采空區(qū)地表沉降變形規(guī)律研究

王亞林，鄭周

采空區(qū)地表沉降變形規(guī)律研究

王亞林，鄭周

（江蘇省第二地質(zhì)工程勘察院，江蘇 徐州 221000）

通過(guò)理論分析、采空區(qū)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)以及灰色模型模擬方法的結(jié)合，對(duì)張雙樓煤礦采空區(qū)上方的光伏發(fā)電項(xiàng)目沉降變形進(jìn)行分析研究，發(fā)現(xiàn)地表移動(dòng)形變的延續(xù)時(shí)間與地表整體的不均勻沉降具有相當(dāng)密切的聯(lián)系，利用灰色模型理論對(duì)未來(lái)沉降量模擬預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)結(jié)果較好，有助于更好地服務(wù)指導(dǎo)礦區(qū)的開(kāi)采、采空區(qū)域的二次開(kāi)發(fā)、沉陷災(zāi)害控制與環(huán)境保護(hù)等，并為相似條件下的礦區(qū)的發(fā)展和保護(hù)提供一定的參考。

灰色模型；移動(dòng)形變；延續(xù)時(shí)間；沉降

一光伏發(fā)電項(xiàng)目位于位于徐州礦務(wù)集團(tuán)張雙樓煤礦采空區(qū)上方，地下煤層開(kāi)采后，地表發(fā)生了較為明顯的移動(dòng)變形，主要表現(xiàn)為整體沉降下的局部不均勻連續(xù)沉降，未出現(xiàn)塌陷坑、地裂縫、臺(tái)階等非連續(xù)變形現(xiàn)象[1]。分析研究該采空區(qū)地表變形的特征，以及局部不均勻連續(xù)沉降對(duì)光伏發(fā)電運(yùn)營(yíng)的影響程度，有助于更好地指導(dǎo)礦區(qū)的開(kāi)采、采空區(qū)的二次開(kāi)發(fā)利用、沉陷災(zāi)害控制與環(huán)境保護(hù)等[2]。

1 地表沉降觀測(cè)點(diǎn)的布置

礦區(qū)平面如圖1所示。由資料可知，張雙樓礦區(qū)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(lái)采空影響區(qū)域內(nèi)共埋設(shè)沉降觀測(cè)點(diǎn)375個(gè)，一期238個(gè)全部位于7煤工作面上方，二期137個(gè)部分位于7煤、9煤工作面上方。實(shí)際觀測(cè)點(diǎn)布置如圖所示，進(jìn)行了18個(gè)月的沉降觀測(cè)，共計(jì)8期，并在礦區(qū)后續(xù)開(kāi)采過(guò)程中會(huì)對(duì)沉降點(diǎn)持續(xù)測(cè)量。

圖1 礦區(qū)平面示意圖

監(jiān)測(cè)點(diǎn)均勻分布在采空區(qū)影響的光伏發(fā)電項(xiàng)目區(qū)域內(nèi)，對(duì)于項(xiàng)目區(qū)域內(nèi)的地表的變化情況能較為直觀地表現(xiàn)出來(lái)。

通過(guò)對(duì)均勻分布的檢測(cè)點(diǎn)的沉降觀測(cè)，可以較為全面地掌握區(qū)域內(nèi)地表移動(dòng)變形情況：一期觀測(cè)點(diǎn)中累計(jì)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(cè)點(diǎn)中累計(jì)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(shè)標(biāo)準(zhǔn)DGJ32-J18—2006《建筑物沉降觀測(cè)方法》規(guī)范規(guī)定的平均沉降速率小于等于0.04 mm/d的穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)[3]。

2 地表沉降預(yù)測(cè)及分析

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

采空區(qū)的埋深決定著采空區(qū)地面變形穩(wěn)定時(shí)間，一般可分為三個(gè)階段：初始期是地表移動(dòng)盆地主斷面出現(xiàn)下沉 10 mm時(shí)；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(rèn)為是活躍期；在連續(xù)6個(gè)月下沉值不超過(guò)30 mm時(shí)認(rèn)為地表移動(dòng)期結(jié)束為衰退期，從地表移動(dòng)期開(kāi)始到結(jié)束的整個(gè)時(shí)間稱為地表移動(dòng)的持續(xù)時(shí)間。

根據(jù)《煤礦采空區(qū)巖土工程勘察規(guī)范》中的理論，可以推算出項(xiàng)目區(qū)域內(nèi)地表形變的大概延續(xù)時(shí)間：

式（1）中：為移動(dòng)盆地內(nèi)某一區(qū)域穩(wěn)定所需的時(shí)間，d；0為平均開(kāi)采深度，m。

穩(wěn)定時(shí)間為1 470～1 822 d，即采空區(qū)引起的地表移動(dòng)延續(xù)時(shí)間為4.0～5.0年。

2.1 項(xiàng)目區(qū)域內(nèi)整體地表移動(dòng)變形預(yù)測(cè)

項(xiàng)目區(qū)域內(nèi)地表移動(dòng)變形的最主要原因是地下煤層被開(kāi)采后形成了采空區(qū)，采空區(qū)上覆及周圍巖體失去原有的平衡狀態(tài)，引發(fā)地表移動(dòng)、變形以至破壞[4-6]。目前，變形影響區(qū)域范圍內(nèi)的7煤已基本開(kāi)采完畢，9煤正在開(kāi)采中，未來(lái)尚可能繼續(xù)開(kāi)采17煤、21煤。采空區(qū)引起的地表移動(dòng)變形延續(xù)時(shí)間為4.0～5.0年。

從開(kāi)采時(shí)間劃分，項(xiàng)目區(qū)域內(nèi)采空區(qū)有老采空區(qū)、新采空區(qū)、未來(lái)采空區(qū)三種形式，因此，項(xiàng)目區(qū)域范圍內(nèi)地表變形量有“動(dòng)態(tài)”變化的特點(diǎn)，當(dāng)大規(guī)模開(kāi)采9煤、17煤、21煤時(shí)，在地表移動(dòng)變形的活躍期內(nèi)，可能造成的地表沉降速率相對(duì)較大，對(duì)項(xiàng)目區(qū)域內(nèi)某些單體建筑及固定式光伏板陣列的影響程度較大。

根據(jù)采空區(qū)地表變形理論，在煤層埋深較大、采深采厚比（/）>30時(shí)，地面變形一般為連續(xù)變形，不會(huì)出現(xiàn)塌陷坑、裂縫、臺(tái)階等急劇變形，對(duì)地面建筑的危害程度較輕。由于該礦區(qū)可開(kāi)采煤層埋深大于500 m，且采深采厚比大于100，根據(jù)采空區(qū)地表變形理論及前期地表變形觀測(cè)，預(yù)計(jì)本項(xiàng)目場(chǎng)地以后地表變形仍會(huì)以連續(xù)變形為主，表現(xiàn)形式主要為地表整體的不均勻沉降，單體建筑或單個(gè)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(bǔ)或加固的方法較為簡(jiǎn)單，易于處理[7]。

礦區(qū)的9煤開(kāi)采于2014—2016年，上方是光伏發(fā)電項(xiàng)目二期所在區(qū)域，沉降監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)顯示在觀測(cè)期內(nèi)采空區(qū)對(duì)光伏發(fā)電項(xiàng)目中的固定式光伏陣列的影響程度較輕，觀測(cè)點(diǎn)中累計(jì)最大沉降值小于一期沉降量。同時(shí)根據(jù)徐州地區(qū)龐莊礦、董莊礦等情況類似的各煤礦典型工作面觀測(cè)站地表移動(dòng)實(shí)測(cè)參數(shù)，來(lái)預(yù)估未來(lái)采空區(qū)影響范圍內(nèi)的地表整體沉降情況。徐州地區(qū)煤礦典型工作面地表移動(dòng)參數(shù)如表1所示。

表1 徐州地區(qū)煤礦典型工作面地表移動(dòng)參數(shù)

觀測(cè)站邊界角/o移動(dòng)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(quán)臺(tái)礦110—5442.543.8—53.554.5—7164

當(dāng)本項(xiàng)目區(qū)域內(nèi)地面沉降持續(xù)進(jìn)行，特別是未來(lái)大規(guī)模開(kāi)采17煤、21煤后，造成的整體地面較為均勻的下沉，累計(jì)沉降量可能會(huì)達(dá)到3～4 m，使得一定范圍內(nèi)的地勢(shì)變得低洼，地表大量積水。

2.2 項(xiàng)目區(qū)域內(nèi)各部位地基不均勻沉降預(yù)測(cè)

在整體沉降區(qū)域內(nèi)同樣會(huì)發(fā)生局部不均勻沉降，Verhulst模型主要用來(lái)描述具有飽和狀態(tài)的過(guò)程，標(biāo)準(zhǔn)的Verhulst模型曲線呈現(xiàn)“S”形，在采空區(qū)地表沉降方面反映了從開(kāi)始沉降、沉降加速期最終趨于穩(wěn)定的一個(gè)過(guò)程，所以在Verhulst模型的理論基礎(chǔ)上，綜合礦場(chǎng)地表移動(dòng)參數(shù)及整體沉降規(guī)律，對(duì)地表的不均勻沉降進(jìn)行預(yù)測(cè)[8]。

將參數(shù)、代入模型的白化方程，求得模型的解為：

則灰色Verhulst模型的時(shí)間響應(yīng)序列為：

最終預(yù)測(cè)值為：

選取區(qū)域內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)中沉降量最大的3個(gè)沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為樣本，用來(lái)預(yù)測(cè)其未來(lái)2期的沉降量，并以后續(xù)的沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)驗(yàn)證預(yù)測(cè)是否可靠[9-11]。監(jiān)測(cè)點(diǎn)中沉降量最大的沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)中沉降量最大的沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

期數(shù)累計(jì)沉降量/ mm 187號(hào)78號(hào)220號(hào) 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(jiān)測(cè)點(diǎn)在選取的觀測(cè)期內(nèi)的總共沉降量分別為27.36 mm 和24.55 mm。根據(jù)表2中的兩監(jiān)測(cè)點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)所繪制的累計(jì)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(dòng)延續(xù)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)4～5年，導(dǎo)致監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)年內(nèi)仍處于沉降加速期，最終趨于穩(wěn)定。因此，采用灰色Verhulst模型對(duì)沉降加速期內(nèi)的未來(lái)2期沉降量預(yù)測(cè)較為合理。

2.3 模型預(yù)測(cè)的精度分析

利用灰色Verhulst模型分析監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降數(shù)據(jù)，并使用MATLAB 2014a軟件編程對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降量進(jìn)行預(yù)測(cè)，結(jié)果如表3所示。

灰色Verhulst模型與實(shí)際測(cè)量的數(shù)據(jù)值擬合較好，未來(lái)兩期預(yù)測(cè)值相對(duì)誤差最大為﹣6.8%，最小相對(duì)誤差為0.9%，且預(yù)測(cè)期數(shù)越大，預(yù)測(cè)精度可以提高，與實(shí)際測(cè)量值約越近；其中實(shí)測(cè)值由于受地形、測(cè)量環(huán)境等多種因素影響，局部點(diǎn)出現(xiàn)跳躍屬于正常，但從總體上看，局部出現(xiàn)奇異點(diǎn)，理論值與實(shí)測(cè)值的下沉趨勢(shì)基本一致，預(yù)測(cè)結(jié)果較為可靠。

圖2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)累計(jì)沉降量曲線

表3 預(yù)測(cè)結(jié)果及誤差

點(diǎn)號(hào)精度分析 8期預(yù)測(cè)值實(shí)測(cè)值誤差/（%）9期預(yù)測(cè)值實(shí)測(cè)值誤差/（%） 187號(hào)30.7629.265.136.5038.02﹣4.0 78號(hào)25.8227.72﹣6.828.3028.050.9 220號(hào)24.4225.68﹣4.928.4129.21﹣2.8

3 結(jié)論

經(jīng)過(guò)對(duì)礦區(qū)的分析計(jì)算可以得到采空區(qū)地面變形穩(wěn)定時(shí)間為1 470～1 822 d，即采空區(qū)引起的地表移動(dòng)延續(xù)時(shí)間為4.0～5.0年。在后續(xù)大規(guī)模開(kāi)采深度更大的17煤、21煤后，礦區(qū)地面整體會(huì)存在較為均勻的變形沉降（局部發(fā)生不均勻沉降），累計(jì)沉降量可能會(huì)達(dá)到3～4 m，采空區(qū)地勢(shì)變得低洼，地表將會(huì)大量積水。

灰色Verhulst模型所描述的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)發(fā)展規(guī)律與給采空區(qū)的沉降過(guò)程極為相似，且3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)值擬合較好，理論值與實(shí)測(cè)值的下沉趨勢(shì)基本一致，未來(lái)兩期預(yù)測(cè)值相對(duì)誤差最大為﹣6.8%，最小相對(duì)誤差為0.9%，預(yù)測(cè)精度較為理想，預(yù)測(cè)結(jié)果較為可靠，可以為采空區(qū)地表移動(dòng)變形的處理措施提供相應(yīng)的依據(jù)。

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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(yè)于中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，學(xué)士學(xué)位，工程師，主要從事地質(zhì)勘察、地質(zhì)災(zāi)害評(píng)估工作。

〔編輯：張思楠〕