淺埋深厚煤層高強(qiáng)度開采地表沉陷規(guī)律研究

徐飛亞 ，郭文兵 ，王 晨

（1.黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 河南 開封 475004；2.河南理工大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院, 河南 焦作 454003；3.河南佰利聯(lián)新材料有限公司, 河南 焦作 454003）

0 引 言

在“壓縮限制中東部、優(yōu)化西部”全國煤炭開發(fā)總體布局實(shí)施背景下，新疆、陜西、內(nèi)蒙古、寧夏等西北部礦區(qū)礦產(chǎn)儲(chǔ)量豐富可觀、礦產(chǎn)種類多樣齊全、煤質(zhì)優(yōu)良易于開采，今后仍會(huì)作為我國能源供應(yīng)的主要基地[1-2]。但是，西北部礦區(qū)由于煤層埋深較淺、大采高、關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)單一、推進(jìn)速度快等特點(diǎn)，在進(jìn)行大規(guī)模長(zhǎng)壁高強(qiáng)度開采的同時(shí)，其頂板運(yùn)動(dòng)劇烈、采場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)明顯[3-7]，對(duì)上覆巖層與地表造成的破壞也更為嚴(yán)重。

越來越多的學(xué)者對(duì)西部淺埋深高強(qiáng)度開采引起的地表沉陷規(guī)律進(jìn)行了深入的研究，取得了豐碩的成果[8-11]。王志山[12]、譚志祥等[13]、徐乃忠等[14]、孫慶先[15]通過綜放高強(qiáng)度開采工作面地表觀測(cè)實(shí)測(cè)資料得出，地表沉陷規(guī)律表現(xiàn)為地表最終下沉盆地呈陡峭趨勢(shì)，地表沉陷變形集中且動(dòng)態(tài)移動(dòng)變形值大而劇烈，地裂縫發(fā)育密集。郭文兵等[16]、陳俊杰等[17]認(rèn)為在淺埋厚煤層高強(qiáng)度開采條件下，地表下沉比較劇烈，地表最大下沉速度大，移動(dòng)變形比較集中。李德海等[18]、余學(xué)義等[19]認(rèn)為，在厚松散層地區(qū)煤層開采，上覆巖層破壞嚴(yán)重，地表呈現(xiàn)受采動(dòng)影響敏感、下沉速度大、下沉劇烈、下沉系數(shù)大和地表移動(dòng)衰退時(shí)間長(zhǎng)等特征。任永強(qiáng)等[20]總結(jié)得出，在淺埋煤層快速推進(jìn)條件下，工作面雙向（走向和傾向）均達(dá)到超充分采動(dòng)狀態(tài)，地表移動(dòng)變形連續(xù)漸變，移動(dòng)過程極其劇烈。張安兵等[21-22]根據(jù)大量采空區(qū)上方地表實(shí)測(cè)資料，提出了一種基于最大 Lyapunov 指數(shù)法及混沌最小二乘支持向量機(jī)法的地表沉陷預(yù)測(cè)模型。胡青峰等[23]指出，厚煤層開采引起的地裂縫在走向方向上呈周期性向前發(fā)育規(guī)律，其裂縫間距與直接頂來壓步距基本都為15 m，說明直接頂?shù)闹芷谛云茢嘁鸬亓芽p的周期性發(fā)育。黃慶享等[24]、張沛等[25]通過現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)和室內(nèi)相似模擬試驗(yàn)，研究分析了西部神東礦區(qū)、陜北礦區(qū)等高強(qiáng)度開采造成的地裂縫發(fā)育特征和形成規(guī)律，認(rèn)為當(dāng)?shù)乇頌楹裆巴翆訒r(shí)，會(huì)形成貫通型地裂縫，并建立“拱梁”結(jié)構(gòu)和“弧形巖柱”結(jié)構(gòu)模型，分析了地表厚砂土層的初次和周期垮落對(duì)貫通型裂縫的影響。然而，在工作面開采強(qiáng)度大、推進(jìn)速度快的開采條件下，厚關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)單一且賦存層位低的巖性條件下的地表沉陷規(guī)律研究方面較少。鑒于西北部礦區(qū)高強(qiáng)度開采地表移動(dòng)變形規(guī)律具有明顯的特殊性，以及開采引起的地裂縫災(zāi)害破壞嚴(yán)重，需進(jìn)一步的完善這部分的研究?；谖鞑可駯|礦區(qū)大柳塔煤礦52307 工作面的實(shí)測(cè)資料，采用多種觀測(cè)技術(shù)相互驗(yàn)證分析，研究了在厚關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)單一且賦存層位低的巖性條件下，淺埋深厚煤層高強(qiáng)度開采條件下地表移動(dòng)變形的靜、動(dòng)態(tài)規(guī)律和地表裂縫發(fā)育規(guī)律等問題。研究成果進(jìn)一步完善補(bǔ)充了西北部礦區(qū)高強(qiáng)度開采地表沉陷規(guī)律的研究?jī)?nèi)容，并對(duì)相似礦區(qū)開采引起的地裂縫災(zāi)害問題提供了一定的借鑒意義。

1 工作面概況及觀測(cè)站的建立

1.1 工作面概況

大柳塔煤礦位于陜西省神木縣大柳塔鎮(zhèn)，是神華神東煤炭集團(tuán)最早規(guī)劃建成、我國首個(gè)千萬噸級(jí)別的特大型現(xiàn)代化礦井。礦井分為大柳塔井（簡(jiǎn)稱“大井”）和活雞兔井（簡(jiǎn)稱“活井”）2 部分，其中52307 工作面屬于大井主要可采煤層5-2 煤層三盤區(qū)。煤層傾角較小，1°～3°，為近水平煤層；工作面走向和傾向長(zhǎng)度分別為4 462.6 m 和301 m；煤層平均埋深約為190 m，實(shí)際采高為6.7 m。采煤方法為走向長(zhǎng)壁后退式一次采全高。工作面兩側(cè)各有一個(gè)工作面，南側(cè)52306 工作面已回采結(jié)束，北側(cè)52501 工作面還未開始回采。工作面兩側(cè)巷道為運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷，兩巷寬度6 m，相鄰工作面留有煤柱，寬度20 m。工作面基本頂主要為厚度很大的細(xì)粒砂巖，直接頂為粉砂巖，厚度為3.7 m，直接底以粉砂巖為主。52307 工面布置如圖1 所示。

圖1 大柳塔52307 工作面布置Fig.1 Layout of panel No.52307 of Daliuta Coal Mine

1.2 觀測(cè)站的建立

根據(jù)圖1 可知，52307 工作面有一相鄰且回采結(jié)束的52306 工作面。該工作面于2014 年8 月開始進(jìn)行回采工作，2015 年6 月回采結(jié)束，2015 年4 月建立地表移動(dòng)觀測(cè)站開始進(jìn)行巖移觀測(cè)。52306 工作面開采期間，在4 月25 日和6 月6 日之間（工作面推進(jìn)290 m，即達(dá)到充分采動(dòng)時(shí)）共監(jiān)測(cè)25 次，并在回采結(jié)束后進(jìn)行了殘余變形監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，52306 工作面最大殘余下沉值在中部為26 mm、在兩側(cè)及端部小于10 mm，殘余變形影響范圍很小，對(duì)本次52307 工作面觀測(cè)結(jié)果沒有影響，確保了本次觀測(cè)結(jié)果的真實(shí)性和準(zhǔn)確性。

結(jié)合工作面上方實(shí)際地形地貌特點(diǎn)，本次觀測(cè)站布站方式為剖面線形狀觀測(cè)線，即在52307 工作面地表上方沿工作面推進(jìn)方向和垂直于工作面推進(jìn)方向各布置了1 條測(cè)線。其中，沿工作面推進(jìn)方向上（走向方向），在工作面中央布置一條A線，共18個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)編號(hào)分別為A1～A18，測(cè)點(diǎn)間距為20 m，長(zhǎng)度為358 m。在垂直于工作面推進(jìn)方向上（傾向方向）布置一條B線，距離工作面開切眼288 m，共20個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)編號(hào)分別為B1～B20，測(cè)點(diǎn)間距為20 m，長(zhǎng)度為380 m。為了避免相鄰52306 工作面殘余變形的影響，在開切眼以外地表一落差為34.6 m 的溝谷內(nèi)設(shè)置2 個(gè)控制點(diǎn)，分別為G1、G2。其中，G1、G2控制點(diǎn)距離鄰近52306 工作面開切眼端部分別為428.5、381.4 m。觀測(cè)站主要設(shè)計(jì)參數(shù)見表1，觀測(cè)站布置如圖2 所示。

表1 地表移動(dòng)觀測(cè)站設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Design parameters of observation station for surface movement

圖2 地表移動(dòng)觀測(cè)站布置設(shè)計(jì)Fig.2 Design layout of observation station for surface movement

1.3 觀測(cè)儀器及觀測(cè)方案

為準(zhǔn)確獲得地表觀測(cè)點(diǎn)的高程坐標(biāo)和平面坐標(biāo)，以及工作面開采后引起的地表下沉盆地，采用RTK技術(shù)與三維激光掃描相結(jié)合的手段進(jìn)行觀測(cè)。其中，高程坐標(biāo)采和平面坐標(biāo)采用中海達(dá)H32 全能型GNSS RTK 系統(tǒng)測(cè)量，地表下沉盆地采用RIEGL VZ-400 三維激光掃描系統(tǒng)測(cè)量，如圖3 所示。

圖3 工作面地表現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)Fig.3 Site observation on the surface of the panel

高程坐標(biāo)和平面坐標(biāo)監(jiān)測(cè)方案如下：在工作面回采前布置地面觀測(cè)點(diǎn)，并進(jìn)行首次測(cè)量；由于大柳塔煤礦52307 工作面屬于典型的淺埋高強(qiáng)度開采，工作面推進(jìn)過程中地表變形和沉陷速度較大，因此在工作面開始回采至達(dá)到充分采動(dòng)時(shí)（工作面推進(jìn)290 m），每天觀測(cè)1 次；當(dāng)工作面推過290 m 后，每2～3 d 觀測(cè)1 次。

三維激光掃描監(jiān)測(cè)方案如下：在工作面還未開始回采，地表也未產(chǎn)生移動(dòng)變形時(shí)觀測(cè)1 次，建立地表初始數(shù)字模型；工作面回采過程中地表還未達(dá)到充分采動(dòng)、地表達(dá)到充分采動(dòng)時(shí)和地表達(dá)到超充分采動(dòng)時(shí)各觀測(cè)1 次，獲得地表最終下沉盆地。

大柳塔52307 工作面于2016 年2 月24 日開始進(jìn)行回采工作。2016 年2 月14 日，工作人員在回采前進(jìn)行了第1 次全面觀測(cè)，得到地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)的初始平面和高程坐標(biāo)。2016-02-14—05-21（工作面從開切眼推進(jìn)到500 m），采用RTK 技術(shù)累計(jì)對(duì)觀測(cè)線A線測(cè)量了28 次，B線測(cè)量了4 次；采用三維激光掃描技術(shù)對(duì)工作面地表累計(jì)測(cè)量了4 次。

2 地表移動(dòng)變形觀測(cè)結(jié)果分析

2.1 地表下沉特征分析

52307 工作面平均埋深為190 m，當(dāng)工作面推進(jìn)到500 m 時(shí)（大于1.4 倍的采深），地表在走向和傾向方向上均已達(dá)到充分采動(dòng)。根據(jù)地表移動(dòng)觀測(cè)站實(shí)測(cè)結(jié)果，圖4 給出了走向方向上A測(cè)線地表下沉曲線，表2 給出了工作面達(dá)到充分采動(dòng)后地表最大移動(dòng)變形值。

表2 大柳塔52307 工作面地表不同巖移角值參數(shù)Table 2 Different angular value parameters of surface movement of panel No.52307 in Daliuta

圖4 走向方向上A 測(cè)線地表下沉曲線Fig.4 Surface subsidence curve of survey line A in strike direction

從圖4 中得出，在走向方向上，隨著工作面的推進(jìn)，地表下沉值逐漸增大，地表下沉范圍也會(huì)相應(yīng)變大，地表最大下沉值點(diǎn)隨之前移。由圖4 中曲線1～2 可知，2 次觀測(cè)時(shí)間相隔3 d，地表下沉值達(dá)到1 324.6 mm，地表移動(dòng)變形很快進(jìn)入到開始階段；由曲線3～7 可知，地表移動(dòng)變形達(dá)到活躍階段，此時(shí)地表測(cè)點(diǎn)隨著工作面的推進(jìn)，在開切眼位置，地表下沉值較小，之后突然增大，下沉曲線急劇變陡，當(dāng)達(dá)到最大下沉值時(shí)，下沉曲線開始逐漸變緩。最后一次觀測(cè)結(jié)束時(shí)，工作面回采至500 m，此時(shí)地表已達(dá)到超充分采動(dòng)狀態(tài)，最大下沉值不再變化，下沉曲線呈“碗底”形狀，如圖4 中曲線8 所示。

觀測(cè)結(jié)果表明，地表最大下沉值點(diǎn)為A9測(cè)點(diǎn)，最大下沉值為3 560 mm，下沉系數(shù)為0.53?；陉P(guān)鍵層原理[26]可知，隨著煤層的開采，基巖內(nèi)會(huì)存在一層或數(shù)層對(duì)其上覆巖層活動(dòng)直至地表破壞起主要控制作用的厚硬巖層，即關(guān)鍵層。關(guān)鍵層呈周期性的破斷失穩(wěn)會(huì)直接影響到采場(chǎng)上覆巖層的斷裂失穩(wěn)運(yùn)動(dòng)，從而波及到地表，引起地表沉陷、破壞，形成地裂縫等地質(zhì)災(zāi)害。根據(jù)對(duì)52307 工作面鉆孔柱狀圖分析可知，其上覆巖層只有一層關(guān)鍵層，為第2 層細(xì)粒砂巖，厚度為30.87 m，距離煤層3.7 m，屬于單一近場(chǎng)厚關(guān)鍵層。在煤層開采過程中，由于采高大、工作面推進(jìn)速度快，關(guān)鍵層和直接頂隨著工作面推進(jìn)位置“隨采隨垮”，繼而影響到地表，地表移動(dòng)變形劇烈，地表下沉增大。由于上覆巖層中能夠控制巖層移動(dòng)變形的關(guān)鍵層厚度大、距離開采煤層較近，在工作面推進(jìn)過程中厚關(guān)鍵層形成了分層垮落。此時(shí)，采空區(qū)空間范圍大，垮落頂板對(duì)采空區(qū)充填不充分，導(dǎo)致厚關(guān)鍵層在分層垮落時(shí)，其下位破斷塊體回轉(zhuǎn)角過大，無法形成鉸接結(jié)構(gòu)而隨著直接頂垮落；其上位破斷塊體回轉(zhuǎn)空間較小，形成穩(wěn)定的“砌體梁”結(jié)構(gòu)。因此，原屬于垮落帶的關(guān)鍵層上位巖層轉(zhuǎn)變成為了裂隙帶，有效抑制了上覆巖層移動(dòng)變形繼續(xù)向上傳遞，減緩地表下沉劇烈，使得地表最大下沉值變小，下沉系數(shù)比一般的大采高工作面較小。文獻(xiàn)[27]指出濟(jì)寧三號(hào)煤礦6.8 m 大采高工作面地表下沉系數(shù)達(dá)到0.675，但是由于埋深很大（560 m 以上），上覆巖層中存在多層關(guān)鍵層，覆巖破斷后塊體逐漸壓實(shí)，地表移動(dòng)持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，從而使得地表下沉值較大，地表下沉系數(shù)較大。

綜上所述，在厚煤層高強(qiáng)度開采條件下，由于大采高開采造成大開采空間，上覆巖層形成“隨采隨垮”的特點(diǎn)，地表下沉速度急劇變大，地表移動(dòng)變形劇烈；由于厚關(guān)鍵層分層垮落復(fù)合破斷的影響，覆巖破斷后巖層之間存有大量細(xì)小裂隙，導(dǎo)致地表最大下沉值變小，下沉系數(shù)變??；地表在工作面四周開采邊界下沉較小，地表移動(dòng)影響范圍小。

2.2 地表巖移角值參數(shù)分析

在礦井實(shí)際生產(chǎn)活動(dòng)過程中，地表建構(gòu)（筑）物保護(hù)煤柱、防水煤巖柱的留設(shè)都要基于地表巖移角值參數(shù)的選取。圖5 給出了走向主斷面上不同巖移角值參數(shù)的相對(duì)位置關(guān)系。

圖5 走向方向上主斷面地表巖移角量參數(shù)Fig.5 Surface movement angular parameters on major section along the mining direction

根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》（以下簡(jiǎn)稱“規(guī)范”）規(guī)定[28]，地表巖移角值參數(shù)是描述地表移動(dòng)盆地范圍和大小的重要參數(shù)，主要分為邊界角、移動(dòng)角、裂縫角和充分采動(dòng)角。

邊界角、移動(dòng)角和裂縫角分別都是以地表移動(dòng)盆地主斷面上某一個(gè)點(diǎn)為特征點(diǎn)，該特征點(diǎn)與采空區(qū)邊界連線和水平線在煤柱一側(cè)的夾角。

其中邊界角是以下沉值為10 mm 的點(diǎn)為特征點(diǎn)，稱為邊界點(diǎn)，如圖5 中的角3；移動(dòng)角是以傾斜值值±2 mm/m 和曲率值±0.2×10-3/m 三個(gè)值中最外一個(gè)變形值點(diǎn)為特征點(diǎn)，稱為危險(xiǎn)移動(dòng)邊界點(diǎn)；裂縫角是以最外側(cè)地表裂縫為特征點(diǎn)，稱為裂縫點(diǎn)。

充分采動(dòng)角是取地表移動(dòng)盆地平底最外側(cè)邊緣點(diǎn)在地表水平線上的投影點(diǎn)為特征點(diǎn)，該點(diǎn)和同側(cè)采空區(qū)邊界之間的連線與煤層在采空區(qū)一側(cè)的夾角。根據(jù)地表實(shí)測(cè)結(jié)果，經(jīng)過計(jì)算得到大柳塔52307 工作面地表不同巖移角值參數(shù)，見表2。

從表2 中看出，在西部淺埋深厚煤層高強(qiáng)度開采條件下，地表巖移角值參數(shù)要比一般的中東部礦區(qū)偏大，在走向方向上邊界角達(dá)到81°，移動(dòng)角達(dá)到85°。說明隨著工作面的快速推進(jìn)，地表移動(dòng)過程劇烈，主要集中在工作面中部，而四周邊界位置移動(dòng)變形值較小，造成邊界角和移動(dòng)角偏大，使得地表移動(dòng)影響范圍偏小，地表出現(xiàn)“中部破壞嚴(yán)重，四周破壞輕微”的現(xiàn)象。

2.3 三維激光掃描結(jié)果分析

三維激光掃描技術(shù)作為現(xiàn)代測(cè)量學(xué)中一種高新測(cè)量技術(shù)，逐漸廣泛地應(yīng)用在煤礦開采沉陷區(qū)的監(jiān)測(cè)中[29-30]。為了能夠得到整個(gè)工作面開采后地表的下沉盆地，采用三維激光掃描技術(shù)對(duì)工作面上方地表進(jìn)行了4 次掃描，分別是：①工作面還未開始回采，地表也未產(chǎn)生移動(dòng)變形；②工作面回采距離為144.7 m，地表還未達(dá)到充分采動(dòng)；③工作面回采距離為290 m，地表達(dá)到充分采動(dòng)；④工作面回采距離為500 m，地表達(dá)到超充分采動(dòng)。通過后處理軟件對(duì)每次掃描結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)配準(zhǔn)、點(diǎn)云濾波和簡(jiǎn)化，最終構(gòu)建每一期的地表DEM 數(shù)字模型。經(jīng)過對(duì)比分析得到工作面動(dòng)態(tài)地表下沉盆地和最終下沉盆地云圖。在最后一次掃描結(jié)束后，即工作面推進(jìn)到500 m 時(shí)，地表最終下沉全盆地云圖如圖6 所示。

圖6 三維激光掃描地表最終下沉全盆地云圖Fig.6 Cloud image of the final surface subsidence basin with 3D laser scanning technology

由圖6 得出，最后一次掃描結(jié)束后，地表沿走向和傾向均已達(dá)到超充分采動(dòng)狀態(tài)，地表最終下沉全盆地呈類似“碗底”形狀。圖6 右側(cè)為下沉值色帶，顏色越深表明下沉值越大，反之越小。下沉盆地中部顏色較深，下沉值較大，說明地表移動(dòng)變形主要集中在工作面中部；下沉盆地最外側(cè)為紅色區(qū)域，說明在工作面開采范圍以外下沉值較小，與2.1 節(jié)地表巖移實(shí)際觀測(cè)分析結(jié)果保持一致。受到地表地形原因的影響，下沉盆地中間沉陷區(qū)域顏色出現(xiàn)漸變現(xiàn)象，在溝谷區(qū)域下沉值變大，如圖6 中區(qū)域2 和3 下沉值色帶顏色略深；在地裂縫密集發(fā)育區(qū)域，色帶顏色明顯加深，說明最大下沉值發(fā)生在這一區(qū)域，最大值為3 592.1 mm。

根據(jù)上述分析可知，三維激光掃描技術(shù)在煤礦開采沉陷區(qū)的應(yīng)用能夠全面直觀地體現(xiàn)工作面開采后地表移動(dòng)變形特征，獲得地表下沉全盆地形貌和大小，對(duì)山區(qū)溝谷地形的下沉特征及地裂縫的分布、預(yù)測(cè)和采取相應(yīng)的治理措施也具有一定的指導(dǎo)意義。

2.4 CISPM 地表開采沉陷預(yù)計(jì)分析

地表開采沉陷預(yù)計(jì)是指在具體地質(zhì)采礦條件下，選取相應(yīng)的預(yù)計(jì)參數(shù)、預(yù)計(jì)模型和預(yù)計(jì)函數(shù)，對(duì)一個(gè)或多個(gè)工作面開采后研究分析地表移動(dòng)變形值在時(shí)間和空間上的分布規(guī)律。該結(jié)果對(duì)開采沉陷的理論研究和礦區(qū)的實(shí)踐生產(chǎn)都具有重要的指導(dǎo)意義。為驗(yàn)證上述地表實(shí)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，采用一種綜合地表沉陷預(yù)測(cè)模型軟件-CISPM 軟件[31]進(jìn)行地表開采沉陷預(yù)計(jì)，并將預(yù)計(jì)結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。該軟件是在美國長(zhǎng)壁開采工作面大量地表實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，利用影響函數(shù)法預(yù)計(jì)方法開發(fā)的一款預(yù)計(jì)軟件，最早是在1991 年由美國工程院院士Syd S.Peng 和美國西弗吉尼亞大學(xué)Luo Yi 教授共同提出，主要應(yīng)用于近水平煤層大規(guī)模長(zhǎng)壁開采工作面。軟件分為6 個(gè)板塊，分別為：LWSUB（最終下沉盆地的預(yù)計(jì)）、DYNSUB（動(dòng)態(tài)下沉的盆地的預(yù)計(jì)）、SUBSDNC（不規(guī)則工作面下沉盆地的預(yù)計(jì)），SURVEY（實(shí)際觀測(cè)資料的處理）、SUBDED（通過實(shí)際觀測(cè)資料得到最終的地表移動(dòng)預(yù)計(jì)參數(shù)）、CONSULT 程序（無實(shí)際觀測(cè)資料推導(dǎo)出最終的地表移動(dòng)預(yù)計(jì)參數(shù)）。

2.4.1 地表移動(dòng)變形預(yù)計(jì)參數(shù)的選取

通過實(shí)測(cè)資料的分析可得大柳塔52307 工作面地表實(shí)測(cè)最大下沉值為3 560 mm，最大水平移動(dòng)值為750 mm。由此可得，52307 工作面下沉系數(shù)q為0.53，水平移動(dòng)系數(shù)為0.21。其余參數(shù)（拐點(diǎn)偏移距、主要影響角、主要影響半徑）根據(jù)軟件中SUBDED模塊確定，即將大柳塔52307 工作面傾向觀測(cè)線B線實(shí)測(cè)下沉值點(diǎn)依次輸入軟件模塊，通過回歸分析得出其擬合下沉曲線以及預(yù)計(jì)參數(shù)擬合值，并與實(shí)測(cè)下沉曲線進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，曲線擬合和回歸結(jié)果如圖7所示。

圖7 大柳塔煤礦52307 工作面預(yù)計(jì)參數(shù)回歸值Fig.7 Regression of predicted parameters of panel 52307 in Daliuta Coal Mine

根據(jù)圖7 可知，擬合曲線最大下沉值為3 502.2 mm，與實(shí)測(cè)最大下沉值3 560 mm 誤差很小，回歸系數(shù)大于75%，表明回歸結(jié)果可靠，其中拐點(diǎn)偏移距為61.2 m、主要影響角為74.8°、主要影響半徑為51.4 m。

綜上分析，大柳塔52307 工作面地表移動(dòng)變形預(yù)計(jì)參數(shù)見表3。

表3 地表移動(dòng)變形預(yù)計(jì)參數(shù)Table 3 Predicted parameters of surface movement and deformation

2.4.2 地表移動(dòng)變形預(yù)計(jì)結(jié)果及分析

根據(jù)表3 所得到的預(yù)計(jì)參數(shù)，利用軟件中的LWSUB 模塊進(jìn)行計(jì)算分析，得到大柳塔52307 工作面回采到500 m 時(shí)地表任意點(diǎn)的移動(dòng)變形值。其中，地表下沉等值線如圖8 所示。

根據(jù)圖8 得出，下沉等值線整體呈圓角矩形形狀，說明在工作面回采結(jié)束后，地表下沉盆地整體呈“碗底”形狀。地表最大下沉值發(fā)生在采空區(qū)中部區(qū)域，最大值為3 556 mm。圖中最外側(cè)下沉值為10 mm等值線分布在工作面開采邊界，說明邊界角較大，地表影響范圍很小，與三維激光掃描儀得到的地表下沉盆地形貌和實(shí)測(cè)結(jié)果相符。下沉等值線靠近工作面中部數(shù)據(jù)急劇增大，下沉速度變大，當(dāng)在A9測(cè)點(diǎn)達(dá)到最大下沉值時(shí)，不再變化，趨于一條直線，說明地表已達(dá)到超充分采動(dòng)狀態(tài)，與實(shí)測(cè)下沉曲線相符。

根據(jù)上述分析，將地表巖移觀測(cè)實(shí)測(cè)結(jié)果、三維激光掃描結(jié)果和地表移動(dòng)變形預(yù)計(jì)結(jié)果三者所得到地表移動(dòng)變形值進(jìn)行對(duì)比分析，見表4。

表4 地表移動(dòng)變形最大值對(duì)比Table 4 Results comparison of the maximum values of surface movement and deformation

由表4 可知，3 種方法得到的地表移動(dòng)變形值誤差很小，證明所測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確。

3 地裂縫分布發(fā)育特征分析

3.1 地裂縫分布特征分析

地裂縫的形成從直觀來講，在井下開采過程中，當(dāng)?shù)乇硎艿酵鈦砘蜃陨淼膽?yīng)力大于其本身所能承受的最大應(yīng)力（拉伸或擠壓）時(shí)，會(huì)產(chǎn)生不同程度的破壞，如地表的拉伸張開、擠壓隆起或塌陷等現(xiàn)象。根據(jù)上述分析可知，大柳塔52307 工作面由于埋深淺、采高大、工作面推進(jìn)速度較快，工作面中部上方地表移動(dòng)變形劇烈，從而形成大量的地裂縫。通過對(duì)大柳塔52307 工作面不同類型地裂縫的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)、記錄，結(jié)合礦井井上下對(duì)照?qǐng)D和采掘工程平面圖，給出了工作面在回采結(jié)束后地裂縫分布素描圖，如圖9所示。

圖9 大柳塔52307 工作面地裂縫空間分布Fig.9 Spatial distribution of ground fissures of panel 52307 in Daliuta Coal Mine

由圖9 得出大柳塔52307 工作面地裂縫空間分布有以下特征：

1）地裂縫發(fā)育密集，主要集中分布在采空區(qū)中部，兩側(cè)巷道裂縫多為拉伸型張開裂縫。

2）工作面達(dá)到充分采動(dòng)以后，地裂縫整體呈“C”字形狀分布在工作面中部；隨著工作面的繼續(xù)推進(jìn)，地裂縫從開切眼位置開始繼續(xù)向回風(fēng)巷一側(cè)緩慢延伸、發(fā)育并逐漸閉合，最終形成連續(xù)包圍“漏斗”型形狀分布在整個(gè)工作面。其中，漏斗右側(cè)距工作面開切眼距離基本一致，約為24.1 m，相鄰2 個(gè)漏斗左側(cè)間距平均為28.4 m。

3）拉伸型地裂縫長(zhǎng)度最大可達(dá)到 155.2 m，寬度最大為0.3 m；臺(tái)階型裂縫最大落差高度達(dá)到0.5 m。相鄰兩條裂縫間距最大為16.1 m，平均間距為5.2 m。

3.2 地裂縫發(fā)育與工作面推進(jìn)速度的關(guān)系

通過分析地裂縫的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)記錄和工作面的推進(jìn)距離的關(guān)系得出，大柳塔52307 工作面拉伸型地裂縫總是滯后于工作面推進(jìn)位置一段距離出現(xiàn)，該距離記為裂縫滯后距d；地裂縫和工作面推進(jìn)位置的連線與水平線在采空區(qū)一側(cè)的夾角記為拉伸型裂縫滯后角δ，圖10 給出了地裂縫與工作面推進(jìn)位置相對(duì)位置示意。圖10 中h為采高，H為平均采深，s為工作面推進(jìn)度。

圖10 地裂縫與工作面推進(jìn)位置相對(duì)位置Fig.10 Relative location of surface cracks and the working face advancing position

基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)記錄，對(duì)拉伸型裂縫滯后距dL、臺(tái)階型裂縫滯后距dT分別與地裂縫發(fā)育當(dāng)日的工作面推進(jìn)速度v之間的關(guān)系進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見表5。

表5 不同類型地裂縫滯后距與開采速度統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 5 Statistics of different surface cracks lag distance and mining speed

采用Matlab 對(duì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得到了拉伸型和臺(tái)階型地裂縫滯后距與工作面推進(jìn)速度之間的關(guān)系式，分別見式（1）、（2），回歸關(guān)系圖如圖11所示。

圖11 不同類型地裂縫滯后距與工作面推進(jìn)速度之間的關(guān)系Fig.11 Relationship between lag distance of different kind of surface cracks and mining speed

由式（1）、（2）和圖11 得出：

1）大柳塔52307 工作面開采引起的拉伸型和臺(tái)階型地裂縫滯后距與工作面推進(jìn)速度均呈線性增大的關(guān)系。由于井下開采引起的巖層裂隙向地表發(fā)育需要經(jīng)過一定的時(shí)間，在工作面開采速度過快條件下，覆巖破斷及圍巖應(yīng)力的傳遞會(huì)滯后于工作面推進(jìn)距離，地表在工作面后方才開始出現(xiàn)破壞產(chǎn)生地裂縫。

2）拉伸型地裂縫滯后距主要分布在15～25 m，平均為21 m。

3）通過對(duì)地裂縫滯后距與工作面推進(jìn)速度之間的關(guān)系分析，能預(yù)測(cè)不同類型地裂縫出現(xiàn)的位置，進(jìn)而及時(shí)采取相應(yīng)的補(bǔ)填措施。

4 結(jié) 論

1）在淺埋深厚煤層高強(qiáng)度開采條件下，上覆巖層形成“隨采隨垮”的特點(diǎn)，巖層破壞帶來的擾動(dòng)迅速波及至地表，使得地表移動(dòng)變形劇烈，很快達(dá)到最大下沉值。之后下沉曲線開始逐漸變緩，下沉速度減小。

2）地表巖移角值參數(shù)比一般的中東部礦區(qū)偏大，其中移動(dòng)角為85°，邊界角為81°。說明地表移動(dòng)變形主要集中在工作面中部，工作面四周及開采范圍以外地表下沉較小。當(dāng)工作面回采結(jié)束后，地表下沉盆地呈現(xiàn)四周收斂快、中部破壞嚴(yán)重的現(xiàn)象。

3）不同類型的地裂縫大量發(fā)育，整體呈“C”字型集中分布在工作面中間。地裂縫總是滯后于工作面一段距離出現(xiàn)，且拉伸型和臺(tái)階型地裂縫滯后距與工作面推進(jìn)速度均呈線性增大的關(guān)系。