等[18]通过室内试验研究了大埋深土与井壁相互作用，分析了砂、黏土互层组成的含水层组失水变形及黏土层固结压缩变形相关机理，指出深部土层失水变形从深部开始，且深部的位移大于浅部；隋旺华等[19]研究了采动作用下沉陷土体与孔隙水压之间作用关系，揭示厚松散含水层开采沉陷机制，发现应力分区从采空区向上依次发育为双向拉应力、拉压应力区及双向压应力去，并表现出较为明显的分带性；吴侃等[20]以物理相似模拟试验为基础，分析了采动作用下竖向裂缝优先由地表发生的松散层变形破坏特征，认为土体内部非黏性土在变形过程中还充当滑动层的作用；许延春等[21-22]研究了采矿引起厚松散层变形特征，发现厚松散层内部移动边界有明显的曲线特征，得出松散层内部移动角参数存在分层差异，提出了依据埋深和沉积年代划分松散层中第四系、第三系地层进行分段确定角量参数用来设计保护煤柱的留设参数更为准确；戴华阳等[23]提出了急倾斜煤层开采条件下地表变形特征，通过数值计算研究松散层软弱面非连续变形的形态和机理，讨论了地表移动及其变形预计方法和极值的问题；张丁丁等[24]采用相似松散层沉降变形物理模型试验装置，探究了光纤光栅测试技术在注水和失水条件下厚松散层沉降观测中的应用；左建平等[25]在厚松散层水平煤层开采条件下，建立岩层移动与地表沉降内外“类双曲线”模型理论；汪锋等[26]研究了关键层与松散层结构组合的形态特征，提出了“关键层-松散层拱”模型分析其变形及内力分布，利用数值模拟，获得松散层内部变形发育松散层拱的认识；刘义新等[27]通过钻孔电视探测和多点位移传感器对厚黄土层采动条件下沉陷进行实时监测，得到厚黄土层近似整体下沉；刘世齐等[28]研究了厚松散层薄基岩条件下黏-岩协同变形及其结构失稳突变模型，利用沉降仪和倾斜仪对姚桥煤矿7267 工作面开采后松散层内部移动变形进行了探测，同时还利用全站仪对钻孔位置变形进行观测。基于前人的研究成果，发现过去的研究主要集中在300 m 以浅的松散层变形现象，沉陷动态发育过程表征不够明确，变形传递机理有待深入。而且现有观测手段多为点式测量，无法提供精细的地层内部变形定位。同时，研究内容多为变形后的结果，过程中的动态数据与长周期量化分析方面存在不足[29-30]。

淮南新集矿区的松散层覆盖厚度平均厚度超过500 m，其内部变形研究难度大。笔者以淮南新集矿区某矿110801 首采工作面为研究对象，构建了600 m深度全断面监测系统，完成煤层开采过程及停采后沉稳期间数据采集，探究煤层回采过程中巨厚松散层内部变形特征和移动规律，提出巨厚松散层变形多场可测信息量化评价方法，揭示巨厚松散层立体空间变形机理与内部分区特征。研究结果能够为开采沉陷源头治理与过程控制提供基础数据[31-35]。

1 监测技术原理及系统构建

1.1 全断面联合监测技术

全断面监测技术采用分布式光纤-并行电法(后简称“光纤-电法”)联合开展测试。其中，分布式光纤感知技术作为一种新型传感技术，兼具信号测试与传输的优势[36]。其基本原理利用光波在光纤中传播时特征参量(频率、相位、波长等)会随着被测对象影响因素的变化(如压力、温度等)而发生相应的变化[37]。通过建立起环境变量与光纤传感器自身参量之间的函数关系，实现多种变量如应变、温度、振动、位移等的测量与监测(式(1))[38]:

此外，采用并行电法测试技术可完成传统电法的各种测量装置数据采集，获得丰富数据，并能够高效处理数据是该系统的核心[39]。其基本原理通过单点电源供电，剩余电极同时在并行采集电位数据，只需一次测量，即可实现二极、三极等装置的数据处理及反演(式(2))[40-41]:

其中，I为供电电流；U为供电电压；R为接地电阻；a为供电电极半径；ρ为电阻率；G为 Jacobi 矩阵； Δd为观测数据与正演数据计算值的残差向量； Δm为初始模型的修改向量；C为模型光滑矩阵；λ为阻尼因子。原理如图1(b)所示。

图1 测试技术原理示意Fig.1 Schematic diagram of the test technique

1.2 全断面监测系统构建

巨厚松散层监测系统构建的难点主要在于松散层段力学性质与胶结强度同岩石差异大，施工中虽然钻进速度快，但极易出现缩孔、塌孔，这也是导致传统钻孔观测手段，如钻孔电视、测斜仪、分层沉降仪以及多点位移计等难以实施与进行监测的主要原因[42]。尤其是针对研究区超过500 m 的巨厚松散层，内部变形观测的难度进一步增加。光纤-电法联合测试技术优势为实施松散层内部变形监测提供了可能性。

全断面监测系统实施需要综合考虑场地条件、施工工艺、测试技术等方面内容。因此，监测系统构建主要解决以下内容：① 巨厚松散层钻孔成孔工艺；② 监测钻孔裸孔安装；③ 传感单元与钻孔耦合；④ 监测系统构建。以此形成全断面监测系统构建(图2)，全断面监测系统可以实现地面至基岩界面，包括巨厚松散层内部全地层空间，在采动过程中的连续、动态的变形测试。监测系统的构建要素的详细内容，见表1。

表1 全断面监测系统构建要素Table 1 Components of the full-section monitoring system

图2 巨厚松散层全断面监测系统构建Fig.2 Construction of full-section monitoring system for extremely thick loose layer

2 研究区概况

2.1 研究区工程概况

以淮南新集矿区某井田110801 首采工作面为主要研究对象。该工作面上覆地层松散层厚度范围在542(37-1 钻孔)～713 m(28-1 钻孔)，平均厚度为580 m左右，为典型的巨厚松散层结构。工作面内8 煤地层倾角较为平缓，平均倾角为8°；煤厚0.8～3.7 m，埋深689.2～801.4 m。110801 工作面设计走向长1 280 m，倾向宽260 m，采用走向长壁综采法回采，顶板管理为一次采全高垮落法，平均采高为2.2 m。已有研究表明，区内巨厚松散层下煤层开采除了形成大面积塌陷、积水区外，对井筒及工业广场影响尤为严重。

2.2 “四含三隔”地质模型

结合井田地质勘探信息和水文地质资料分析，绘制了110801 工作面附近31-9 钻孔柱状图(图3)。在研究中为了方便相关研究工作开展，根据地层沉积特征，将多个岩性相似、工程物理性质相近的地层，进行归类，结合早期黄淮海平原地层分组情况，构建研究场地4 个含水层组、三隔隔水层组(后简称“四含三隔”)的工程地质模型，地层概况见表2。

表2 研究区工作面附近地层概况Table 2 General situation of strata near the working face in the study area

3 巨厚松散层内部变形机理

随着煤层采出，直接顶岩体向下垮落，上覆岩体形成垮落带、导水裂隙带及弯曲下沉带。这些地层内部的变形最终会传导至地表，导致地表沉陷[43-44]。通常煤层顶板垮落带形成后，直接顶掉落充填采空区，因其兼具碎胀性，故基岩内实际下沉值通常小于采高[45-46]。厚松散层矿区地表实测数据结果，沉陷下沉系数大于1，说明松散层内附加变形是使得下沉值超过采高的主要原因。

研究区巨厚松散层中含隔水层组中三含、四含中均发育有封闭性较好的承压水，采空区上方弯曲变形带的下沉，增加了承压层的水头差。与此同时，弯曲沉自下而上的传递过程，使得四含优先变形，当三隔层位未发生变形时，四含空间增大，而在地下水补给较弱的情况下，难以迅速补充。而稳定承压水形成的条件也是水头高度下降后，能够得到稳定、等势能的补给。在其无法补给的情况下，采动作用造成水头高度下降迅速，就会造成含水层的压缩，如图4 所示。

图4 煤层开采松散层变形示意Fig.4 Deformation diagram of loose layer during coal seam mining

同时，分布于隔水层之间的含水层，在水头高度未发生变化前，对上覆隔水层存在有顶托力，并且，相关研究表明顶托力大小与承压水的水头高度成正比。而采空区的临空面及下沉盆地会导致，含水层水头高度下降，而此时含水层中依然是充满水，但存在地下水降深的降落漏斗。此时平衡状态会被打破，承压水减压。故在上覆土层和承压层的界面处则会产生一个向下的附加作用力(图5)[47]，作用力f为

图5 隔水层界面附加应力分布示意Fig.5 Diagram of additional stress distribution at the interface of the barrier

式中，rw为采空区弯曲步距；Q为变化流量；k为渗透系数；M为含水层厚度；R′为影响半径；r为计算点至采空区下沉中点的径向距离。

研究区地面标高为24～26 m，地下潜水位标高为21～23 m，不同含水层承压水位为15～18 m，而松散层平均厚度为580 m，因此在计算中可以进行简化，认为地下水水位与地表齐平。此时，松散层内部任意一点仅作用自重应力σcz和水平侧向应力与剪应力[48]分别为

式中，γw为水的容重；hw为计算点水头高度。

故松散层内部，煤层未开采前某一点所受竖向总应力σv和侧向总应力σh分别为

式中，u′0为煤层采后松散层内孔隙水压力。

由式(8)、(9)可知，u′0受到地下水位降深影响，较初始孔隙水压力u0减小。土体中的有效应力增加，土体颗粒重新排列，在隔水黏性土层上界面竖向应力也增加，表现出地层的压缩。而隔水黏性土层下方界面受压减小，特别有不稳定矿物成分的黏性土界面容易受到水分影响，会发生渗透压的改变，发生界面释水。而含水层则由于水位下降，含水层上部土体中孔隙中水压力减小，导致含水层土体颗粒的排列更加紧密，进而出现含水砂层体积缩小。故在地层沉降作用影响下，以及含水砂层快速压密情况下，含水砂层上界面会出现短暂的离层。叠加变形作用导致结果为加剧地表沉陷幅值。

4 监测系统原位测试

4.1系统设计与安装

根据该矿的生产计划，本次监测钻孔设计围绕110801 工作面进行布置。由于研究重点为巨厚松散层部分，因此钻孔的设计深度为从地表穿过松散层进入基岩界面后向下延伸30 m 深，主要监测区段位于松散层段。图6 为监测钻孔布置平面示意及安装记录。

监测钻孔内有效感测长度为钻孔安装深度。其中1 号监测钻孔位于工作面终采线附近，4 号监测钻孔位于工业广场附近，与1 号监测钻孔相距1 270 m，2 者区别在于4 号监测钻孔不受开采扰动影响。监测钻孔施工参数见表3。监测钻孔平面位置如图7 所示。

表3 监测钻孔设计及安装参数Table 3 Design and Installation parameters of monitoring boreholes

图7 工程场地监测钻孔平面位置Fig.7 Layout plan of monitoring boreholes at the project site

4.2 数据采集

监测数据采集自钻孔安装并回填完成后进行，待钻孔回填料沉稳结束后，以稳定数据作为背景数据，1号监测孔获得采前715 m 至采后-44.5 m 过程松散层内部变形数据；4 号孔在采动影响区外，用以对比1 号监测孔数据结果。故监测周期内，获得了全地层内部密集的变形数据体，动态反映松散层不同深度的变形发育情况。

现场数据采集，选用了AV6419 光纤解调仪。该设备性能稳定，基于布里渊时域散射技术，进行单端发射与接收，可开展连续数据采集。同时，单端测试也使得在测线出现损伤后，依然可以获得损伤点之后的测试数据。根据监测要求，解调仪空间分辨率设置为1 m，采样间隔设置为0.1 m。此外感测光缆为铠装钢绞线光缆，即使用金属加强件对纤芯进行保护，封装后的光缆直径5 mm，抗拉强度20 kN，其纤芯应变传递系数为0.047 8。巨厚松散层变形过程中兼具地层拉伸与压缩等形变，考虑光缆在使用过程中对拉应变较压应变反映更为敏感，故在定制光缆时须对光缆进行预拉，以保证现场数据采集的准确性及长周期观测需求[51-53]。

4.3 监测数据分析

图8 分别为1 号和4 号监测孔应变分布数据，其中横坐标表示钻孔深度，纵坐标表示累计应变分布曲线。

图8 监测钻孔光纤数据应变分布时程曲线Fig.8 Strain distribution time-history curves of the monitored borehole fiber optic data

数据分析中，应变正值为拉应变，表示对应地层位置发生拉伸；应变负值表示压应变，说明对应地层发生压缩。钻孔测试结果可以观察到在不同深度，钻孔的变形分布并不均匀，并且应变大小也呈现不连续的特点。测试结果表明，全断面监测系统获得极为丰富的动态变化数据，能够反映形变发生位置。由图8(a)测试结果可知，位于工作面回采范围内的1 号监测孔应变分布随工作面推进，在不同深度地层分别发育拉应变与压应变，并且数据变化在煤层采动作用下变形特征明显，其中最大拉应变为10 356×10-6，最大压应变为4 723×10-6，且存在多个拉应变峰值区和压应变峰值区；而处于沉陷影响外围4 号监测孔应变分布相对稳定，其应变变化相对较小，仅在局部地层发育少量拉应变，整体分布以压应变为主，其中最大拉应变仅为485×10-6，最大压应变达到825×10-6(图8(b))。说明煤层采动对沉陷影响的显著性突出，而影响范围之外，松散层几乎不受采动影响。

1 号监测孔应变数据分析可知，工作面开挖前，井田范围内应力状态处于相对平衡状态。工作面开挖形成采空区后，上覆地层会发生移动变形，破坏了井田范围内地层应力平衡状态。在采空区上方形成一个卸压区，以采空区为中心的周边地层就会出现向卸压区转移应力的情况。而松散层介质抗拉强度非常有限，导致局部地层出现较大的拉应变。

结合研究区下水位观测结果，井田区域内三含、四含水位收疏放水影响，出现持续性下降(图9(a))，在监测周期内，四含水位平均降深达到了5.1 m 左右，三含水位平均降深达到4.3 m。由此，进一步分析了1 号监测孔与4 号监测孔累计变形量(图9(b))。根据1 号监测钻孔与4 号监测钻孔对比的累计变形实测数据，说明含水层水位的持续下降会引起松散层内部产生压缩变形，2 者全地层变形趋势基本一致。由于1 号监测孔靠近开采工作面，其变形幅值较4 号监测孔更大，并且在进入开采强扰动期后，4 号监测孔的空间位置远，其在变形时间上滞后于1 号监测孔变形。这也表明，在煤层采动过程中，地下水位变化所引起的地表沉降变形也是其中影响因素。采动影响范围外的地下水位降深也会引发地表沉降，其影响范围更大，相比较采动影响的沉降幅值相对较小。

图9 地下水位变化与监测孔全地层变形量结果Fig.9 Results of groundwater level changes and cumulative deformation amount in monitoring boreholes

4.4 工作面回采松散层内变形与地层对应关系

为了更全面地呈现不同回采位置与相应地层形变之间的关系。在工作面回采过程中，分析了1 号监测钻孔巨厚松散层内部变形分布位置及演化过程。结果展示中约定了相对距离变化的规则：当相对距离为正值时，表示工作面回采位置位于监测钻孔之前；而当相对距离为负值时，表示工作面位置经过监测钻孔位于其后方。其应变空间分布与地层对应关系，如图10 所示。全断面监测钻孔变形位置与地层岩性关系密切，能够较好对应不同含隔水层组岩性组合。

图10 监测钻孔应变分布与地层对应关系Fig.10 Relationship of the distribution of monitored borehole strain and strata

图10 中记录数据范围为回采位置距离监测钻孔之前715.5 m 至经过工作面后44.5 m 过程的数据。根据工作面不同回采位置松散层内变形应变分布与地层对应关系发现，在工作面距离1 号监测孔598.8 m时，四含及三隔层内发育压应变，最大应变-485×10-6；其间相对距离179.7 m 时地层内部变形发育至地面，此时在522.3 m 与249.2 m 发育拉应变峰值；对应31-9 地层柱状图，在对应深度黏性土层内发育压应变，如149.6、389.1、402.5、476.4 m 深度，地层出现强压缩层位，最大压应变达到3 789×10-6。

根据图10 全断面监测系统获得应变分布结果可知，松散层变形发育位置与地层岩性组成关系密切，优先发育在含隔水层界面。由于前文所述“含隔水层组”并非完全单一砂层或黏性土层形成的含水层与隔水层，因此在不同含隔水层中，在采动影响作用下，会发生层组内形变。其变形特征受隔水层附加应力影响，在黏性土层上界面形成层内压缩，如148.5、417.6、482.3、524.7 m 等位置出现明显压应变峰值区分布。结合31-9 柱状图对应岩性特征分析，其中厚黏性土层对于松散层变形表现控制作用，及其在附加应力影响下，形成界面弱化。

综合分析“四含三隔”的含隔水层组中，含水层上界面通常会发育拉应变峰值区，即在采动影响下，含水层水位发生快速降深，含水层与隔水层间发生离层。其原因是由于含水层通常由砂层组成，其孔隙率相对较大，尤其中粗砂介质，水动力条件的改变，含水层的水头压力快速减小，砂土中孔隙水压力也减小，导致有效应力的增加，引发了砂土层的快速压缩。而黏性土界面应力平衡打破，局部地层会界面弱化，出现所述强压缩，其压缩幅值较含水层值更大，最大压缩量为含水砂层最大压缩量的12.8 倍。实测结果表明，黏性土层变形滞后，使得巨厚松散层内部变形表现非整体性移动特征。

5 巨厚松散层内部变形演化特征

5.1 松散层内部变形过程

进一步分析煤层开采对松散层内移动变形的影响关系。以1 号监测钻孔变形数据为例，分别选取了一隔层内61.5、95.4 m；二含层内110.2 m；二隔层内126.6 m；三含层内138.1、261.5、332.4 m；三隔层内398.3、442.5、507.9 m；四含层内545.9、574.3 m 多个特征点进行变化过程分析。其形变结果如图11 所示，图中展示了1 号监测钻孔开挖至挂网收作后60 d 的特征点变形特征。特征点形变数据更加清晰的展示了松散层内部各个含隔水层形变情况。

图11 巨厚松散层内部变形演化过程Fig.11 Deformation process in the extremely thick loose layer

根据图11(a)所示结果，不同深度地层特征点在不同数据采集日期获得的变化表征存在差异，即在不同数据采集日期所对应工作面与1 号监测钻孔相对距离不同的影响下，松散层内不同层位变形启动与变化不同。

工作面回采与监测孔相对距离由远及近，采动影响对前方松散层的影响也表现出由弱及强的特点(图11(b))，可将工作面开采对松散层扰动划分为4 个时期：① 超前影响期，该时期以含水地层变形轻微压缩为主，隔水层保持相对稳定，这种变形主要影响因素为含水层向采空区运移，形成地下水降深变化所导致；② 弱采动影响期，该时期地层变形进一步加剧，地层内含隔水层同时发育，含水层变形幅值和速率较隔水层变形程度更大；③ 强采动影响期，此时工作面回采位置距离1 号监测钻孔272.6 m，该过程中含水层压缩转变为地层拉应变，同时隔水层位也表现拉应变趋势，而含水层拉应变变化为陡升，隔水层变形则变化相对缓慢。强采动影响期内，存在地层大变形，会导致下部光缆逐层损伤断裂；④ 采后沉稳期，工作面回采经过监测钻孔后地层的沉降变形并未完全停止，此时应变分布减小，也会使得早期地层裂隙发育闭合。在采后37 d 后，地层内部变形逐渐平稳。

煤层采动引起上覆地层变形，其中松散层内部形变表现明显非整体变形特征，含隔水层分层变形。既在不同岩性特征下，应变分布及演化趋势不同，会在层内形成应力集中，当其形变超过其承载极限后，松散层出现应力释放，这种变形通常表现地层压缩、拉伸与滑移，进而导致测线的损伤。因此，选择多项式回归分析方法来建立不同特征点变形过程的趋势分析，根据图12 的拟合结果显示，不同深度特征点的R2分 别 达 到 了0.986、0.991、0.914、0.981、0.939、0.965、0.859、0.990、0.982、0.975、0.860 和0.866，说明地层内变形为非线性变形，其中四含地层特征点拟合精度略低，表明采动影响的下部地层非线性变化特征较上部地层更显著。

图12 松散层不同地层变形特征点拟合分析Fig.12 Fitting analysis of deformation characteristic points in different depths of loose layer

5.2 松散层变形传递规律

松散层处于弯曲变形带以上，因此其内部变形会随基岩变形，在四含下部形成向下的直接的弯曲变形，这种直接变形对于砂层而言会引起其内部结构破坏。松散层内部的传递会形成“下沉—拉伸—下沉”动态的变化向前推进，并随着过程改变形不同地层内部形态随之改变。图13 为松散层内部变形动态演化示意图，这种动态演化经历无影响(图13(a))、超前影响层内压缩(图13(b))、影响加剧地层沉陷变形的过程(图13(c))。

图13 松散层内部变形动态演化示意Fig.13 Illustration of the dynamic evolution of internal deformation in loose layers

结合实测数据结果，煤层采动对松散层影响会因为开挖形成内部卸荷空间。当传递至松散层内，由于松散层土体抗拉强度、抗压强度以及抗剪强度都较弱，故在采空区影响范围内发育沉陷形态。其中采空区正上方松散层受沉降盆地影响会向下运移，而变形移动则兼具向下和向盆地中心的水平移动。因此，工作面回采位置的动态变化以及采空区范围的扩大，在地表移动范围线边界外围会表现下部地层的压缩变形。而靠近采空区边界的形变，会出现层内的拉伸和下沉的共同作用。

图14 为工作面在不同回采位置对厚层松散地层的超前影响其的发育形态描述，横坐标包括数据采集测试日期、工作面回采位置以及监测钻孔之间的相对位置，而纵坐标表示监测钻孔的深度。图14 中暖色调代表地层内发生层间移动，而冷色调表示地层经历了压缩。

图14 工作面回采过程中松散层内部变形发育过程及形态Fig.14 Deformation pattern within the loose layer during mining conditions

从图14(a)可以观察到深部地层首先经历了非连续地层压缩与拉伸，其中压缩层位主要分布在松散层下部，并在128、255、407 m 层为存在应力集中，随着工作面的逐步推进，在层内形成相对的连续变化逐层向上传播，形成了“台阶状”发育形态；图14(b)在工作面回采过程中，观察到工作面距监测钻孔越近，钻孔内测线会发生自下而上的损伤现象，反映应力释放(损伤后，进行数据拟合补全)。通过扰动期内地层变形数据，在扰动过程中会形成超前的“反向3 字型”变形形态。“反向3 字型”扰动形态的发育，其形成主要原因为：受含隔水层不同变形速率影响，不同含水层水位除自身变化外，叠加采动影响，沿着最大水力梯度的方向向采空区方向势能低的地方流动，改变了土中的有效应力，进而影响了土体原有的强度和变形，导致地层发生附加沉降。综上，通过应变分布云图清晰地展示，在回采过程中，不同深度的地层对采动扰动的响应特征存在显著差异，含隔水层界面形成了相互交错的压缩—拉伸—稳定的演化过程，这种演化过程与变形机理分析结果具备较好的一致性。

5.3 松散层渗流场演化特征

图15 获得了1 号钻孔全地层地电场数据，展示了工作面与监测钻孔之间相对距离由660.8～180.0 m间视电阻率分布的结果。通过地电场数据，说明了监测孔附近地电场视电阻率主要分布在0～120 Ω·m，其中三含以上地层与四含电阻率分布差异主要受地下水矿化度影响。工作面在不同回采期，松散层内部渗流场会随地下水动力条件改变及采动影响视电阻变化范围5～20 Ω·m，其整体变化相对稳定。一含、二含与地表存在补给关系，视电阻率随二含水位变化出现轻微波动；而三含电阻率后期出现升高，其对应层位发生渗流改变。同时，四含在工作面回采过程中出现电阻率的降低，说明原有含水层水动力条件发生改变，使得地电场结果随之变化。测试结果说明渗流场变化超前与变形场发育，结合分布式光纤测试结果，能够量化地层监测断面松散层内部移动变形时空关系和渗流场变化数据。

图15 并行电法渗流场测试结果Fig.15 Parallel electrical method seepage field test results

6 结 论

(1)构建了“光纤-电法”联合测试的600 m 深度巨厚松散层裸孔全断面监测系统，实现了松散层内部连续变形动态监测。全断面监测系统能够获取煤层采动区域巨厚松散层内部应变、位移信息及监测钻孔周围电阻率变化信息，并对松散层内部变形位置进行准确定位，获得了回采位置与松散层内部变形时空演变关系。

(2)研究表明采动过程中松散层内部变形并非整体移动，在含隔水层界面会优先发生形变。并且其中含水砂层上界面变形速率快，形变通常为突跃形式，且影响范围大；而隔水层黏性土界面形变相对连续，变形持续时间较含水砂层更长，厚黏性土隔水层表现“类关键层”滞后变形特征。同时，表明了黏性土形变是导致沉陷周期边长的主要控制因素。

(3)巨厚松散层内部变形过程表现显著的非线性变化特征。基于工作面回采位置与松散层内部变形时空演变关系，将采动影响对前方松散层扰动过程划分为超前影响期、弱采动影响期、强采动影响期、采后沉稳期四个阶段，并揭示了超前影响变形表现“台阶状”形态与采动影响期的“反向3 字型”移动变形特征。