風積沙弱膠結軟巖礦區地表開采沉陷規律實測研究*

侯樹宏，柳昭琰，李家龍，張仲杰，劉江斌，何維勝

(1.國家能源集團寧夏煤業公司 羊場灣煤礦，寧夏 銀川 750004；2.中國礦業大學 環境與測繪學院，江蘇 徐州 221116；3.鄂托克前旗長城五號礦業有限公司，內蒙古 鄂爾多斯 017000)

由于我國煤炭賦存現狀呈現“西部多、中部富、東部區域枯竭”的現象，今后很長一段時間內，煤炭在國內的供應主要依靠西部地區。我國西部地區煤炭資源儲量豐富，地質條件簡單且開采條件優越，適合高強度開采。但同時西部地區多為荒漠化地帶，生態脆弱，高強度的開采勢必會造成比較劇烈的地表移動和變形。因此，獲得礦區的地表與巖層移動規律，對煤礦開采過程中的保安煤柱留設、地表移動變形預計和安全綠色開采工作具有重要意義。

國內外針對開采誘發的地表沉陷問題進行過大量的研究，其中，我國中東部礦區開展研究較早，研究較為充分，特別是綜放開采條件下地表沉陷呈現的主要變形集中、下沉過程劇烈等特征研究較為充分[1-4]。 同時，對深部開采和有特殊地質構造情況下的地表沉陷規律也進行了現場實測和數值模擬研究[5-7]。

隨著煤炭開發重心的西移，西部礦區也開展了大量的地表移動變形監測及數據處理工作，焦付斌[8]通過對高河煤礦E1302工作面的分析與研究，揭示了厚煤層綜放開采條件下地表移動變形的規律和特點，研究表明，煤層綜放開采導致覆巖破壞加劇，地層產生快速連續沉陷，地表下沉盆地陡峭，且巖層與地表的移動變形過程顯著加快，動態變形劇烈且集中；郭文兵等[9]在哈拉溝礦22407工作面上方布置地表移動觀測站，發現在淺埋厚煤層高強度開采條件下，地表下沉比較劇烈，移動變形比較集中，能夠快速形成下沉盆地，地表移動在很短的時間內達到穩定狀態；孔素麗[10]以內蒙古某礦區為研究對象，發現在綜采開采條件下，快速開采使得地表移動劇烈且地表移動時間縮短；孫來華[11]等分析了沙土層厚煤層綜放開采地表移動變形規律，得到地表變形較平緩的結論。上述工作的開展對指導區域煤層開采及地面建(構)筑物保護提供了可靠的技術支持。寧東礦區是我國重要的煤炭基地，其上覆巖層結構以弱膠結軟巖為主，地表以半荒漠風沙區覆蓋為典型特征，其開采沉陷具有一定的特殊性。本文以羊場灣煤礦地表移動觀測站實測資料進行分析研究，揭示了該地質采礦條件下地表移動與變形規律的特點。

1 地表移動觀測

1.1 監測區域概況

130201工作面位于羊場灣一分區井田東部(十三采區)上方，該工作面地表為沙丘覆蓋，地形低緩平坦，起伏不大，無建筑物位于工作面范圍內，是羊場灣煤礦十三采區北翼的首采工作面。130201工作面地面海拔標高+1 388.6～+1 409.1 m，平均標高 1 399 m 左右；平均開采厚度為 5.6 m，煤層傾角為 2°～13°，平均傾角 7.5°，工作面傾向寬度為 305 m，走向長度為 1 180 m。觀測站處工作面上邊界標高約為 915.4 m，下邊界標高為 858.9 m ,平均標高為 887.1 m。觀測站處工作面上邊界采深約為 484 m，下邊界采深為 540 m ,平均采深為 512 m。采用走向長壁綜合機械化一次采全高采煤法，全部垮落法管理頂板。

1.2 地表觀測站概況

130201工作面設計形狀規整，受外界影響因素較小，地形較為平坦，觀測站設計較為容易。在130201工作面上合理地布置兩條觀測線，即一條傾向觀測線和一條走向觀測線，位置均在停采線的一側。經計算可得，傾向觀測線布置在距離停采線400 m處，觀測線長度1 260 m。觀測線兩端各設2個控制點，傾向觀測線有4個控制點。控制點與控制點間距以及控制點與工作點間距為80 m。走向觀測線沿著平行于130201工作面走向方向布設,且偏向下山方向,長度895 m。在靠近盆地邊界的走向觀測線一端設3個控制點，控制點與控制點間距、控制點與工作點間距均為80 m。根據平均開采深度512 m選擇工作點間距30 m，傾向方向共布設工作測點 43個，測點編號自下山往上山方向遞增；走向方向布設31個工作測點。觀測線布置如圖1所示。

圖1 130201工作面觀測線布置

1.3 地表移動變形觀測成果

地表巖移觀測站于2012年12月2日開始觀測，至2014年6月30日觀測結束，歷時19個月，共進行了3次全面觀測和19次日常觀測。水準測量采用蘇州一光生產的DSZ1電子水準儀，每公里往返測量標準誤差為0.7 mm，導線測量采用徠卡TZ05全站儀，測角精度達2″。初次全面觀測利用RTK校正控制點后，測量各觀測點的平面位置并利用電子水準儀按四等附合和閉合水準線路獨立觀測兩次高程，平差后取二者的平均值為初始觀測值。

末期全面觀測高程測量采用三等閉合水準線路，并對礦區近井點和觀測站控制點進行了聯系測量。水準測量在采動過程中按四等水準測量的精度，采用附合水準線路進行。獲得的地表走向線和傾向線下沉情況如圖2～圖3所示。

圖2 走向線下沉曲線

圖3 傾向線下沉曲線

由圖2和圖3可知，隨著開采程度的增加，地表下沉呈現逐漸增大的趨勢，到2014年6月30日，130201工作面傾向最大下沉達到3 033.57 mm，走向方向最大下沉值達到2 722.25 mm，不存在明顯的突變現象，符合開采沉陷的一般規律。

2 移動變形規律分析

2.1 地表移動變形形態

根據觀測站的實測資料，以最后一期下沉數據為基礎，求取各測點的移動變形情況，如圖4和圖5所示。觀測站測點的最大移動變形值如表1所示。

圖4 走向移動變形曲線圖

圖5 傾向移動變形曲線圖

表1 地表最大變形值

從走向和傾向方向的移動變形曲線來看：最大下沉出現在工作面中部，最大傾斜出現在工作面邊界上方，最大曲率出現在工作面邊界上方左右一定范圍之內，最大水平移動出現在工作面邊界處，最大水平變形出現在工作面邊界上方左右一定范圍之內。這些規律與一般常規的巖層和地表移動變形規律相似，說明本次觀測站的設計與觀測工作效果非常好，觀測工作取得很好的成果。

從走向方向水平移動曲線可以看出：停采線處的水平移動值最大，工作面開采中間區域的水平移動值不為0，且大于開采邊界上方的水平移動值，并且移動方向相反，存在較大的水平變形殘余。

從傾向方向水平移動曲線可以看出：工作面上、下邊界處以內的水平移動值最大，并且向上山方向的最大移動值要大于向下山方向的最大移動值，這是符合一般規律的。但向上山方向的最大移動值要遠大于向下山方向的最大移動值，這個特點類似于急傾斜煤層開采條件下的規律。

2.2 地表移動角值參數

根據地表移動變形實測曲線，采用圖解法求取相關角值參數，如表2所示。其中，由于觀測站處的地表松散層厚度約為12 m，且為沙土層，松散層移動角在實際中難以觀測。鑒于其厚度只有12 m，對各個參數的計算和分析影響不大，本次計算采用的松散層移動角為45°。

表2 走向、上山及下山方向的邊界角、移動角、充分采動角、最大下沉角

2.3 地表移動持續時間

根據實測資料，繪制了地表動態下沉、下沉速度變化曲線圖，如圖6所示。由圖可知，地表測點的下沉過程是連續漸變的，地表下沉速度快，下沉量主要發生在移動活躍期內，地表最大下沉速度值為82.28 mm/d。工作面地表動態變形劇烈且集中在2013年5月28日～2013年7月8日，下沉量占總下沉量的75%，說明在開采過程中出現了集中下沉現象。

圖6 下沉速度曲線

根據下沉速度曲線，取測點開始下沉值為10 mm時的位置至當時工作面回采位置的連線，該連線與水平線在煤柱一側的夾角，即超前影響角為ω=43.2°。

經綜合分析確定，130201工作面開采后，地表移動延續時間為548 d，以下沉速度1.7 mm/d為界， 2012年12月2日～2013年5月2日為開始階段，總計142 d，2013年5月2日～2013年8月11日為活躍階段，總計110 d，2013年8月11日～2014年6月30日為衰退階段，總計296 d，活躍階段占地表移動延續時間的20%，下沉量占總下沉量的91.6%，在開采過程中出現集中下沉現象，地表下沉速度較大，動態變形劇烈且集中。

3 概率積分法預計參數反演

根據實測資料，利用開采沉陷預測預報系統[12]，采用模矢法求取該礦區的地表移動參數，如表3所示，同時繪制了130201工作面的下沉及水平移動的實測曲線和預計曲線，如圖7～圖8所示。

表3 基于模矢法求取的概率積分預計參數

圖7 下沉求參擬合效果

圖8 水平移動擬合效果

其中，下沉實測值與擬合值差值的平方和[VV]=2.13e+06，中誤差為46.3 mm，為最大下沉值的1.5%，說明求參擬合效果較好，求參結果可靠。

從求參結果可以看出，主要影響傳播角正切值較大，下沉盆地陡峭，變形分布集中。除左拐點偏移距較大外，其余三個方向的拐點偏移距約為0.1H。

4 結 論

針對寧東礦區地表半荒漠風沙覆蓋，上覆弱膠結軟巖結構條件下地表開采沉陷規律不明的情況，采用實測方法進行研究，得到如下主要結論：

(1)地表變形分布集中，沉降盆地陡峭。測區正上方地表沉降值大，測區邊界附近的曲線較為陡峭，上山方向的水平移動遠遠大于下山方向的水平移動。

(2)區域地表走向邊界角58.1°，下山邊界角45.0°，上山邊界角47.7°；上山移動角73.6°，下山移動角75.9°；最大下沉角82.2°。

(3)地表移動變形速度快，動態變形劇烈且集中，地表移動持續時間較短，沉降主要發生在活躍期，活躍期占總移動時間的20%，地表下沉量占總下沉量的91.6%。

(4)求取的概率積分法參數為下沉系數0.58，主要影響角正切2.65，水平移動系數0.28，開采影響傳播角87.0°，除左拐點偏移距較大外，其余三個方向的拐點偏移距約為0.1H。