采空區地表沉降變形規律研究

王亞林，鄭周

采空區地表沉降變形規律研究

王亞林，鄭周

（江蘇省第二地質工程勘察院，江蘇 徐州 221000）

通過理論分析、采空區實測數據以及灰色模型模擬方法的結合，對張雙樓煤礦采空區上方的光伏發電項目沉降變形進行分析研究，發現地表移動形變的延續時間與地表整體的不均勻沉降具有相當密切的聯系，利用灰色模型理論對未來沉降量模擬預測，預測結果較好，有助于更好地服務指導礦區的開采、采空區域的二次開發、沉陷災害控制與環境保護等，并為相似條件下的礦區的發展和保護提供一定的參考。

灰色模型；移動形變；延續時間；沉降

一光伏發電項目位于位于徐州礦務集團張雙樓煤礦采空區上方，地下煤層開采后，地表發生了較為明顯的移動變形，主要表現為整體沉降下的局部不均勻連續沉降，未出現塌陷坑、地裂縫、臺階等非連續變形現象[1]。分析研究該采空區地表變形的特征，以及局部不均勻連續沉降對光伏發電運營的影響程度，有助于更好地指導礦區的開采、采空區的二次開發利用、沉陷災害控制與環境保護等[2]。

1 地表沉降觀測點的布置

礦區平面如圖1所示。由資料可知，張雙樓礦區煤層賦存于二疊系山西組和石炭系太原組，其中可采煤層為4層，分別為7煤、9煤、17煤和21煤，傾角范圍15°～33°，基本屬于緩傾斜煤層。在采空和未來采空影響區域內共埋設沉降觀測點375個，一期238個全部位于7煤工作面上方，二期137個部分位于7煤、9煤工作面上方。實際觀測點布置如圖所示，進行了18個月的沉降觀測，共計8期，并在礦區后續開采過程中會對沉降點持續測量。

圖1 礦區平面示意圖

監測點均勻分布在采空區影響的光伏發電項目區域內，對于項目區域內的地表的變化情況能較為直觀地表現出來。

通過對均勻分布的檢測點的沉降觀測，可以較為全面地掌握區域內地表移動變形情況：一期觀測點中累計最大沉降值為27.36 mm，最小沉降值為3.01 mm，最大下沉速度為0.104 mm/d，平均下沉速度0.027 mm/d；二期觀測點中累計最大沉降值為20.09 mm，最小沉降值為2.38 mm，最大下沉速度為0.070 mm/d，平均下沉速度0.024 mm/d。平均沉降速率符合江蘇省工程建設標準DGJ32-J18—2006《建筑物沉降觀測方法》規范規定的平均沉降速率小于等于0.04 mm/d的穩定標準[3]。

2 地表沉降預測及分析

光伏發電項目場地下方煤礦已開采煤層為7煤和9煤，采煤方法采用走向長臂陷落法，頂板管理方式采用自然冒落法，礦井開采以綜采、綜放為主，輔以炮采。7煤最早開采于1988年，最遲開采于2014年，項目場地及周邊的7煤已基本開采結束，屬于老采空區；9煤最早開采于2002年，目前尚繼續開采中，屬于新采空區。

采空區的埋深決定著采空區地面變形穩定時間，一般可分為三個階段：初始期是地表移動盆地主斷面出現下沉 10 mm時；地表下沉速度大于50 mm/月（煤層傾角≤45°）或地表下沉速度大于30 mm/月（煤層傾角＞45°），可認為是活躍期；在連續6個月下沉值不超過30 mm時認為地表移動期結束為衰退期，從地表移動期開始到結束的整個時間稱為地表移動的持續時間。

根據《煤礦采空區巖土工程勘察規范》中的理論，可以推算出項目區域內地表形變的大概延續時間：

式（1）中：為移動盆地內某一區域穩定所需的時間，d；0為平均開采深度，m。

穩定時間為1 470～1 822 d，即采空區引起的地表移動延續時間為4.0～5.0年。

2.1 項目區域內整體地表移動變形預測

項目區域內地表移動變形的最主要原因是地下煤層被開采后形成了采空區，采空區上覆及周圍巖體失去原有的平衡狀態，引發地表移動、變形以至破壞[4-6]。目前，變形影響區域范圍內的7煤已基本開采完畢，9煤正在開采中，未來尚可能繼續開采17煤、21煤。采空區引起的地表移動變形延續時間為4.0～5.0年。

從開采時間劃分，項目區域內采空區有老采空區、新采空區、未來采空區三種形式，因此，項目區域范圍內地表變形量有“動態”變化的特點，當大規模開采9煤、17煤、21煤時，在地表移動變形的活躍期內，可能造成的地表沉降速率相對較大，對項目區域內某些單體建筑及固定式光伏板陣列的影響程度較大。

根據采空區地表變形理論，在煤層埋深較大、采深采厚比（/）>30時，地面變形一般為連續變形，不會出現塌陷坑、裂縫、臺階等急劇變形，對地面建筑的危害程度較輕。由于該礦區可開采煤層埋深大于500 m，且采深采厚比大于100，根據采空區地表變形理論及前期地表變形觀測，預計本項目場地以后地表變形仍會以連續變形為主，表現形式主要為地表整體的不均勻沉降，單體建筑或單個固定式光伏陣列的下沉值相差較小，損害程度較輕，后期修補或加固的方法較為簡單，易于處理[7]。

礦區的9煤開采于2014—2016年，上方是光伏發電項目二期所在區域，沉降監測的數據顯示在觀測期內采空區對光伏發電項目中的固定式光伏陣列的影響程度較輕，觀測點中累計最大沉降值小于一期沉降量。同時根據徐州地區龐莊礦、董莊礦等情況類似的各煤礦典型工作面觀測站地表移動實測參數，來預估未來采空區影響范圍內的地表整體沉降情況。徐州地區煤礦典型工作面地表移動參數如表1所示。

表1 徐州地區煤礦典型工作面地表移動參數

觀測站邊界角/o移動角/o裂縫角/o δ0γ0β0φδγβδ"γ"β" 龐莊礦50253.15454457778.565.57381.573 韓橋礦755—66.556.543.8—71708078.583 董莊礦10760404543.8755856.3757869 董莊礦10754412643.871.555.551.8788361.5 權臺礦110—5442.543.8—53.554.5—7164

當本項目區域內地面沉降持續進行，特別是未來大規模開采17煤、21煤后，造成的整體地面較為均勻的下沉，累計沉降量可能會達到3～4 m，使得一定范圍內的地勢變得低洼，地表大量積水。

2.2 項目區域內各部位地基不均勻沉降預測

在整體沉降區域內同樣會發生局部不均勻沉降，Verhulst模型主要用來描述具有飽和狀態的過程，標準的Verhulst模型曲線呈現“S”形，在采空區地表沉降方面反映了從開始沉降、沉降加速期最終趨于穩定的一個過程，所以在Verhulst模型的理論基礎上，綜合礦場地表移動參數及整體沉降規律，對地表的不均勻沉降進行預測[8]。

將參數、代入模型的白化方程，求得模型的解為：

則灰色Verhulst模型的時間響應序列為：

最終預測值為：

選取區域內監測點中沉降量最大的3個沉降監測數據為樣本，用來預測其未來2期的沉降量，并以后續的沉降觀測數據來驗證預測是否可靠[9-11]。監測點中沉降量最大的沉降監測數據如表2所示。

表2 監測點中沉降量最大的沉降監測數據

期數累計沉降量/ mm 187號78號220號 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#監測點在選取的觀測期內的總共沉降量分別為27.36 mm 和24.55 mm。根據表2中的兩監測點觀測數據所繪制的累計沉降量曲線如圖2所示，可看出沉降速率緩緩提高，由于地表移動延續時間長達4～5年，導致監測點數年內仍處于沉降加速期，最終趨于穩定。因此，采用灰色Verhulst模型對沉降加速期內的未來2期沉降量預測較為合理。

2.3 模型預測的精度分析

利用灰色Verhulst模型分析監測點的沉降數據，并使用MATLAB 2014a軟件編程對監測點的沉降量進行預測，結果如表3所示。

灰色Verhulst模型與實際測量的數據值擬合較好，未來兩期預測值相對誤差最大為﹣6.8%，最小相對誤差為0.9%，且預測期數越大，預測精度可以提高，與實際測量值約越近；其中實測值由于受地形、測量環境等多種因素影響，局部點出現跳躍屬于正常，但從總體上看，局部出現奇異點，理論值與實測值的下沉趨勢基本一致，預測結果較為可靠。

圖2 監測點累計沉降量曲線

表3 預測結果及誤差

點號精度分析 8期預測值實測值誤差/（%）9期預測值實測值誤差/（%） 187號30.7629.265.136.5038.02﹣4.0 78號25.8227.72﹣6.828.3028.050.9 220號24.4225.68﹣4.928.4129.21﹣2.8

3 結論

經過對礦區的分析計算可以得到采空區地面變形穩定時間為1 470～1 822 d，即采空區引起的地表移動延續時間為4.0～5.0年。在后續大規模開采深度更大的17煤、21煤后，礦區地面整體會存在較為均勻的變形沉降（局部發生不均勻沉降），累計沉降量可能會達到3～4 m，采空區地勢變得低洼，地表將會大量積水。

灰色Verhulst模型所描述的系統動態發展規律與給采空區的沉降過程極為相似，且3個監測點的實測數據值擬合較好，理論值與實測值的下沉趨勢基本一致，未來兩期預測值相對誤差最大為﹣6.8%，最小相對誤差為0.9%，預測精度較為理想，預測結果較為可靠，可以為采空區地表移動變形的處理措施提供相應的依據。

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2095－6835（2021）06－0035－03

TU196

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2021.06.011

王亞林（1987—），女，畢業于中國礦業大學，學士學位，工程師，主要從事地質勘察、地質災害評估工作。

〔編輯：張思楠〕