楊俊哲，張廣偉，楊新林，錢建國(guó)，王 博

（1. 神華新街能源有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯，017200；2. 北京城建勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，北京 100020；3. 國(guó)能神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司 規(guī)劃發(fā)展部，陜西 榆林 719315；4. 遼寧工程技術(shù)大學(xué) 測(cè)繪與地理科學(xué)學(xué)院，遼寧 阜新 123000；5. 國(guó)能神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司 地測(cè)公司，陜西 榆林，719315）

0 引言

煤礦開采沉陷與隨之產(chǎn)生的相關(guān)問題，影響煤礦企業(yè)的可持續(xù)健康發(fā)展，也會(huì)破壞當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境，影響綠色礦山、生態(tài)礦山的建設(shè)，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致群企矛盾，影響社會(huì)的和諧穩(wěn)定.因此研究不同地質(zhì)及采礦條件下的地表沉陷規(guī)律，對(duì)預(yù)防與減小可能帶來(lái)的危害就顯得十分重要[1-2].

遙感傳感技術(shù)、信息網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等技術(shù)的進(jìn)步，使礦山測(cè)量領(lǐng)域的數(shù)據(jù)獲取技術(shù)更加先進(jìn)、獲取方式更加快捷，不僅出現(xiàn)了自動(dòng)化程度和測(cè)量精度都很高的全站儀，還出現(xiàn)了高精度多系統(tǒng)的差分定位接收機(jī)和實(shí)時(shí)變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等[3-7]，這為礦山開采沉陷的研究，特別是地表移動(dòng)規(guī)律的研究提供了數(shù)據(jù)獲取技術(shù)保障.有效處理和充分利用大數(shù)據(jù)成為學(xué)者研究的重點(diǎn)[8-10].

神東上灣煤礦8.8 m 超大采高智能綜采工作面引起的地表變形規(guī)律有其特殊性.以上灣煤礦12401 工作面為例，對(duì)工作面開采后地表位移觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析，在此基礎(chǔ)上，計(jì)算表征礦山開采地表移動(dòng)的主要指標(biāo)值，對(duì)該地質(zhì)采礦條件下地表移動(dòng)變形規(guī)律與特征進(jìn)行研究，以期為上灣煤礦及類似條件礦井的沉陷治理提供依據(jù).

1 觀測(cè)站布置

1.1 地質(zhì)及開采條件

上灣煤礦是神東煤炭集團(tuán)骨干生產(chǎn)礦井之一.上灣煤礦的12401 工作面位于井田中部，是12#煤層四盤區(qū)的首采面.12#煤層厚7.56～10.79 m，傾角1°～5°，底板標(biāo)高1 043～1 066 m，地面標(biāo)高1 188～1 300 m，平均采深215 m.上覆巖層以泥巖、細(xì)粒砂巖和粉砂巖為主，基巖厚 120 ～220 m，地表松散層主要為土黃色中、細(xì)粒風(fēng)積砂，厚度 0 ～22.12 m.12401 工作面傾向長(zhǎng)299 m，走向長(zhǎng)5 286 m.工作面地質(zhì)構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單，為一個(gè)傾角不大于5°的單斜構(gòu)造，工作面自西北向東南方向回采，回采方向與煤層傾向斜交.工作面自2018 年3 月開始回采，每月平均回采250 m 以上，采用傾斜長(zhǎng)壁后退式一次采全高工藝進(jìn)行回采，采用全部垮落法處理頂板.

1.2 觀測(cè)站設(shè)置與觀測(cè)概況

觀測(cè)站分別沿煤層走向和傾向布設(shè)，根據(jù)《煤礦測(cè)量規(guī)程》相關(guān)要求，傾向方向?yàn)槿L(zhǎng)觀測(cè)線，長(zhǎng)度1 110 m，共布設(shè)觀測(cè)點(diǎn)43 個(gè)，編號(hào)為L(zhǎng)1～L43，控制點(diǎn)4 個(gè)，編號(hào)分別為B1、B2、C1、C2；走向方向因工作面長(zhǎng)度大于1.4 倍平均采深，布設(shè)半長(zhǎng)觀測(cè)線，長(zhǎng)度950 m，共布設(shè)測(cè)量點(diǎn)38 個(gè)，編號(hào)為K1～K38，控制點(diǎn)3 個(gè)，編號(hào)為A1～A3，觀測(cè)點(diǎn)平均間距20 m，控制點(diǎn)間距約80 m.觀測(cè)站布置示意見圖1.

圖1 觀測(cè)站布置示意Fig. 1 layout of observation station

觀測(cè)站自2018 年2 月建成，穩(wěn)定兩周后開始全面觀測(cè).工作面自2018 年3 月開始回采，2019年8 月回采結(jié)束，在此期間共進(jìn)行了22 次水準(zhǔn)測(cè)量和5 次全面觀測(cè)，共獲得2 226 組觀測(cè)數(shù)據(jù).

2 地表移動(dòng)規(guī)律研究

2.1 數(shù)據(jù)的選取

從理論上分析，觀測(cè)數(shù)據(jù)量可以大量獲??；從實(shí)際情況分析，應(yīng)選取典型數(shù)據(jù)深入挖掘，進(jìn)而體現(xiàn)目標(biāo)主體的特征.因此，在獲取大量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，選取典型數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析.數(shù)據(jù)主要包括觀測(cè)點(diǎn)的平面坐標(biāo)和高程，部分高程數(shù)據(jù)見表1.

表1 部分觀測(cè)點(diǎn)高程數(shù)據(jù)Tab.1 part of Elevation data of observation point

2.2 地表移動(dòng)特征指標(biāo)計(jì)算

不同礦井地質(zhì)及開采條件不同，煤炭開采后地表移動(dòng)特征有所差異.根據(jù)上灣煤礦多年的觀測(cè)數(shù)據(jù)和研究結(jié)果，地表沉陷特征可用地表下沉、水平移動(dòng)和水平變形等指標(biāo)進(jìn)行衡量.由實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，按照《煤礦測(cè)量規(guī)程》相應(yīng)公式進(jìn)行計(jì)算，得到實(shí)測(cè)階段最大移動(dòng)指標(biāo)值，結(jié)果見表2.

表2 觀測(cè)站最大移動(dòng)變形Tab. 2 maximum moving deformation of observation station

煤礦開采除了上述地表變形評(píng)價(jià)指標(biāo)外，其他評(píng)價(jià)指標(biāo)有邊界角、移動(dòng)角、裂縫角等.根據(jù)開采過程中，各典型監(jiān)測(cè)點(diǎn)的移動(dòng)變形量與相應(yīng)開采工作面對(duì)應(yīng)關(guān)系，分析得出巖移角參數(shù)見表3.

表3 巖移角參數(shù)Tab. 3 displacement angle parameter

地表移動(dòng)動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)是衡量礦山開采對(duì)地表影響速度和程度等的特征量，主要包括起動(dòng)距、超前影響角、最大下沉速度、最大下沉速度滯后角.根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析計(jì)算得出地表移動(dòng)動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)見表4. 由表4 可知，地表起動(dòng)時(shí)間短，地表移動(dòng)過程中下沉速度快，但活躍期較短.主要是由于基巖厚度較小，工作面推進(jìn)速度快，導(dǎo)致應(yīng)力的散播效應(yīng)明顯，傳導(dǎo)快、消散快.

表4 地表移動(dòng)動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)Tab. 4 dynamic evaluation index of surface movement

2.3 地表沉陷特征分析

12401 工作面開采對(duì)地表影響的調(diào)查結(jié)果顯示，工作面上方地表的大部分區(qū)域未出現(xiàn)明顯沉陷，只有小部分區(qū)域出現(xiàn)了較為明顯的沉陷.分別沿走向和傾向方向布置觀測(cè)線，根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)繪制了地表下沉趨勢(shì)，見圖2.

圖2 觀測(cè)點(diǎn)下沉量Fig. 2 subsidence of observation point

由圖2 可見，12401 工作面開采影響的地表范圍較廣，表現(xiàn)為邊界角較??；地表下沉量隨著開采范圍的擴(kuò)大而增大，但開采的主要影響范圍較小，表現(xiàn)為地表移動(dòng)角較大.最大下沉點(diǎn)位于走向線上的K20 點(diǎn)（K20 點(diǎn)距切眼約100 m，下沉達(dá)6.19 m，對(duì)應(yīng)的工作面推進(jìn)位置采厚8.4 m），而不是走向線與傾向線的交點(diǎn)L22 點(diǎn)（L22 點(diǎn)距切眼約300 m，下沉達(dá)5.03 m，該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的工作面推進(jìn)位置采厚7.6 m），考慮到工作面不同推進(jìn)位置開采厚度的差異，下沉盆地位置向切眼方向移動(dòng)，充分采動(dòng)角增大.

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果與12401 工作面地質(zhì)采礦條件和地表下沉情況，在基巖厚度比相對(duì)較小、地表覆蓋砂粒質(zhì)松散層、大采高綜采一次采全高條件下，地表下沉特征表現(xiàn)為：開采影響范圍廣（接近松散層移動(dòng)角）、下沉速度快（最大下沉速度達(dá)到424 mm/d）、主要影響范圍相對(duì)較小.地表局部區(qū)域容易受到巖體采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)短期而快速變化的影響，活躍期過后，開采對(duì)地表的影響緩慢而持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，影響程度較小.

2.4 地表裂縫發(fā)育特征分析

由多次調(diào)查結(jié)果分析可知，地表裂縫隨12401工作面的持續(xù)推進(jìn)呈現(xiàn)發(fā)育、閉合、再發(fā)育的特征，即在工作面推進(jìn)前方地表的裂縫先逐漸發(fā)育發(fā)展，當(dāng)工作面推過裂縫時(shí)又逐漸閉合，但當(dāng)工作面推過一段距離之后，地表裂縫又出現(xiàn)開裂，且不再閉合，部分地表出現(xiàn)臺(tái)階狀裂縫，且裂縫寬度較大，最大裂縫寬度達(dá)300 mm，見圖3.

圖3 地表裂縫發(fā)育特征Fig. 3 development characteristics of surface fractures

裂縫分布在工作面周圍，呈環(huán)狀分布、非連續(xù)性延展，一般有多條裂縫.裂縫分布情況見圖4，圖中品紅色線段為裂縫位置.

圖4 地表裂縫分布Fig. 4 distribution map of surface cracks

2.5 地表移動(dòng)變形規(guī)律

通過對(duì)上述指標(biāo)的綜合分析可以得出上灣煤礦超大采高工作面開采地表移動(dòng)規(guī)律.

（1）12401 工作面開采基本穩(wěn)沉后，地表沉陷范圍大，大幅沉陷區(qū)域較小，主要集中在工作面附近，而距工作面一定距離后地表下沉值減小較快，直到開采影響邊界下沉值變化較小，地表移動(dòng)盆地呈現(xiàn)典型的倒立草帽狀.造成這種形態(tài)的主要原因是該區(qū)域地表覆蓋著數(shù)十米厚的砂粒狀松散土層，在采動(dòng)影響下，松散土層在滑動(dòng)摩擦力作用下產(chǎn)生緩慢蠕變效應(yīng)，導(dǎo)致地表沉陷范圍擴(kuò)大，表現(xiàn)在巖移參數(shù)上就是邊界角較小.

（2）大采高綜采一次采全高、快速推進(jìn)條件下，地表下沉盆地陡峭、變形分布集中，地表最大下沉速度大，但活躍期較短（55 d 左右），僅占地表移動(dòng)持續(xù)時(shí)間（466 d）的12%左右.這主要是由于該區(qū)域基巖厚度比較小，在工作面快速推進(jìn)時(shí)，上覆巖層下沉速度快、相對(duì)懸空時(shí)間少，礦山應(yīng)力傳導(dǎo)速度快而集中，造成冒落帶、裂縫帶增高，彎曲帶相對(duì)減小，進(jìn)而移動(dòng)變形較為集中、動(dòng)態(tài)變形值大、地表移動(dòng)劇烈.表現(xiàn)在巖移參數(shù)上，就是開采影響啟動(dòng)時(shí)間短、移動(dòng)角較大，主要影響角正切值達(dá)到3 以上，最大下沉速度超過424 mm/d.

（3）大采高綜采一次采全高、基巖采厚比較小條件下，地表裂縫發(fā)育明顯，沿工作面呈橢圓形非連續(xù)分布，且主要靠近切眼與終采線位置，工作面推進(jìn)過程中前方地表的裂縫呈發(fā)育、發(fā)展、閉合的一般過程，最大發(fā)育寬度達(dá)數(shù)百毫米，工作面推過后，大部分地裂縫閉合，少部分進(jìn)一步發(fā)展成永久裂縫，且出現(xiàn)臺(tái)階狀塌陷，最大落差可達(dá)百毫米以上.

3 結(jié)論

通過對(duì)神東上灣煤礦地表監(jiān)測(cè)的大量數(shù)據(jù)分析和理論研究，得出神東上灣煤礦在地表覆蓋砂粒質(zhì)松散土層、采用大采高綜采一次采全高工藝、基巖采厚比較小、快速推進(jìn)條件下的地表移動(dòng)變形規(guī)律，結(jié)論如下.

（1）地表下沉盆地呈覆蓋范圍廣、顯著區(qū)域小而陡的倒立草帽式移動(dòng)特點(diǎn).表現(xiàn)在參數(shù)上，即開采影響邊界角偏小，但移動(dòng)角偏大（即主要影響角正切值偏大）、下沉系數(shù)也偏大.

（2）地表活躍期較短，按正常速度推進(jìn)時(shí)地表下沉速度較快，主要沉陷活動(dòng)20 d 內(nèi)完成，地表移動(dòng)劇烈，衰退期相對(duì)較長(zhǎng)，整個(gè)觀測(cè)區(qū)地表破壞嚴(yán)重，形成明顯的臺(tái)階狀地形.表現(xiàn)在參數(shù)上，就是起動(dòng)距離短、時(shí)間快.

（3）地表裂縫發(fā)育范圍相對(duì)較小，但裂縫發(fā)育明顯，主要集中在工作面周邊區(qū)域，呈橢圓狀非連續(xù)環(huán)形分布狀態(tài)，條數(shù)多.表現(xiàn)在參數(shù)上，為裂縫角較大.