風(fēng)沙灘地區(qū)中深埋厚煤層綜采地表移動(dòng)變形規(guī)律實(shí)測(cè)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(xué)地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西西安 710054；2.陜西省煤炭綠色開(kāi)發(fā)地質(zhì)保障重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安 710054；3.陜西省一八五煤田地質(zhì)有限公司，陜西榆林 719000；4.陜西小保當(dāng)?shù)V業(yè)有限公司，陜西榆林 719302）

近年來(lái)，隨著東部煤炭資源的逐漸枯竭，煤炭戰(zhàn)略中心逐漸西移，陜西成為煤炭開(kāi)發(fā)利用的1 個(gè)“主場(chǎng)”[1-3]。榆神礦區(qū)是陜北1 個(gè)重要的煤炭開(kāi)發(fā)利用基地，開(kāi)采強(qiáng)度高，規(guī)模大。但該地區(qū)年平均降雨量相對(duì)較小，生態(tài)環(huán)境相對(duì)脆弱[4-8]。

煤炭開(kāi)采勢(shì)必會(huì)打破圍巖原有的應(yīng)力平衡，致使地表發(fā)生沉陷，產(chǎn)生地表裂縫，進(jìn)而對(duì)水資源、植被等生態(tài)環(huán)境因子造成負(fù)面影響[9]。目前，榆神礦區(qū)內(nèi)淺埋深煤層是開(kāi)發(fā)利用的主要對(duì)象，且區(qū)內(nèi)有黃土溝壑和風(fēng)沙灘地2 種地貌類型，因此吸引了眾多學(xué)者在此開(kāi)展有關(guān)地表移動(dòng)變形方面研究。趙兵朝等通過(guò)分析地表移動(dòng)變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)揭示了黃土溝壑區(qū)淺埋多煤層開(kāi)采地表移動(dòng)變形規(guī)律，提出了附加斜坡變形在內(nèi)的適宜黃土溝壑區(qū)的采煤沉陷量計(jì)算方法[10]；侯恩科等對(duì)比無(wú)人機(jī)航拍影像和衛(wèi)星遙感影像在采動(dòng)地表裂縫識(shí)別的優(yōu)缺點(diǎn)，并提出了基于無(wú)人機(jī)遙感影像的采煤沉陷量計(jì)算方法[11-12]；范立民等利用分形理論對(duì)工作面回采誘發(fā)的地表裂縫空間規(guī)律進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，揭示了不同位置區(qū)域的地表裂縫發(fā)育特征，提出了西部高強(qiáng)度采煤區(qū)礦山地質(zhì)災(zāi)害防控技術(shù)[13]；胡振琪等揭示了補(bǔ)連塔12406 工作面的地表移動(dòng)變形特征，采動(dòng)地表裂縫超前發(fā)育且超前距與回采進(jìn)尺有明顯的正相關(guān)關(guān)系，并伴有“M”型動(dòng)態(tài)規(guī)律[14]；侯恩科等通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和相似模擬實(shí)驗(yàn)揭示了溝谷區(qū)不同位置的地表裂縫動(dòng)態(tài)發(fā)育規(guī)律[15-16]；郭文兵等通過(guò)地表移動(dòng)觀測(cè)揭示了淺埋厚煤層高強(qiáng)度開(kāi)采地表移動(dòng)規(guī)律，求取了移動(dòng)參數(shù)[17]；余學(xué)義等利用數(shù)值模擬軟件揭示黃土溝壑區(qū)地表移動(dòng)變形的特點(diǎn)，闡明了地表移動(dòng)變形的控制因素[18]；湯伏全[19]、盧家欣[20]、戴華陽(yáng)[21]、黃慶享[22]、胡青峰[23]、劉輝[24]、郭俊廷[25]等都在淺埋煤層開(kāi)采地表移動(dòng)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(qū)煤炭資源開(kāi)發(fā)利用的深入，中深埋煤層開(kāi)采已逐步成型，其引起地表移動(dòng)變形特征與淺埋煤層區(qū)不盡相同。為此，以榆神礦區(qū)三期規(guī)劃區(qū)中部的小保當(dāng)一號(hào)井首采工作面為研究區(qū)，開(kāi)展風(fēng)沙灘地區(qū)中深埋厚煤層開(kāi)采地表移動(dòng)變形規(guī)律研究，揭示地表下沉、地表水平移動(dòng)變形規(guī)律和地表裂縫發(fā)育特征。

1 研究區(qū)開(kāi)采地質(zhì)條件及觀測(cè)布置

1.1 研究區(qū)開(kāi)采地質(zhì)條件

112201 工作面是小保當(dāng)一號(hào)井的首采工作面，工作面走向長(zhǎng)約4 560 m，傾向斜長(zhǎng)350 m。開(kāi)采2-2煤層，平均開(kāi)采深度302 m，開(kāi)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(wěn)定的厚煤層開(kāi)采。工作面采用綜合機(jī)械采煤方式進(jìn)行開(kāi)采，一次采全高，全部垮落法管理頂板，于2018 年9 月開(kāi)始回采至2019 年12 月回采結(jié)束，日回采進(jìn)尺約12 m/d。工作面具有采高大，開(kāi)采尺寸大，推采速度較快等特點(diǎn)，屬于高強(qiáng)度開(kāi)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(fēng)化巖組成，屬中硬-堅(jiān)硬巖層；風(fēng)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(fēng)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(fēng)沙灘地地貌。

1.2 地表移動(dòng)變形觀測(cè)布置

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)踏勘，112201 工作面地形平坦，面內(nèi)地物稀少。因此，在工作面切眼上方設(shè)置走向、傾向2條觀測(cè)線，進(jìn)行地表移動(dòng)變形觀測(cè)。工作面走向長(zhǎng)4 650 m>1.4H0（平均采深H0=302 m），走向可達(dá)充分采動(dòng)。經(jīng)計(jì)算，走向觀測(cè)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(zhǎng)，最終確定走向線長(zhǎng)度900 m。

為保證傾向觀測(cè)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(cè)線長(zhǎng)度設(shè)定為1 000 m。2 條測(cè)線在距切眼內(nèi)側(cè)550 m 位置相交，地表移動(dòng)觀測(cè)點(diǎn)布置圖如圖1。2018-09-21—2020-05-12為地表移動(dòng)觀測(cè)期，共進(jìn)行了31 次觀測(cè)，地表移動(dòng)觀測(cè)站數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 地表移動(dòng)觀測(cè)站數(shù)據(jù)Table 1 Data of surface movement observation

圖1 地表移動(dòng)觀測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.1 Layout map of observation points

2 地表移動(dòng)變形規(guī)律

2.1 地表移動(dòng)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(cè)75 m 至內(nèi)側(cè)125 m 的范圍內(nèi)（Z10～Z18點(diǎn)）地表下沉值不少于10 mm，表明地表開(kāi)始受到采動(dòng)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(wěn)定。截止至2020-05-12（工作面回采完成5 個(gè)月后），距切眼內(nèi)側(cè)125 m 處（Z18 點(diǎn)）地表下沉值最大，為3 841 mm。

工作面傾向斜長(zhǎng)為350 m，開(kāi)采寬深比為1.15，接近充分采動(dòng)。根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)，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(cè)線上部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)（監(jiān)測(cè)點(diǎn)Q11～Q29）地表下沉量不少于10 mm，地表開(kāi)始下沉。此時(shí)回采距離為360 m，距地表下沉傾向觀測(cè)線190 m。當(dāng)工作面回采至650 m 時(shí)（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(gè)月后，地表下沉量達(dá)到最大，為3 585 mm。由于傾向觀測(cè)線中的部分觀測(cè)點(diǎn)（Q30～Q40 點(diǎn)）位于112202 工作面內(nèi)，2020-05-12 最后1 次觀測(cè)時(shí)，112202 工作面已回采，導(dǎo)致傾向下沉曲線呈現(xiàn)“W”形態(tài)。經(jīng)計(jì)算，112201 工作面回采地表最大下沉系數(shù)為0.66。

2.1.2 地表水平移動(dòng)變形特征

地表走向最終水平移動(dòng)和變形曲線如圖4。

圖4 地表走向最終水平移動(dòng)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(dòng)均為正值即地表觀測(cè)點(diǎn)均是向沉陷盆地中心移動(dòng)，工作面開(kāi)切眼內(nèi)側(cè)50 m 處水平移動(dòng)量最大，為1 603 mm。之后，水平移動(dòng)量逐漸遞減至穩(wěn)定。水平移動(dòng)變形在-19.73～21.08 mm/m 之間，波峰、波谷在切眼附近出現(xiàn)。切眼外側(cè)為拉伸變形，切眼內(nèi)以壓縮變形為主。

2.1.3 地表移動(dòng)變形階段

地表移動(dòng)變形隨時(shí)間變化曲線如圖5。

圖5 地表移動(dòng)變形隨時(shí)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(dòng)變形經(jīng)歷了啟動(dòng)、活躍和衰退3 個(gè)階段。其中，地表移動(dòng)變形的啟動(dòng)階段時(shí)間持續(xù)了約18 d，相對(duì)較長(zhǎng)。然后地表移動(dòng)變形加速，下沉量逐漸增大，進(jìn)入活躍期，持續(xù)時(shí)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(dá)到地表總下沉量的91.4%。當(dāng)?shù)乇磉M(jìn)入衰退期后，地表下沉速度趨于0，地表下沉量逐漸達(dá)到最大值，此階段持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，約1 年。

2.2 地表開(kāi)采沉陷動(dòng)態(tài)規(guī)律

2.2.1 地表下沉速度

下沉速度是地表移動(dòng)變形劇烈程度的1 個(gè)重要表征量，與開(kāi)采工藝和開(kāi)采地質(zhì)條件（采深、采厚、覆巖結(jié)構(gòu)、巖性等）密切相關(guān)。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(tài)基本相似，均經(jīng)歷1 個(gè)由小到大再到小的“單峰”動(dòng)態(tài)變化過(guò)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(jiàn)隨著工作面的不斷推進(jìn)，地表下沉速度逐漸降低，地表移動(dòng)變形逐步趨于穩(wěn)定。

結(jié)合圖1 和圖6 可知，位于切眼內(nèi)側(cè)375 m 處的Z28 點(diǎn)是地表最大下沉速度點(diǎn)，最大下沉速度為267.83 mm/d。

利用經(jīng)驗(yàn)公式，求解地表最大下沉速度系數(shù)。

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

112201 工作面開(kāi)采參數(shù)為：c=12 m/d，H0=302 m，Wmax=3 841 mm，Vmax=267.83 mm/d，根據(jù)式（1）計(jì)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(shù)相對(duì)較大，這與煤層上覆巖層中存在厚度較大的松散層有關(guān)。

2.2.2 超前影響距及超前影響角

按照現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)，2018-10-08、2018-10-16、2018-10-23，2018-11-06 觀測(cè)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(kāi)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(jù)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(dāng)?shù)乇磉_(dá)到充分采動(dòng)后，最大下沉速度點(diǎn)總是滯后工作面回采位置，最大下沉速度滯后距見(jiàn)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(jù)式（3）計(jì)算得出最大下沉速度滯后角為68.6°。

3 采動(dòng)地表裂縫發(fā)育規(guī)律

3.1 地表裂縫發(fā)育特征

1）地表裂縫多為拉伸型裂縫，整體發(fā)育程度較弱，但不同位置區(qū)域的裂縫差異性明顯。工作面開(kāi)切眼上方地表裂縫發(fā)育特征最為顯著，多呈“臺(tái)階”狀，寬度最大可達(dá)15 cm，臺(tái)階落差最大可達(dá)20 cm；工作兩側(cè)巷道邊界裂縫發(fā)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(nèi)地表裂縫發(fā)育程度最弱，裂縫最大寬度在2.0 cm 左右，基本無(wú)落差。就地表裂縫發(fā)育程度而言，中深埋厚煤層開(kāi)采條件下，切眼上方地表>巷道上方地表>面內(nèi)采空區(qū)上方地表。切眼上方地表最終水平移動(dòng)量和變形量最大也簡(jiǎn)介表明了這一特點(diǎn)。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(xù)增加-穩(wěn)定”2種動(dòng)態(tài)變化特征。工作面內(nèi)裂縫寬度具有先增大后減小的“單峰”活動(dòng)特征，與地表受“先拉張后擠壓”的應(yīng)力作用有關(guān)，面內(nèi)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(cè)持續(xù)受到拉張作用力，造就了工作面邊界裂縫寬度“持續(xù)增加-穩(wěn)定”動(dòng)態(tài)活動(dòng)特征，巷道邊界地表裂縫寬度變化特征如圖9。

圖8 面內(nèi)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(fù)和自然修復(fù)功能下裂縫彌合明顯。在地表裂縫自身的動(dòng)態(tài)變化特征（自修復(fù)）以及風(fēng)積沙作用下掩埋作用（自然修復(fù)）的雙重作用下，能夠在一定程度上使裂縫快速?gòu)浐稀?/p>

3.2 地表裂縫形成條件

利用位于工作面內(nèi)部，距開(kāi)切眼約2 622 m 處的GNSS 觀測(cè)站地表移動(dòng)變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及其附近裂縫動(dòng)態(tài)觀測(cè)數(shù)據(jù)，分析地表移動(dòng)變形與地表裂縫發(fā)育之間的耦合機(jī)制。面內(nèi)裂縫動(dòng)態(tài)變化與水平移動(dòng)量的關(guān)系如圖10。

由圖10 可以看出，當(dāng)?shù)乇磉_(dá)到充分采動(dòng)后，地表累計(jì)水平移動(dòng)量達(dá)到63 mm，水平移動(dòng)速度達(dá)到15 mm/d 時(shí)，地表開(kāi)始發(fā)育裂縫，說(shuō)明該值為地表裂縫發(fā)育的臨界值。此時(shí)回采位置已過(guò)GNSS 觀測(cè)站約24 m，說(shuō)明地表裂縫滯后回采位置發(fā)育。

面內(nèi)裂縫動(dòng)態(tài)變化與地表下沉速度曲線如圖11。

圖11 面內(nèi)裂縫動(dòng)態(tài)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(dāng)?shù)乇硐鲁了俣冗_(dá)到18.7 mm/d，地表裂縫（DLG 號(hào)裂縫）開(kāi)始發(fā)育；隨著地表下沉速度逐漸增加，裂縫寬度也逐漸增大，當(dāng)?shù)乇硐鲁了俣冗_(dá)到171.36 mm/d 時(shí)，地表裂縫寬度發(fā)育至最大。之后，地表裂縫寬度開(kāi)始減小。當(dāng)?shù)乇硐鲁了俣冗_(dá)到最大，230.00 mm/d 左右時(shí)，裂縫寬度不再變化，地表裂縫完成“單峰”活動(dòng)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(dòng)的時(shí)間基本對(duì)應(yīng)。表明地表下沉速度與地表裂縫的動(dòng)態(tài)活動(dòng)密切相關(guān)。

4 結(jié) 論

1）小保當(dāng)煤礦112201 工作面開(kāi)采地表最大下沉量為3 840 mm，最大下沉系數(shù)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(shù)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(fēng)沙灘地區(qū)中深埋厚煤層開(kāi)采地表移動(dòng)變形相對(duì)劇烈，啟動(dòng)階段歷時(shí)18 d，活躍階段歷時(shí)110 d，但地表劇烈活動(dòng)時(shí)間相對(duì)較短，歷時(shí)43 d 左右，期間地表下沉量達(dá)到總下沉量的91.4%。在衰退階段，地表移動(dòng)變形時(shí)間較長(zhǎng)，持續(xù)約1 年左右。

3）采動(dòng)地表裂縫整體發(fā)育程度弱，但不同位置區(qū)域差異性明顯。切眼上方地表多發(fā)育“臺(tái)階狀”裂縫，寬度和落差較大，發(fā)育程度最高，巷道上方地表裂縫次之，面內(nèi)采空區(qū)上方地表裂縫發(fā)育程度最弱；面內(nèi)裂縫在先拉張后擠壓的應(yīng)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(xiàn)持續(xù)增大至穩(wěn)定的活動(dòng)特征。地表風(fēng)積沙的存在使裂縫具有較強(qiáng)的自然修復(fù)特征。

4）地表裂縫的發(fā)育受地表移動(dòng)變形控制，水平移動(dòng)變形與地表裂縫的產(chǎn)生密切相關(guān)，而地表下沉速度與面內(nèi)裂縫的動(dòng)態(tài)活動(dòng)特征具有耦合同步性。