陜北黃土溝壑地貌地表移動(dòng)變形特征研究

石國牟 ，張麗佳 ，胡振琪,3 ，浮耀坤

（1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 土地復(fù)墾與生態(tài)重建研究所, 北京 100083；2.自然資源部國土整治中心, 北京 100035；3.中國礦業(yè)大學(xué) 環(huán)境與測(cè)繪學(xué)院, 江蘇 徐州 221116）

0 引 言

2020 年全國煤炭產(chǎn)量達(dá)38 億t，煤炭持續(xù)在我國能源結(jié)構(gòu)中占主導(dǎo)作用。近幾年西部已成為國家煤炭主產(chǎn)區(qū)，黃河流域中上游涵蓋7 個(gè)國家級(jí)大型煤炭基地[1]。西部生態(tài)環(huán)境脆弱，黃河流域生態(tài)環(huán)境保護(hù)與高質(zhì)量發(fā)展又上升至國家重大戰(zhàn)略。陜北煤炭基地位于黃河流域中游處，大范圍分布黃土溝壑地貌，地表黃土具濕陷型，其力學(xué)性質(zhì)較弱、結(jié)構(gòu)疏松、多空隙，極易受采動(dòng)影響，溝壑坡體產(chǎn)生不連續(xù)變形和突變失穩(wěn)的地表破壞特征。加上受雨水沖刷、使得地表破碎，加重水土流失，從而影響到黃河流域的水沙關(guān)系。因此，在該區(qū)域進(jìn)行高強(qiáng)度煤炭開采時(shí)，地表移動(dòng)變形具有明顯的特殊性和復(fù)雜性，極易對(duì)礦區(qū)生產(chǎn)活動(dòng)和黃河流域生態(tài)環(huán)境構(gòu)成威脅。

西部生態(tài)脆弱區(qū)高強(qiáng)度開采地表移動(dòng)變形規(guī)律持續(xù)受到眾多學(xué)者的關(guān)注。余學(xué)義等[2]針對(duì)神東礦區(qū)工程地質(zhì)條件，研究了厚松散層大采高開采地表移動(dòng)變形規(guī)律；于洋等[3]基于兩淮礦區(qū)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，詳細(xì)分析了地質(zhì)采礦條件對(duì)邊界角、移動(dòng)角的影響，得出綜合移動(dòng)角、綜合邊界角與第三、四系松散層厚度之間存在著對(duì)數(shù)關(guān)系；湯伏全等[4]研究了開采沉陷前后地形的坡向、變異系數(shù)、坡度等因子變化特征，并表明各地形因子均受開采沉陷影響而發(fā)生改變；原濤[5]對(duì)渭北黃土覆蓋礦區(qū)地表沉陷研究表明了黃土溝壑區(qū)采煤沉陷引起的山坡側(cè)向滑移變形是渭北礦區(qū)地表移動(dòng)變形的重要特征，在薄基巖厚黃土層開采條件下，黃土層的沉陷變形與基巖沉陷保持同步移動(dòng)；劉義新等[6]通過建立巨厚松散層下深部寬條帶開采數(shù)值模型，研究巨厚松散層下深部寬條帶開采時(shí)松散層厚度變化與地表移動(dòng)規(guī)律及下沉系數(shù)的關(guān)系；趙兵朝等[7]研究了檸條塔煤礦在黃土溝壑地形條件下的地表巖移參數(shù)求取問題，利用坡體穩(wěn)定性分析及計(jì)算機(jī)反演模擬的方法，對(duì)概率積分參數(shù)進(jìn)行了修正。目前多數(shù)研究在分析區(qū)域性的采動(dòng)影響、地上地下采動(dòng)關(guān)系方面具有一定的局限性。

針對(duì)陜北濕陷型黃土溝壑區(qū)高強(qiáng)度開采的地表移動(dòng)規(guī)律需要近一步研究，尤其是受影響的地表環(huán)境損傷特征與采礦過程、采礦條件的耦合關(guān)系的研究尚且不足。以檸條塔煤礦井北一盤區(qū)為研究對(duì)象，考慮黃土溝壑區(qū)特殊地形條件，基于地表移動(dòng)觀測(cè)資料，分析濕陷型黃土層下采動(dòng)的地表移動(dòng)變形規(guī)律。

1 地質(zhì)采礦條件

檸條塔煤礦位于陜北黃土高原北部，區(qū)內(nèi)溝谷縱橫。觀測(cè)區(qū)為檸條塔煤礦北一盤區(qū)N1212 工作面上方，地表廣泛覆蓋濕陷型黃土，N1212 工作面2-2煤層厚度為4.05～5.90 m，平均4.8 m，該工作面長(zhǎng)度294.4 m，走向長(zhǎng)度1 965 m，煤層埋藏深度在140～220 m，平均采深190 m，基巖厚度平均105 m，主要由粉砂巖和中粒砂巖組成，上覆黃土層平均厚度95 m?；夭蓵r(shí)間2018 年10 月至2019 年11 月結(jié)束，采用走向長(zhǎng)壁采煤法，一次采全高，全部垮落法管理頂板，工作面推進(jìn)與回采速度2.4～27.2 m/d，開采強(qiáng)度高。本區(qū)頂板上有1-2煤N1118 工作面老采空區(qū)，該工作面于2018 年2 月停采，與2-2煤層間隔約40 m，距N1212 工作面開切眼約540 m 處停采，平均煤厚1.85 m，基巖厚度65 m。兩工作面平均傾角小于2°，均為近水平煤層。

2 觀測(cè)站布置與觀測(cè)

為進(jìn)一步分析地表巖移參數(shù)特征，結(jié)合該礦地形地貌特征，采用剖面法在N1212 工作面上方布設(shè)地表移動(dòng)觀測(cè)站。設(shè)計(jì)走向觀測(cè)線（A 線）一條，長(zhǎng)1 200 m，傾向觀測(cè)線（B 線）一條，長(zhǎng)600 m，位于距離開切眼800 m 的采空區(qū)上方，走向觀測(cè)線與傾向觀測(cè)線互相垂直，分別布置在地表移動(dòng)盆地走向、傾斜主斷面上，如圖1 所示。

圖1 A、B 觀測(cè)線斷面圖Fig.1 Sectional view of observation line A and B

測(cè)線點(diǎn)間距均為20 m，開切眼外觀測(cè)線長(zhǎng)度均200 m，布設(shè)92 個(gè)地表移動(dòng)觀測(cè)站，2 條觀測(cè)線交匯于A46（B17）點(diǎn)。

在2019 年1 月10 日完成了首次全面觀測(cè)，2019-01-19-2020-03-20 共對(duì)走向觀測(cè)線地表沉降進(jìn)行了38 次觀測(cè)，對(duì)傾向觀測(cè)線地表沉降進(jìn)行了25 次觀測(cè)。

3 濕陷型黃土溝壑區(qū)開采地表移動(dòng)特征分析

黃土區(qū)N1212 工作面開采過程中會(huì)受到重復(fù)采動(dòng)和溝壑地形的影響，工作面推進(jìn)方向經(jīng)歷重復(fù)采動(dòng)-單煤層開采過程，形成重復(fù)采動(dòng)區(qū)以及單一煤層開采影響區(qū)，布設(shè)的傾向觀測(cè)線位于重采影響區(qū)之外。由于測(cè)線受地形因素影響，走向觀測(cè)線部分?jǐn)?shù)據(jù)缺失，個(gè)別參數(shù)的推導(dǎo)僅對(duì)傾向線進(jìn)行分析研究，以傾向數(shù)據(jù)為依據(jù)，走向數(shù)據(jù)為輔，得出結(jié)論。

3.1 地表下沉特征分析

1)下沉曲線。隨著工作面不斷地推進(jìn)，根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)，各觀測(cè)線點(diǎn)位移動(dòng)已基本穩(wěn)定，如圖2 所示。

圖2 地表下沉曲線Fig.2 Surface subsidence curve

走向方向上，部分階段受到N1118 工作面重復(fù)采動(dòng)的影響，根據(jù)第2 次觀測(cè)數(shù)據(jù)，井下推進(jìn)至75 m，地表出現(xiàn)大于10 mm 下沉量，綜合現(xiàn)場(chǎng)地表沉陷情況、工作面推進(jìn)速度和推進(jìn)時(shí)間進(jìn)行計(jì)算，啟動(dòng)距在45～60 m，1/4～1/3 倍平均采深。由2019 年1 月28 日第3 次觀測(cè)（推進(jìn)至103 m）和1 月30 日第4次觀測(cè)（推進(jìn)至117 m）的下沉曲線可知（圖2a），地表最大下沉量從-61 mm 迅速增加至-811 mm，此時(shí)盆地形態(tài)初現(xiàn)，工作面上覆關(guān)鍵層斷裂，此時(shí)開切眼一側(cè)下沉盆地邊緣曲線形態(tài)極為陡峭，而工作面煤柱側(cè)盆地邊緣曲線稍緩。隨著工作面推進(jìn)下沉量迅速增加，地面最大下沉量為5 255 mm，位于A21 號(hào)點(diǎn)附近，距開切眼200 m 左右。

傾向方向上，當(dāng)工作面接近傾向線下方時(shí)地表受到擾動(dòng)，在推進(jìn)距開切眼797 m 及840 m 進(jìn)行了兩次觀測(cè)，觀測(cè)間隔為一周左右，而地表下沉量發(fā)生較大變化，由101 mm 迅速增加至1 881 mm，隨著工作面繼續(xù)推進(jìn)，下沉量持續(xù)增加，地表最大下沉量達(dá)到3 513 mm，并且達(dá)到充分采動(dòng)，如圖2b 所示。

2）水平移動(dòng)曲線。通過各個(gè)時(shí)期觀測(cè)數(shù)據(jù)獲得走向和傾向上水平移動(dòng)曲線，并分析地表水平移動(dòng)變化情況，如圖3 所示。

圖3 地表水平移動(dòng)曲線Fig.3 Curve of horizontal movement of ground surface

走向方向上水平移動(dòng)較為特殊且復(fù)雜，工作面上方有部分1-2煤采空區(qū)，工作面推進(jìn)0.6 倍采深時(shí)，水平移動(dòng)值開始迅速增加，開切眼附近至0.47 倍采深處，地表點(diǎn)朝著遠(yuǎn)離開切眼方向移動(dòng)；隨著工作面不斷向坡體推進(jìn)，各地表點(diǎn)向著采空區(qū)并向開切眼方向移動(dòng)，由于黃土溝壑地形，部分水平移動(dòng)有所增大或減小，尤其地表沖溝處的水平移動(dòng)更為異常；當(dāng)工作面推進(jìn)至N1118 工作面終采線之后，由于上方留存煤柱支撐作用，水平移動(dòng)值逐漸增加，隨后地表點(diǎn)向著新形成采空區(qū)移動(dòng)，并遠(yuǎn)離開切眼，表現(xiàn)為逐漸增大的正水平移動(dòng)值；距終采線100 m 左右，由于2 個(gè)不同采空區(qū)共同作用，溝壑受采影響出現(xiàn)坡體裂縫坍塌，裂縫導(dǎo)致的塌陷坑受力不再連續(xù)，地表水平移動(dòng)值變化不大，如圖3a 所示；距開切眼1 000 m 之后有大量沖溝發(fā)育，此時(shí)工作面順坡推進(jìn)，地表點(diǎn)整體向遠(yuǎn)離開切眼方向移動(dòng)且形變大，水平移動(dòng)最大值為2 680 mm。

傾向B 線上，水平移動(dòng)曲線較為對(duì)稱，上山方向與下山方向地表水平移動(dòng)都指向工作面中心。距中心線-300～0 m，邊界點(diǎn)至曲線拐點(diǎn)間的水平移動(dòng)值先漸增至最大，后逐漸減少至0；在距中心線0～300 m，地表水平移動(dòng)在另一拐點(diǎn)處再次達(dá)到最大，隨后減小至邊界處為0，水平移動(dòng)最大值為1 273 mm。由于N1212 工作面傾向方向上不受重復(fù)采動(dòng)影響且地勢(shì)較為平坦，從曲線分布上看水平移動(dòng)曲線分布形態(tài)與平坦地貌水平移動(dòng)的一般規(guī)律接近，如圖3b 所示。

走向和傾向地表移動(dòng)整體上符合一般的沉陷規(guī)律，變形程度有所差異。走向方向上地形更加復(fù)雜，陡坡、溝谷分布且高差大，下沉曲線不對(duì)稱，開切眼側(cè)較為陡峭，說明在該地質(zhì)條件下進(jìn)行重復(fù)開采，沉陷盆地能夠快速形成。走向和傾向上個(gè)別地方移動(dòng)變形發(fā)生突變，變形值有突然增大或減小現(xiàn)象，變形曲線表現(xiàn)為不規(guī)則跳躍，且與地表地形相對(duì)應(yīng)，在沖溝及坡體處極易發(fā)生這種突變[8]。地表垂直裂隙發(fā)育，進(jìn)而引起的崩塌滑移，以及受采破碎的黃土地表遇水濕陷是造成局部發(fā)生突變的主要原因[9]。

3.2 地表移動(dòng)預(yù)計(jì)參數(shù)

根據(jù)觀測(cè)結(jié)果，分別計(jì)算統(tǒng)計(jì)走向和傾向的下沉系數(shù)與各概率積分法參數(shù)。

1）下沉系數(shù)。在走向上，出現(xiàn)2 個(gè)下沉盆地，分析認(rèn)為，距N1212 開切眼約540 m 處為N1118 終采線，N1212 工作面此階段開采受到重復(fù)采動(dòng)影響，隨著N1212 工作面的不斷推進(jìn)，下沉開始明顯，逐漸形成下沉盆地，并到達(dá)充分采動(dòng)，斜交疊置區(qū)開采最大下沉量5 255 mm；當(dāng)工作面推進(jìn)進(jìn)度超過N1118 工作面終采線，下沉量有所減小，距開切眼820 m 左右下降至最小，之后下沉量隨著工作面推進(jìn)有所增加，并形成新的下沉盆地，通過分析重復(fù)采動(dòng)區(qū)影響范圍，后續(xù)開采基本不受N1118 工作面的影響，根據(jù)N1118 下沉邊界以及N1212 工作面（1.2～1.4 倍）采深，N1212 工作面后續(xù)開采可以達(dá)到充分采動(dòng)[10]，此時(shí)為N1212 工作面單一煤層開采，最大下沉量3 030 mm，如圖4 所示。

圖4 N1118、N1212 重復(fù)采動(dòng)及單一煤層開采其下沉量、下沉系數(shù)分析Fig.4 Analysis of subsidence value and subsidence coefficient of N1118 and N1212 repeated mining and single seam mining

N1212 工作面平均采高h(yuǎn)(N1212)為4.8 m，近水平煤層，故N1212 工作面單一開采時(shí)的下沉系數(shù)為

N1118 工作面與N1212 工作面位于同一區(qū)域，地質(zhì)條件相同，均為近水平煤層，兩工作面間隔較小，基巖性質(zhì)和厚度相近，且為同一松散層，故以N1212工作面及臨近工作面[11]單采下沉系數(shù)作為重復(fù)采動(dòng)區(qū)先采工作面N1118 的下沉系數(shù)，即ηN1118=0.63。

選取疊置區(qū)A21 號(hào)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，A21 號(hào)測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)疊置區(qū)最大下沉量Wmax,s，Wmax,s= 5 255 mm，疊置區(qū)下沉量同時(shí)受到N1118 和N1212 工作面重復(fù)采動(dòng)的影響，重復(fù)采動(dòng)系數(shù)為K，N1118 下沉系數(shù)取0.63，N1118 工作面平均采高h(yuǎn)(N1118)為1.9 m，其僅受N1118 工作面采動(dòng)影響下的最大下沉量Wmax(N1118)為：

故N1212 工作面開采后下沉系數(shù) ηc為

因此，重復(fù)采動(dòng)系數(shù)為K=ηc/ηN1118=1.33。

2）地表移動(dòng)預(yù)計(jì)參數(shù)分析。根據(jù)圖2b 傾向線的下沉數(shù)據(jù)計(jì)算B線下沉系數(shù)；結(jié)合A、B線水平移動(dòng)值求取水平移動(dòng)系數(shù)b，即地表最大水平移動(dòng)與最大下沉之比；通過tanβ=H0/r計(jì)算主要影響角正切，H0為開采深度，r為主要影響半徑；綜合分析0.5 倍的地表最大下沉量以及最大水平移動(dòng)值的位置，求取拐點(diǎn)偏移距d。并計(jì)算各綜合值，詳見表1。下沉系數(shù)達(dá)到0.78，水平移動(dòng)系數(shù)為0.44，主要影響角正切值2.38，拐點(diǎn)偏移距為45 m。

表1 地表移動(dòng)變形參數(shù)Table 1 Surface movement and deformation parameters

分析認(rèn)為，工作面上方濕陷黃土厚度60～130 m，地表溝壑縱橫，極易受沉陷影響而發(fā)生滑坡、崩塌，黃土自重產(chǎn)生壓縮變形以及濕陷下沉[12]，地表移動(dòng)受到開采沉陷、滑移、濕陷共同的作用，下沉系數(shù)較大。水平移動(dòng)也受到溝壑地形的影響，方向發(fā)生局部變化，偏向坡溝方向，水平移動(dòng)系數(shù)相對(duì)較大。在該濕陷型黃土溝壑層下開采，若不考慮地形高差，地表下沉盆地極為陡峭，主要影響半徑相對(duì)變小，主要影響角正切值較大。拐點(diǎn)偏移距45 m，為0.24H0，在0.08H0～0.30H0，上覆巖層屬于中硬覆巖層[13]。

3.3 地表移動(dòng)角值特征

邊界角是描述地表移動(dòng)盆地邊界的重要參數(shù)，影響其大小主要有采深、松散層厚度、采厚等因素；移動(dòng)角是描述地表移動(dòng)盆地危險(xiǎn)移動(dòng)邊界的參數(shù)，影響其大小主要有上覆巖層性質(zhì)、采深、采厚等因素[14]。

根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算，N1212 工作面走向邊界角65.9°，下山方向邊界角55.6°，上山方向邊界角51.7°。工作面從開切眼始逐步推進(jìn)過程中，隨著直接頂和基本頂?shù)南嗬^垮落，基巖上部的松散層土體產(chǎn)生彎曲下沉，隨著工作面的繼續(xù)推進(jìn)，造成地表下沉量的逐漸增大。在該地質(zhì)條件下，基巖與黃土力學(xué)性質(zhì)差異較大，松散層承載能力弱，在高強(qiáng)度開采下使得移動(dòng)變形傳遞到黃土層時(shí)間短、程度大，采空區(qū)范圍縮小，移動(dòng)角、邊界角較大。為進(jìn)一步分析黃土溝壑區(qū)高強(qiáng)度開采條件下的角量參數(shù)，將不同地質(zhì)采礦條件下部分礦區(qū)典型工作面的角量參數(shù)列出，進(jìn)行對(duì)比分析[15-19]，詳見表2。

表2 地表移動(dòng)角對(duì)比Table 2 Comparison of surface movement angle values

N1212 工作面松散層濕陷型黃土厚度80～130 m，N1114、N1206、張家峁15201、大柳塔52304 工作面松散層黃土厚度均大于50 m，地表均為溝壑地貌；黃陵一礦302、303 工作面地表為特厚松散層，黃土厚度大于100 m，與大柳塔52304 工作面的采深相近且采深較大；大柳塔礦1203、韓家灣2304、哈拉溝22407 工作面為風(fēng)積沙所覆蓋。以上工作面均采用綜合機(jī)械化長(zhǎng)壁采煤法，全部垮落管理頂板，一次采全高，各煤層傾角較小。

經(jīng)過對(duì)比分析可知，與大柳塔、韓家灣、哈拉溝松散層為風(fēng)積沙層條件下開采相比，推進(jìn)方向上邊界角、移動(dòng)角偏大。分析認(rèn)為，當(dāng)松散層為風(fēng)積沙時(shí)，松散層具有明顯的非塑性，并且有較強(qiáng)的流動(dòng)性，在受采時(shí)，工作面前方風(fēng)沙地表形成下沉為10 mm 的開采影響邊界較遠(yuǎn)，故邊界角較小；而根據(jù)3 個(gè)臨界變形條件(傾斜變形τ=3.0 mm/m；水平變形ε=2.0 mm/m；曲率 κ=0.2×10-3mm/m)求取的移動(dòng)角也偏小[13]。當(dāng)松散層為濕陷型黃土?xí)r，本身工作面采深小，基巖厚度不大，開采致使基巖全部破斷，上覆巖層屬于中硬巖層，而黃土相較于沙土流動(dòng)性弱，采動(dòng)覆巖移動(dòng)形變到達(dá)基巖與松散層接觸面后，力呈現(xiàn)非均勻形式傳遞，黃土發(fā)生較大的塑性變形，土體隨著工作面推進(jìn)快速破裂坍塌，形成的下沉盆地邊緣較風(fēng)沙區(qū)陡峭，下沉為10 mm 位置處的開采影響邊界較近，因此邊界角較大；垂直裂隙大量發(fā)育，使得應(yīng)力得到一定釋放，地表變形不連續(xù)，力學(xué)傳遞失去部分延伸性，致使地表移動(dòng)范圍縮小，從而移動(dòng)角相對(duì)偏大。

N1212 工作面傾向方向上未完全下沉，上方溝壑體受擾范圍廣，上下山邊界角、移動(dòng)角偏小，下山方向部分受到N1210 老采空區(qū)的影響，其影響范圍較走向有所增大；與同礦區(qū)N1206、N1114 工作面相比，地表黃土層厚度均在50～100 m，處于同一區(qū)域，都為濕陷型黃土梁峁溝壑地貌，松散層力學(xué)性質(zhì)差異不大，移動(dòng)變形角值因基巖厚度不同而有所差異，但整體相近。

與其他黃土層覆蓋下的張家峁15201、大柳塔52304 工作面煤層開采相比，當(dāng)深厚比小于40 時(shí)地表塌陷范圍擴(kuò)大，邊界角相對(duì)較??；當(dāng)深厚比小于30 時(shí)，地表產(chǎn)生的非連續(xù)變形更加嚴(yán)重，地表變形劇烈，下沉盆地邊緣更加陡峭，移動(dòng)角和邊界角較大[13]；移動(dòng)變形角值還受到開采程度的影響，對(duì)黃陵一礦302、303 兩工作面同時(shí)觀測(cè)取得的移動(dòng)角值可以看出，采動(dòng)程度較大，地表受影響范圍擴(kuò)大，故邊界角偏小。

一般情況下，采厚越大、受采程度越大、土層越軟邊界角越小，黃土層越厚、采厚越大、采深越小移動(dòng)角越小，其中深厚比是決定地表移動(dòng)變形形式和破壞程度的一個(gè)重要因素，基巖厚度與性質(zhì)決定形變是否迅速傳遞到地表，松散層結(jié)構(gòu)是地表變形表現(xiàn)是否劇烈的直接因素。

3.4 地表移動(dòng)變形動(dòng)態(tài)特征

1）下沉速度曲線。煤層開采后，采空區(qū)上方的巖層應(yīng)力狀態(tài)重新分布，隨著采空區(qū)增大，不同類型巖層相繼發(fā)生垮落、下沉，相同時(shí)間內(nèi)下沉量有較大變化。根據(jù)傾向下沉數(shù)據(jù)，繪制下沉速度曲線，如圖5 所示。工作面推進(jìn)至840 m 時(shí)，下沉速度曲線較前幾次變化明顯，最大下沉速度陡增至153 mm/d，說明此時(shí)工作面已經(jīng)過B 線下方，與開采進(jìn)度相吻合。隨后下沉速度逐漸增加至最大，然后逐漸變小，直至移動(dòng)停止，最大下沉速度可達(dá)187.4 mm/d，位于B16 點(diǎn)。隨開采的進(jìn)行下沉速度逐漸減小，直到工作面推進(jìn)一定距離或開采停止一段時(shí)間后地表各點(diǎn)的下沉速度才會(huì)趨于0，總體經(jīng)歷了開始下沉-達(dá)到最大-逐漸減小-下沉結(jié)束的過程[20]。

圖5 傾向觀測(cè)線地表下沉速度曲線Fig.5 Surface subsidence velocity curve of inclined observation line

分析認(rèn)為，在該地質(zhì)條件下，由于上覆黃土層結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較小，幾乎不具有承載能力，經(jīng)過初次受采發(fā)生破壞之后，重復(fù)采動(dòng)時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)下沉量增大，整體表現(xiàn)為下沉速度較快。

2）最大下沉速度系數(shù)。選取傾向中心點(diǎn)B16 號(hào)測(cè)點(diǎn)作為研究對(duì)象，將測(cè)點(diǎn)各次測(cè)量的下沉量及計(jì)算的下沉速度與測(cè)點(diǎn)相對(duì)工作面的位置關(guān)系繪制成圖，如圖6 所示。可以看出，當(dāng)工作面接近測(cè)點(diǎn)下方時(shí)，下沉量開始增大，并伴隨著下沉速度增加，當(dāng)工作面越過測(cè)點(diǎn)一定距離后，下沉量增加至穩(wěn)定，點(diǎn)的下沉速度達(dá)到最大，隨后逐漸減小到0，最大下沉速度與最大下沉量不同時(shí)出現(xiàn)。

圖6 傾向中心點(diǎn)下沉與工作面位置關(guān)系Fig.6 Relationship between sinking of inclination center point and position of working face

最大下沉速度與采場(chǎng)上覆巖層巖性、工作面推進(jìn)速度、深厚比、采動(dòng)程度有關(guān)，覆巖巖性越軟，推進(jìn)速度越快，深厚比越小，則下沉速度越大。通過研究工作面推進(jìn)速度與最大下沉速度的關(guān)系，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)中工作面的推進(jìn)速度來計(jì)算出黃土層下地表最大下沉速度系數(shù)K。綜放開采垮落法管理頂板條件下，可采用由滕永海等[21]推導(dǎo)的公式進(jìn)行計(jì)算：

式中：vmax為最大下沉速度，mm/d；Wmax為地表最大下沉量，mm；c為工作面推進(jìn)速度，m/d；H0為平均開采深度，m。

將N1212 工作面實(shí)際生產(chǎn)中工作面平均推進(jìn)速度10 m/d，vmax為187.4 mm/d，H0取190 m，因此，得到黃土層地表最大下沉速度系數(shù)K=3.2，該值較一般煤層綜放開采[22]情況大，說明濕陷型黃土層下開采地表下沉速度增加的程度大，具有明顯的特殊性。

3）最大下沉速度滯后。如圖6 所示，在地表下沉速度曲線上，最大下沉速度點(diǎn)的位置總是滯后工作面一定的距離，這種現(xiàn)象稱為最大下沉速度滯后現(xiàn)象。其中最大下沉速度滯后距用l表示，最大下沉速度滯后角是把地表最大下沉速度點(diǎn)與最大下沉速度時(shí)刻工作面連線和煤層在采空區(qū)一側(cè)的夾角φ，則有

在上覆松散黃土層條件下，傾向上工作面中心點(diǎn)B16 的最大下沉速度時(shí)刻，工作面推進(jìn)距此點(diǎn)的距離為74 m，即滯后距為74 m，即該工作面的最大下沉速度滯后角φ為67°。由此可以看出，黃土溝壑區(qū)N1212 工作面地下開采過程中，最大下沉速度滯后角較大。

分析認(rèn)為在該濕陷型黃土層下，上覆巖土體結(jié)構(gòu)較弱，在煤層工作面推進(jìn)后，頂板的下沉量很快就傳到厚松散層，并在短時(shí)間內(nèi)到達(dá)地表，溝壑地形受到嚴(yán)重?cái)_動(dòng)，表現(xiàn)為破碎崩塌和產(chǎn)生大量裂隙。地表最大下沉速度點(diǎn)是地表移動(dòng)最活躍的點(diǎn)，其對(duì)于地表的破壞起到了關(guān)鍵作用。掌握地表最大下沉速度滯后角有助于確定在工作面回采過程中地表移動(dòng)劇烈的區(qū)域，以及最大下沉速度出現(xiàn)的時(shí)刻，對(duì)進(jìn)行地表沉陷修復(fù)措施具有重要意義[23]。

3.5 地表移動(dòng)周期

若將地表移動(dòng)下沉量達(dá)到10 mm 作為開始時(shí)刻，從剛開始到下沉速度剛達(dá)到1.67 mm/d 的時(shí)間段作為初始期，下沉速度大于1.67 mm/d 的時(shí)間段作為活躍期，下沉速度剛小于1.67 mm/d 時(shí)起至地表各點(diǎn)下沉累計(jì)不超過30 mm 時(shí)的階段作為衰退期。對(duì)所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，根據(jù)傾向線B14、B18 以及走向中心線上B16 觀測(cè)數(shù)據(jù)，以橫坐標(biāo)表示觀測(cè)時(shí)間，繪制了相應(yīng)地表點(diǎn)下沉速度曲線v(t)、下沉曲線W(t)以及B16 測(cè)點(diǎn)點(diǎn)位與工作面間的相對(duì)位置關(guān)系I(t)，如圖7 所示。

圖7 B14、B16、B18 號(hào)點(diǎn)下沉速度、下沉量與觀測(cè)時(shí)間關(guān)系Fig.7 Relationship between sinking speed and amount of B14,B16, and B18 points and observation time

圖7 可以看出地表點(diǎn)的下沉量、下沉速度開始時(shí)緩慢增加，當(dāng)觀測(cè)時(shí)間達(dá)到130 d 左右，下沉速度有增大的趨勢(shì)，逐漸進(jìn)入變形活躍階段；當(dāng)工作面經(jīng)過地表點(diǎn)下方時(shí)，即L＞0 m，其兩次觀測(cè)間隔僅為6 天，而下沉量增加迅速，下沉速度陡增，地表形變極為活躍；當(dāng)觀測(cè)時(shí)間為180 d 左右，下沉速度有所減緩，隨后降至1.67 mm/d 線下。

根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)并結(jié)合圖6 統(tǒng)計(jì)各點(diǎn)活躍期持續(xù)時(shí)間、下沉量等特征，見表3。各點(diǎn)的活躍期較短，而活躍期各點(diǎn)的下沉量占總階段下沉量的97%左右。由于黃土區(qū)特殊的地質(zhì)條件，以及工作面較大的推進(jìn)速度，加速了地表的下沉，因此地表活躍階段形變量大，在觀測(cè)時(shí)間內(nèi)最大下沉速度達(dá)到了187 mm/d。

表3 地表點(diǎn)最大下沉速度及活躍期特征統(tǒng)計(jì)Table 3 Statistics of maximum sinking speed and active period characteristics of surface points

綜上分析可知，濕陷型黃土區(qū)高強(qiáng)度開采地表移動(dòng)變形具有發(fā)展快、穩(wěn)定快、活躍期短的特征；初始期時(shí)間短且下沉量較小，活躍期開始后地表下沉量陡增，下沉速度與其呈正相關(guān)，下沉量大但持續(xù)時(shí)間短，地表點(diǎn)的下沉集中發(fā)生在活躍階段；該濕陷型黃土層屬于厚黃土層，最大厚度130 m 左右，回采速度快，基巖厚度較小，地下開采導(dǎo)致基巖全部破斷，形變傳遞到黃土層后能夠快速到達(dá)地表，下沉盆地很快形成，并伴隨著溝壑體崩塌和裂隙的出現(xiàn)；考慮到地表最大高差約90 m，溝壑發(fā)育，穩(wěn)定性極易受外力影響，濕陷黃土受到擾動(dòng)后，在雨水侵蝕、沖刷作用下，會(huì)再次產(chǎn)生移動(dòng)破壞[24]，實(shí)際地表移動(dòng)變形更加劇烈。

4 結(jié) 論

1）地表移動(dòng)整體上符合一般的沉陷規(guī)律，變形程度有所差異，受地形和重復(fù)采動(dòng)影響，地表移動(dòng)更加劇烈，沉陷盆地快速形成，移動(dòng)變形不連續(xù)且具有突變性，出現(xiàn)不均勻沉降。啟動(dòng)距在45～60 m，（1/4～1/3）倍平均采深，地表下沉量大，水平移動(dòng)值隨著采空區(qū)的不斷形成以及溝壑地形變化而變化，地表最大下沉量5.25 m，最大水平移動(dòng)值2.68 m，下沉系數(shù)達(dá)到0.78，重復(fù)采動(dòng)系數(shù)1.33，水平移動(dòng)系數(shù)為0.44，主要影響角正切值2.38，拐點(diǎn)偏移距為45 m。

2）基于N1212 工作面沉陷特征，確定走向邊界角65.9°，下山方向邊界角55.6°，上山方向邊界角51.7°，深厚比小于40，開采強(qiáng)度大、回采速度快，地表產(chǎn)生大量裂縫，變形劇烈，下沉盆地邊緣陡峭。通過對(duì)比不同地質(zhì)采礦條件下各工作面角量參數(shù)，在濕陷型黃土層下進(jìn)行高強(qiáng)度開采，受采程度越大，采動(dòng)影響越劇烈，且土層較軟易受雨水侵蝕，開采影響范圍廣，邊界角越??；一定采厚條件下，黃土層厚度越大、采深越小、危險(xiǎn)移動(dòng)范圍越大，移動(dòng)角越??；并分析得出深厚比是決定地表移動(dòng)變形形式和破壞程度的一個(gè)重要因素，基巖厚度與性質(zhì)決定形變是否迅速傳遞到地表，松散層結(jié)構(gòu)是地表變形表現(xiàn)是否劇烈的直接因素。

3）分析了濕陷型黃土層高強(qiáng)度開采的地表最大下沉速度以及地表點(diǎn)在工作面推進(jìn)過程中的下沉速度，最大下沉速度為187 mm/d，并得出工作面下沉速度系數(shù)K=3.2；最大下沉速度滯后距74 m，最大下沉速度滯后角為67°，形變傳遞迅速。

4）N1212 工作面開采后，地表移動(dòng)變形活躍期短，約為55 d，活躍期下沉量占移動(dòng)周期總下沉量97%左右。濕陷型黃土高強(qiáng)度開采條件下，地表移動(dòng)具有速度快、塌陷大、損害重的特征，活躍期短且活躍期下沉量占比大，地表移動(dòng)具有明顯的特殊性。綜合考量地質(zhì)開采條件與地表移動(dòng)變形特征，合理地控制開采強(qiáng)度，可以有效減小地表破碎程度，進(jìn)而減少水土流失。