風沙灘地區中深埋厚煤層綜采地表移動變形規律實測研究

謝曉深，侯恩科，王雙明，劉 峰，謝永利，陳 真，馬 越，白 坤

（1.西安科技大學地質與環境學院，陜西西安 710054；2.陜西省煤炭綠色開發地質保障重點實驗室，陜西西安 710054；3.陜西省一八五煤田地質有限公司，陜西榆林 719000；4.陜西小保當礦業有限公司，陜西榆林 719302）

近年來，隨著東部煤炭資源的逐漸枯竭，煤炭戰略中心逐漸西移，陜西成為煤炭開發利用的1 個“主場”[1-3]。榆神礦區是陜北1 個重要的煤炭開發利用基地，開采強度高，規模大。但該地區年平均降雨量相對較小，生態環境相對脆弱[4-8]。

煤炭開采勢必會打破圍巖原有的應力平衡，致使地表發生沉陷，產生地表裂縫，進而對水資源、植被等生態環境因子造成負面影響[9]。目前，榆神礦區內淺埋深煤層是開發利用的主要對象，且區內有黃土溝壑和風沙灘地2 種地貌類型，因此吸引了眾多學者在此開展有關地表移動變形方面研究。趙兵朝等通過分析地表移動變形監測數據揭示了黃土溝壑區淺埋多煤層開采地表移動變形規律，提出了附加斜坡變形在內的適宜黃土溝壑區的采煤沉陷量計算方法[10]；侯恩科等對比無人機航拍影像和衛星遙感影像在采動地表裂縫識別的優缺點，并提出了基于無人機遙感影像的采煤沉陷量計算方法[11-12]；范立民等利用分形理論對工作面回采誘發的地表裂縫空間規律進行了統計分析，揭示了不同位置區域的地表裂縫發育特征，提出了西部高強度采煤區礦山地質災害防控技術[13]；胡振琪等揭示了補連塔12406 工作面的地表移動變形特征，采動地表裂縫超前發育且超前距與回采進尺有明顯的正相關關系，并伴有“M”型動態規律[14]；侯恩科等通過現場實測和相似模擬實驗揭示了溝谷區不同位置的地表裂縫動態發育規律[15-16]；郭文兵等通過地表移動觀測揭示了淺埋厚煤層高強度開采地表移動規律，求取了移動參數[17]；余學義等利用數值模擬軟件揭示黃土溝壑區地表移動變形的特點，闡明了地表移動變形的控制因素[18]；湯伏全[19]、盧家欣[20]、戴華陽[21]、黃慶享[22]、胡青峰[23]、劉輝[24]、郭俊廷[25]等都在淺埋煤層開采地表移動變形特征方面取得了較為豐富的研究成果。

但隨著榆神礦區煤炭資源開發利用的深入，中深埋煤層開采已逐步成型，其引起地表移動變形特征與淺埋煤層區不盡相同。為此，以榆神礦區三期規劃區中部的小保當一號井首采工作面為研究區，開展風沙灘地區中深埋厚煤層開采地表移動變形規律研究，揭示地表下沉、地表水平移動變形規律和地表裂縫發育特征。

1 研究區開采地質條件及觀測布置

1.1 研究區開采地質條件

112201 工作面是小保當一號井的首采工作面，工作面走向長約4 560 m，傾向斜長350 m。開采2-2煤層，平均開采深度302 m，開采厚度5.47～6.10 m，平均采厚5.8 m；煤層傾角小于1°，屬于穩定的厚煤層開采。工作面采用綜合機械采煤方式進行開采，一次采全高，全部垮落法管理頂板，于2018 年9 月開始回采至2019 年12 月回采結束，日回采進尺約12 m/d。工作面具有采高大，開采尺寸大，推采速度較快等特點，屬于高強度開采。

2-2煤層上覆基巖平均厚度230 m，巖性由砂巖，泥巖以及風化巖組成，屬中硬-堅硬巖層；風化巖之上賦存較厚的保德紅土層，厚度在50～90 m 之間，平均厚度65 m。地表出露第四系風沙和薩拉烏蘇組沙土，厚度在3.3～29 m 之間，平均為8.5 m。工作面地形較為平坦，是典型的風沙灘地地貌。

1.2 地表移動變形觀測布置

經現場踏勘，112201 工作面地形平坦，面內地物稀少。因此，在工作面切眼上方設置走向、傾向2條觀測線，進行地表移動變形觀測。工作面走向長4 650 m>1.4H0（平均采深H0=302 m），走向可達充分采動。經計算，走向觀測線最小為461 m，由于工作面地表松散層較厚，為確保走向線覆蓋下沉盆地的半長，最終確定走向線長度900 m。

為保證傾向觀測線覆蓋下沉盆地和工作面寬度，并有一定的安全距離，傾向觀測線長度設定為1 000 m。2 條測線在距切眼內側550 m 位置相交，地表移動觀測點布置圖如圖1。2018-09-21—2020-05-12為地表移動觀測期，共進行了31 次觀測，地表移動觀測站數據見表1。

表1 地表移動觀測站數據Table 1 Data of surface movement observation

圖1 地表移動觀測點布置圖Fig.1 Layout map of observation points

2 地表移動變形規律

2.1 地表移動變形特征

2.1.1 地表下沉特征

走向地表下沉曲線如圖2。

圖2 走向地表下沉曲線Fig.2 Subsidence curves of strike direction

由圖2 可以看出，2018-10-08（回采距離80 m）切眼外側75 m 至內側125 m 的范圍內（Z10～Z18點）地表下沉值不少于10 mm，表明地表開始受到采動影響，且具有超前性。隨工作面不斷推采，地表下沉盆地逐步形成，最后趨于穩定。截止至2020-05-12（工作面回采完成5 個月后），距切眼內側125 m 處（Z18 點）地表下沉值最大，為3 841 mm。

工作面傾向斜長為350 m，開采寬深比為1.15，接近充分采動。根據觀測數據，繪制的傾向地表下沉曲線如圖3。

圖3 傾向地表下沉曲線Fig.3 Subsidence curves of dip direction

2018-11-18 傾向觀測線上部分監測點（監測點Q11～Q29）地表下沉量不少于10 mm，地表開始下沉。此時回采距離為360 m，距地表下沉傾向觀測線190 m。當工作面回采至650 m 時（2018-12-14），傾向地表下沉量陡增，地表下沉劇烈。截止至2020-05-12 即工作面回采完成5 個月后，地表下沉量達到最大，為3 585 mm。由于傾向觀測線中的部分觀測點（Q30～Q40 點）位于112202 工作面內，2020-05-12 最后1 次觀測時，112202 工作面已回采，導致傾向下沉曲線呈現“W”形態。經計算，112201 工作面回采地表最大下沉系數為0.66。

2.1.2 地表水平移動變形特征

地表走向最終水平移動和變形曲線如圖4。

圖4 地表走向最終水平移動和變形曲線Fig.4 The final horizontal movement and deformation curves of strike direction

由圖4 可知，地表水平移動均為正值即地表觀測點均是向沉陷盆地中心移動，工作面開切眼內側50 m 處水平移動量最大，為1 603 mm。之后，水平移動量逐漸遞減至穩定。水平移動變形在-19.73～21.08 mm/m 之間，波峰、波谷在切眼附近出現。切眼外側為拉伸變形，切眼內以壓縮變形為主。

2.1.3 地表移動變形階段

地表移動變形隨時間變化曲線如圖5。

圖5 地表移動變形隨時間變化曲線Fig.5 Variation curves of surface movement and deformation with time

由圖5 可以看出，地表移動變形經歷了啟動、活躍和衰退3 個階段。其中，地表移動變形的啟動階段時間持續了約18 d，相對較長。然后地表移動變形加速，下沉量逐漸增大，進入活躍期，持續時間約110 d。活躍階段前期的47 d 是地表劇烈下沉階段，累積地表下沉量達到地表總下沉量的91.4%。當地表進入衰退期后，地表下沉速度趨于0，地表下沉量逐漸達到最大值，此階段持續時間較長，約1 年。

2.2 地表開采沉陷動態規律

2.2.1 地表下沉速度

下沉速度是地表移動變形劇烈程度的1 個重要表征量，與開采工藝和開采地質條件（采深、采厚、覆巖結構、巖性等）密切相關。走向地表下沉速度曲線如圖6。

圖6 走向地表下沉速度曲線Fig.6 Subsidence velocity curves of strike direction

由圖6 可知，地表下沉速度曲線形態基本相似，均經歷1 個由小到大再到小的“單峰”動態變化過程。在2018-10-09—2018-10-16 期間，地表最大下沉速度為32.30 mm/d，2018-10-17—2018-11-03 期間，地表最大下沉速度為93.64 mm/d，2018-11-04—2018-11-18 期間，地表最大下沉速度為161.52 mm/d，2018-11-19—2018-11-25 期間，地表最大下沉速度為182.76 mm/d，2018-11-26—2018-12-03期間，地表最大下沉速度為224.00 mm/d，2018-12-04—2018-12-14 期間，地表最大下沉速度為267.83 mm/d，2018-12-13—2019-01-03 期間，地表最大下沉速度256.67 mm/d，2019-01-04-2019-01-29 期間，地表最大下沉速度為152.68 mm/d，而2019-01-30—2019-02-26 期間，地表最大下沉速度降至3.17 mm/d，可見隨著工作面的不斷推進，地表下沉速度逐漸降低，地表移動變形逐步趨于穩定。

結合圖1 和圖6 可知，位于切眼內側375 m 處的Z28 點是地表最大下沉速度點，最大下沉速度為267.83 mm/d。

利用經驗公式，求解地表最大下沉速度系數。

式中：K 為最大下沉速度系數；Vmax為最大下沉速度，mm/d；Wmax為地表最大下沉值，mm；c 為推進速度，m/d；H0為工作面采深，m。

112201 工作面開采參數為：c=12 m/d，H0=302 m，Wmax=3 841 mm，Vmax=267.83 mm/d，根據式（1）計算得到：K=1.75。

由以上分析可知，112201 工作面地表最大下沉系數相對較大，這與煤層上覆巖層中存在厚度較大的松散層有關。

2.2.2 超前影響距及超前影響角

按照現場觀測數據，2018-10-08、2018-10-16、2018-10-23，2018-11-06 觀測得到的超前影響距為45、210、280、115 m，平均超前影響距為162.5 m。與淺埋煤層開采條件相比，超前影響距偏大。

式中：ω 為超前影響角；l 為超前影響距，m。根據式（2），求得超前影響角為61.7°。

2.2.3 最大下沉速度滯后距與滯后角

當地表達到充分采動后，最大下沉速度點總是滯后工作面回采位置，最大下沉速度滯后距見表2。

表2 最大下沉速度滯后距Table 2 Maximum subsidence velocity lag distance

式中：φ 為最大下沉速度滯后角；L 為最大下沉速度滯后距，m。

由表2 整理可得，地表最大下沉速度平均滯后距為119 m；根據式（3）計算得出最大下沉速度滯后角為68.6°。

3 采動地表裂縫發育規律

3.1 地表裂縫發育特征

1）地表裂縫多為拉伸型裂縫，整體發育程度較弱，但不同位置區域的裂縫差異性明顯。工作面開切眼上方地表裂縫發育特征最為顯著，多呈“臺階”狀，寬度最大可達15 cm，臺階落差最大可達20 cm；工作兩側巷道邊界裂縫發育程度次之，裂縫寬度在7 cm 以下，落差高度一般在8.0 cm 以下；工作面內地表裂縫發育程度最弱，裂縫最大寬度在2.0 cm 左右，基本無落差。就地表裂縫發育程度而言，中深埋厚煤層開采條件下，切眼上方地表>巷道上方地表>面內采空區上方地表。切眼上方地表最終水平移動量和變形量最大也簡介表明了這一特點。地表裂縫特征如圖7。

圖7 地表裂縫特征Fig.7 Characteristic of surface cracks

2）地表裂縫具有“單峰”和“持續增加-穩定”2種動態變化特征。工作面內裂縫寬度具有先增大后減小的“單峰”活動特征，與地表受“先拉張后擠壓”的應力作用有關，面內地表裂縫寬度變化特征如圖8。隨著煤層不斷回采，工作面邊界外側持續受到拉張作用力，造就了工作面邊界裂縫寬度“持續增加-穩定”動態活動特征，巷道邊界地表裂縫寬度變化特征如圖9。

圖8 面內地表裂縫寬度變化特征（2019 年）Fig.8 Dynamic characteristics of surface cracks in working face

圖9 巷道邊界地表裂縫寬度變化特征（2019 年）Fig.9 Dynamic characteristics of surface cracks in beltway

3）自修復和自然修復功能下裂縫彌合明顯。在地表裂縫自身的動態變化特征（自修復）以及風積沙作用下掩埋作用（自然修復）的雙重作用下，能夠在一定程度上使裂縫快速彌合。

3.2 地表裂縫形成條件

利用位于工作面內部，距開切眼約2 622 m 處的GNSS 觀測站地表移動變形監測數據及其附近裂縫動態觀測數據，分析地表移動變形與地表裂縫發育之間的耦合機制。面內裂縫動態變化與水平移動量的關系如圖10。

由圖10 可以看出，當地表達到充分采動后，地表累計水平移動量達到63 mm，水平移動速度達到15 mm/d 時，地表開始發育裂縫，說明該值為地表裂縫發育的臨界值。此時回采位置已過GNSS 觀測站約24 m，說明地表裂縫滯后回采位置發育。

面內裂縫動態變化與地表下沉速度曲線如圖11。

圖11 面內裂縫動態變化與地表下沉速度曲線Fig.11 Dynamic variation and surface subsidence velocity in working face

由圖11 可以看出，當地表下沉速度達到18.7 mm/d，地表裂縫（DLG 號裂縫）開始發育；隨著地表下沉速度逐漸增加，裂縫寬度也逐漸增大，當地表下沉速度達到171.36 mm/d 時，地表裂縫寬度發育至最大。之后，地表裂縫寬度開始減小。當地表下沉速度達到最大，230.00 mm/d 左右時，裂縫寬度不再變化，地表裂縫完成“單峰”活動特征。

總體而言，地表下沉速度增大階段與地表裂縫完成“單峰”活動的時間基本對應。表明地表下沉速度與地表裂縫的動態活動密切相關。

4 結 論

1）小保當煤礦112201 工作面開采地表最大下沉量為3 840 mm，最大下沉系數為0.66，超前影響距為162 m，超前影響角為61.7°，地表最大下沉速度系數為1.75，最大下沉速度滯后距119 m，最大下沉速度滯后角68.6°。

2）風沙灘地區中深埋厚煤層開采地表移動變形相對劇烈，啟動階段歷時18 d，活躍階段歷時110 d，但地表劇烈活動時間相對較短，歷時43 d 左右，期間地表下沉量達到總下沉量的91.4%。在衰退階段，地表移動變形時間較長，持續約1 年左右。

3）采動地表裂縫整體發育程度弱，但不同位置區域差異性明顯。切眼上方地表多發育“臺階狀”裂縫，寬度和落差較大，發育程度最高，巷道上方地表裂縫次之，面內采空區上方地表裂縫發育程度最弱；面內裂縫在先拉張后擠壓的應力作用下寬度具有先增大后減小的“單峰”變化特征，而邊界裂縫則在拉張作用下呈現持續增大至穩定的活動特征。地表風積沙的存在使裂縫具有較強的自然修復特征。

4）地表裂縫的發育受地表移動變形控制，水平移動變形與地表裂縫的產生密切相關，而地表下沉速度與面內裂縫的動態活動特征具有耦合同步性。