神東礦區地表移動參數變化規律及影響機制

周婷婷，蘇麗娟，劉 輝，朱曉峻

(1.安徽大學 資源與環境工程學院，安徽 合肥 230601；2.安徽省礦山生態修復工程實驗室，安徽 合肥 230601；3.安徽大學 數學科學學院，安徽 合肥 230601)

我國西部礦區煤炭資源儲量豐富，賦存穩定，地質條件簡單，埋藏淺，基巖薄，煤層厚度大，地表大部覆蓋松散層，工作面推進速度快，屬于典型礦產資源高強度開采區。在該地質采礦條件下，地表下沉更加劇烈，移動變形更為集中，地表塌陷、地裂縫、山體滑移等地表破壞形式明顯。

地表移動變形參數是表征巖層和地表移動規律的重要參數，同時也是礦山生產設計、地表下沉盆地危險移動邊界劃定、地表移動變形預計的基礎數據[1]。針對不同地質采礦條件對地表移動變形參數的影響，國內外學者采用不同方法開展了研究，主要有：①基于現場實測和回歸分析方法的移動參數變化規律研究[2-4]。此類研究主要是結合某一礦區多個地表移動觀測站的實測數據，通過回歸分析建立地表移動角值參數及概率積分法參數與地質采礦條件參數之間的經驗公式。② 基于數值模擬和神經網絡等技術手段的移動參數變化規律研究[5-8]，包括結合FLAC3D、UDEC 數值模擬實驗結果，運用正交實驗法和Matlab 獲得相似地質采礦條件下地表移動變形參數與各地質采礦因素間的綜合函數表達式，以及選取部分地質采礦因素為輸入節點，采用神經網絡模型對大量地表移動觀測站實測數據進行訓練和測試，從而構建地表移動變形參數的解算方法。③建立力學模型反演移動參數[9-10]。此類研究主要是根據礦區開采沉陷實測資料，以巖石力學為基礎，采用彈性力學或有限元法等來反演移動參數進而計算出地表及巖層移動變形值，最后獲得移動變形參數的變化規律。可見對于地表移動變形參數與地質采礦條件之間的關系研究已取得了豐富的理論和實踐成果，但現有研究尚存在以下不足：①不同于常規地質采礦條件，西部礦區特有的淺埋深薄基巖條件下地表移動變形參數與煤層埋藏條件、開采條件和覆巖特性之間的關系尚不明確；② 已有研究指出，開采速度對地表動態變形影響較大，開采速度越快，地表變形越劇烈，但地表移動參數與開采速度和覆巖結構、埋藏條件之間的耦合關系并不明確；③地表移動參數和地質采礦條件之間的定量分析與探討已較為全面，但尚未充分揭示地質采礦條件對地表移動參數的影響機理，尤其是覆巖結構、埋藏條件、工作面尺寸等關鍵因素對地表移動參數的影響等。

筆者基于神東礦區大柳塔礦22201 工作面地表移動觀測站實測數據，獲得淺埋深薄基巖開采條件下的地表移動變形規律；基于神東礦區18 個工作面的開采沉陷數據，分析地質采礦條件對地表移動參數的影響，并探討其影響機理，以期對類似條件下的地表變形預計提供指導。

1 研究區域與數據獲取

神東礦區現為我國最大的地下開采煤礦分布區，地跨晉、陜、蒙三省區，礦區南北長38～90 km，東西寬35～55 km，面積約為3 481 km2，整體產能超過2 億t，擁有大柳塔、補連塔、檸條塔、韓家灣等大型現代化生產礦井累計19 個。

大柳塔礦位于陜北黃土高原北側和毛烏素沙漠東南邊緣，區內大部屬風沙堆積地貌，植被稀疏，溝壑縱橫。大柳塔礦22201 工作面位于井田南二盤區，工作面長643 m，寬349 m，煤層平均采高3.95 m，平均采深72.5 m，煤層傾角1°～3°，屬于近水平穩定型煤層。地表大部為第四系松散層覆蓋，平均厚度12.0 m，煤層基本頂為細砂巖，成分以石英、長石為主。直接頂為粉砂巖，水平層理發育，泥質膠結。基巖主要由粉砂巖、細砂巖和砂質泥巖組成，平均厚度60.5 m，鉆孔柱狀如圖1 所示。工作面采煤方法為傾斜長壁式開采，垮落法管理頂板，推進速度9.6 m/d。

圖1 大柳塔礦22201 工作面鉆孔柱狀圖Fig.1 Drilling diagram of working face 22201 of Daliuta Coal Mine

依據研究區地形地物分布特征、覆巖巖性及煤層賦存條件，在22201 工作面上方地表建立移動觀測站，設置半條走向觀測線(觀測點編號Z1—Z27)和一條傾向觀測線(觀測點編號Q1—Q30)，2 條觀測線相互垂直，觀測點間隔為20 m，布置如圖2 所示。由于該工作面地形起伏較大，常規測量方法難以實施，因此，采用GPS-RTK 技術進行各觀測站點的觀測，含觀測點平面坐標和高程測量以及地裂縫日常觀測，觀測時間自2012 年11 月18 日至2013 年5月2 日，累計觀測14 期，觀測頻率為3 d/次。

圖2 22201 工作面地表觀測站布置Fig.2 Layout of surface observation lines of working face 22201

2 地表動態移動變形規律

2.1 變形特征

根據22201 工作面地表移動觀測站實測數據，分別繪制不同時期工作面地表下沉曲線，如圖3 所示，水平變形曲線如圖4 所示。

圖3 22201 工作面不同時期動態下沉曲線Fig.3 Dynamic sink curves in different time of working face 22201

圖4 22201 工作面不同時期水平變形曲線Fig.4 Horizontal deformation curves in different time of working face 22201

由圖3 可知，走向線最大下沉點為Z4，最大下沉值2 803 mm；傾向線最大下沉點為Q18，最大下沉值2 833 mm。2012 年11 月20 日至11 月29 日地表下沉值變化不大；2012 年11 月29 日至2013 年3月30 日地表下沉值迅速增加，2013 年3 月30 日至5月2 日，下沉值變化較小，地表逐漸形成穩定盆地。在Q19 處，下沉盆地底部出現一個明顯的跳躍，這是由于受溝壑地形影響而造成的地表滑移，凸型地貌處下沉量減小，以該點為中心地表向兩側滑移[11]。

由圖 4 可知，走向線最大水平變形值–41.67 mm/m；傾向線最大水平變形值35.49 mm/m。2012 年11 月20 日至11 月29 日水平變形值變化不大；2012 年11 月29 日至2013 年3 月30 日地表移動變形最為劇烈，2013 年3 月30 日至5 月2 日，地表移動變形量逐漸減小。

由此可見，神東礦區煤層開采地表移動變形具有突然性、劇烈性特征，下沉值急劇增大并很快達到最大值，水平變形在時間維度上較為集中，可在數日內完成大部分，工作面停采后移動變形可在短時間內達到穩定狀態。

2.2 地表下沉速度

地表下沉速度是衡量地表移動變形劇烈程度的重要指標之一，覆巖越軟、推進速度越大、深厚比(采深與采高的比值)越小，則下沉速度越大[12]。22201工作面地表下沉速度曲線如圖5 所示。

圖5 22201 工作面下沉速度曲線Fig.5 Sinking speed curves of surface working face 22201

由圖5 可知，隨著工作面推進，走向和傾向線地表下沉速度均經歷一個由小到大再到小的變化過程，采空區下沉速度較大。走向線地表最大下沉速度點位于Z1，下沉速度為616.0 mm/d，傾向線地表最大下沉速度點位于Q13，下沉速度為643.3 mm/d，由此求得地表最大下沉速度系數K[13]：

式中：Vmax為地表最大下沉速度，mm/d；H0為平均采深，m；C為開采速度，m/d；Wmax為最大下沉量，mm。

由式(1)計算得22201 工作面地表最大下沉速度系數K=1.71。與我國其他礦區相比，該工作面地表最大下沉速度系數較大。主要原因有：①工作面推進速度較快，地表下沉劇烈；② 采區頂板覆巖巖性屬于中硬巖層，而且基巖較薄，采動引起覆巖周期性破斷特征明顯；③地表大部覆蓋風積沙，在自然狀態下風積沙呈顆粒松散狀態，抗拉、抗壓強度較低，覆巖破斷直達地表。

2.3 地表移動變形持續時間

根據開采沉陷理論，地表動態移動變形隨時間發展的過程分為初始期、活躍期和衰退期。地表移動變形持續時間主要與巖石物理力學性質、采深以及工作面推進速度有關[12]。由實測數據可知，22201工作面最大下沉點位于Q18，繪制地表下沉持續時間曲線如圖6 所示。

圖6 22201 工作面地表下沉持續時間Fig.6 Duration of surface movement of working face 22201

由圖6 可知，22201 工作面地表移動持續時間為163 d，其中初始期、活躍期、衰退期地表移動持續時間分別為3、133、27 d，分別占總持續時間的2%、82%、16%。地表總下沉量為2 833 mm，初始期、活躍期、衰退期地表下沉量分別為13、2 806、14 mm，分別占總下沉量的0.46%、99.05%、0.49%。

地表移動時間一般持續1.5～2.5 a，當采深較大、覆巖堅硬時，可持續5～6 a[13]。根據觀測結果顯示，22201 工作面地表移動持續時間非常短，在煤層開采5 個月后地表已達到穩態下沉盆地狀態，活躍階段占總持續時間較長，該階段內下沉量異常集中。

3 地表移動參數變化規律

3.1 地表移動參數求取

地表移動變形預計是開采沉陷治理和“三下”采煤設計的重要依據。在傳統的預計方法中，以概率積分法應用最為廣泛，其具有參數容易確定、實用性強等特點[14]。概率積分法預計參數主要包括下沉系數q、水平移動系數b、主要影響角正切tanβ、拐點偏距s0、開采影響傳播角θ0。根據22201 工作面實測數據求得預計參數：q=0.76、b=0.21、tanβ=1.55、s0=18 m、θ0=88.1°。

地表移動角量參數是確定地下開采對地表影響范圍和影響時間的關鍵參數，主要包括邊界角、移動角和裂縫角等。根據實測數據求得地表移動角量參數：走向邊界角δ0=50.8°、上(下)山邊界角γ0(β0)=51.7°、上(下)山移動角γ(β)=67.3°、走向裂縫角δ"=72.1°。其中，工作面煤層傾角較小，故取上下山邊界角、移動角相等，因22201 工作面后期觀測點數據缺失嚴重，故走向移動角δ無法求取。

3.2 地表移動參數分析

為進一步研究神東礦區地表移動參數變化規律，本文收集了神東礦區18 個工作面的開采沉陷實測數據。一般認為，采區上方的整個上覆巖層由松散層和基巖層2 種不同介質組成，其對地表移動的影響決定于二者之間的雙重作用：一方面，基巖作為下部巖體，最先受到采動影響，其移動變形和破壞決定了松散層的活動特性；另一方面，松散層作為抗彎能力很低的隨機介質覆蓋于基巖之上，不僅對基巖有荷載作用，本身也以流動形式充填基巖下沉空間，最終引起地表下沉[15]。考慮到松散層與基巖層厚度的比例關系決定了煤層上覆巖層的綜合巖性，本文將實測數據按松散層厚度與平均采深的比值為0.07～0.30、0.30～0.55 分成2 個類別，用于分析神東礦區地表移動參數變化規律，見表1。

表1 神東礦區部分礦井基本信息[11,16-32]Table 1 Basic information of some mines in Shendong Mining Area[11,16-32]

3.2.1 東西部礦區地表移動參數對比

我國東部礦區地質結構復雜、煤層埋藏深，常為多煤層開采且具有高潛水位。由于煤層埋藏條件、開采條件及覆巖結構等地質采礦因素的不同，神東礦區地表移動參數具有一些區別于東部礦區的特征，為此，本次收集了東部礦區16 個工作面的地表移動參數，用于東西部礦區地表移動參數對比分析。東部礦區部分礦井地表移動參數見表2，東西部礦區地表移動參數對比見表3。

表2 東部礦區部分礦井地表移動參數[17]Table 2 Surface movement parameters of some mines in eastern mining area[17]

表3 東西部礦區地表移動參數對比Table 3 Comparison of surface movement parameters in eastern and western mining areas

由表3 可知：神東礦區下沉系數較小，東部礦區下沉系數較大，最大值達到1.16；神東礦區與東部礦區水平移動系數、主要影響角正切相近；神東礦區與東部礦區移動角相近，但東部礦區移動角最小值與最大值之間的差值更大，差值可達36.7°；神東礦區與東部礦區相比移動角更小，而裂縫角更大。

3.2.2 概率積分法參數變化規律

通過對表1 中的數據進行回歸分析，獲得神東礦區18 個工作面的地表移動參數與采動程度、平均采深、采高、松散層厚度、基巖厚度以及開采速度之間的關系，概率積分法參數與地質采礦條件參數之間的關系如圖7—圖9 所示。

由圖7 可知，下沉系數與松散層采深比(松散層厚度/平均采深，即h0/H0)之間存在先增大后減小的二次函數關系，當松散層采深比小于0.3 時，下沉系數隨著松散層采深比的增大而增大，其占比每增大10%，下沉系數平均增大0.061 5；當松散層采深比為0.3 時，下沉系數達到最大值0.85；當松散層采深比大于0.30 時，下沉系數隨著松散層采深比的增大而減小，其占比每增大10%，下沉系數平均減小0.086 1。

圖7 下沉系數q 與松散層采深比h0/H0 的關系Fig.7 Correlation of q and h0/H0

由圖8 可知：水平移動系數與MC/[(D/H0)h]之間存在先減小后增大的二次函數關系，當MC/[(D/H0)h]小于0.13 時，水平移動系數隨著MC/[(D/H0)h]的增大而減小，其值每增大10%，水平移動系數平均減小0.242 0；當MC/[(D/H0)h]為0.13 時，水平移動系數達到最小值0.21；當MC/[(D/H0)h]大于0.13 時，主要影響角正切隨MC/[(D/H0)h]的增大而增大，其值每增大10%，水平移動系數平均增大0.136 6。

圖8 b 與MC/[(D/H0)h]的關系Fig.8 Correlation of b and MC/[(D/H0h)]

由圖9 可知：主要影響角正切與hC/(H0M)之間存在先減小后增大的二次函數關系，當hC/(H0M)小于1.66 時，主要影響角正切隨著hC/(H0M)的增大而減小，hC/(H0M)每增大10%，主要影響角正切平均減小0.106 5；當hC/(H0M)為1.66 時，主要影響角正切達到最小值1.52；當hC/(H0M)大于1.66 時，主要影響角正切隨著hC/(H0M)的增大而增大，hC/(H0M)每增大10%，主要影響角正切平均增大0.056 1。

圖9 tanβ 與hC/(H0M)的關系Fig.9 Correlation of tanβ and hC/(H0M)

3.2.3 地表移動角值參數變化規律

邊界角、移動角、裂縫角與地質采礦條件參數之間的關系如圖10—圖12 所示。

由圖10 可知：邊界角與松散層采深比之間呈正線性關系，松散層采深比越大，邊界角越大；松散層采深比每增大 10%，走向邊界角平均增大2.998 8°，上(下)邊界角平均增大2.699 4°。

圖10 邊界角與h0/H0 的關系Fig.10 Correlation of boundary angle and h0/H0

由圖11 可知：移動角與基巖采深比(基巖厚度/平均采深，即h/H0)成正比，與采高、開采速度成反比，基巖采深比越小，采高、開采速度越大，移動角越小；MC/(h/H0)每增大10%，走向移動角平均減小0.011 0°，上(下)移動角平均減小0.012 9°。

由圖12 可知：裂縫角與松散層采深比之間存在正線性關系，松散層采深比越大，走向裂縫角越大，松散層采深比每增大10%，走向裂縫角平均增大2.936 9°。

圖12 裂縫角與h0/H0 的關系Fig.12 Correlation of crack angle and h0/H0

4 地質采礦條件對地表移動參數的影響機理分析

煤炭資源開采引起的地表變形是地下采空引起覆巖整體破壞而在地表呈現為沉陷盆地的一種地質災害。地表移動變形由松散層變形和基巖變形2 部分組成，松散層力學性質與基巖不同，松散層結構松散，抗變形能力和抗剪切強度低，一般只發生彎曲下沉，基本不會產生碎脹或離層，呈整體下沉模式；基巖層巖性較硬，抗拉、抗壓能力強，基巖在開采沉陷過程中能起到較好的控制作用[33]。地表移動參數是下沉盆地形態的定量描述，不同埋深、采高、基巖厚度、松散層厚度、采動程度、覆巖特性等地質采礦條件下，地表移動參數差異性較大。對于神東礦區而言，其影響主要表現在以下方面：

1) 地表移動變形普遍呈現沉陷速度快、初始期和衰退期短、活躍期移動變形集中等特征，主要是由于煤層埋藏淺、采高大、開采速度快等原因造成。煤炭開采技術的進步造成規模機械化綜合采煤技術的廣泛應用。機械化高速開采使上覆巖層整體破斷，引起地表快速沉陷、快速穩定；在此開采條件下，多數煤層淺埋礦區的導水裂隙帶將發育至地表，彎曲下沉帶消失，地表的下沉盆地范圍變小。

2) 概率積分法主要參數下沉系數、水平移動系數、主要影響角正切主要受松散層厚度、基巖厚度、采動程度、平均采深、采高和開采速度的影響。

開采沉陷由采空區向上傳遞過程中，與基巖相比，由于松散層物理力學強度較弱，松散層在上覆巖層中的占比越大，作用在基巖上的荷載越大，地表下沉量越大；但當松散層厚度或占比足夠大時，覆巖在移動過程中可形成松散層拱，反而減小地表移動變形[34-35]。如圖7 所示：當h0/H0＜0.3 時，難以形成松散層拱，松散層占比越大，基巖承受荷載越大，下沉系數則越大；當h0/H0＞0.3 時，形成松散層拱，松散層占比越大，拱的效應越明顯，地表下沉系數越小。

水平移動系數受基巖厚度、采動程度、采高和開采速度的耦合影響。一方面，松散層的壓縮特性使地表水平移動范圍增大[36]，故水平移動系數隨松散層厚度增大、基巖厚度減小而增大；另一方面，采動程度越大、采高越大、開采速度越快，上覆巖層破壞程度越大，地表移動變形也越大[36]，故水平移動系數隨采動程度、采高和開采速度的增大而增大。如圖8 所示：當MC/[(D/H0)h]＜0.13 時，水平移動數據隨著MC/[(D/H0)h]的增大而減小；當MC/[(D/H0)h]＞0.13 時，水平移動數據隨MC/[(D/H0)h]增大而增大。

主要影響角正切受基巖厚度、平均采深、采高和開采速度的耦合影響。首先，松散層較基巖層變形連續性更強且傳播范圍更廣，使地表移動范圍擴大，故主要影響角正切隨松散層采深比增大、基巖采深比減小而減小；其次，采高越大，采空區上覆巖層破斷后回轉及下沉空間越大，上覆巖層就越難保持相對穩定的整體結構，更易發生變形和破斷，導致垮落帶、導水裂隙帶發育高度增大，離層裂隙加大，地表沉降范圍擴大[37]，故主要影響角正切隨采高的增大而減小；最后，開采速度越快，上覆巖層破壞程度越大，地表下沉盆地范圍越大，因此，主要影響角正切隨開采速度的增大而減小。如圖9所示：當hC/(H0M)＜1.66 時，主要影響角正切隨著hC/(H0M)的增大而減小；當hC/(H0M)＞1.66 時，主要影響角正切隨hC/(H0M)的增大而增大。

3) 地表移動角值參數主要受松散層厚度、基巖厚度、平均采深、采高和開采速度的影響。

①邊界角與松散層采深比成正比。與東部礦區黏性土不同，神東礦區土質一般為砂土和粉土，其黏聚力更小，對地表下沉邊界的擴散作用有限，當松散層占比越大時，基巖承受荷載越大，從而縮小了離層間距和碎脹程度，故地表移動盆地邊緣下沉曲線收斂速度加快，邊界角增大。

② 移動角與基巖采深比成正比，與采高、開采速度成反比。隨著基巖在覆巖層中所占比例的增加，井下巖層垮斷后懸頂距增大，地表3 個臨界變形位置越偏向采空區一側，移動角越大；采高越大、開采速度越快，地表移動變形值越大，移動過程劇烈，移動范圍增大，巖層移動角減小[7]。

③裂縫角與松散層采深比成反比。對于西部淺埋煤層，基巖破碎會導致地裂縫的產生，基巖厚度與采高的比值是淺埋煤層開采地裂縫形成的關鍵因素[38]。隨著松散層在上覆巖層中所占比例的減小，基巖層所占比例的增大，覆巖層抗拉伸能力增強，阻滯了裂縫的擴張，故地表裂縫角逐漸減小。

5 結論

a.神東礦區煤層開采主要呈現出地表沉陷速度快、活躍期移動變形量集中、衰退期短等特點，最大下沉速度達643.3 mm/d，活躍期下沉量占總下沉量的99%；與東部礦區相比，神東礦區下沉系數偏小、移動角偏小、裂縫角偏大。

b.下沉系數與松散層采深比之間呈先增大后減小的二次函數關系，受基巖承載松散層荷載和松散層拱效應的影響；水平移動系數和主要影響角正切分別與(采高×開采速度)/(寬深比×基巖厚度)、(基巖厚度×開采速度)/(采深×采高)之間呈先減小后增大的二次函數關系，受煤層賦存條件、開采條件及覆巖結構的耦合影響。

c.邊界角、裂縫角與松散層采深比呈正線性關系；移動角與基巖采深比成正比，與采高、開采速度成反比。地表移動角值參數主要受覆巖和表土結構影響，松散層采深比越大，邊界角越大，裂縫角越大，移動角越小。

d.對于神東礦區，松散層和基巖厚度的占比關系決定2 種不同介質在地表變形中的力學響應，從而影響地表移動參數的變化。基巖承載松散層荷載及松散層拱效應的變化是導致地表移動參數變化的根本原因。