周婷婷，苏丽娟，刘 辉，朱晓峻

(1.安徽大学 资源与环境工程学院，安徽 合肥 230601；2.安徽省矿山生态修复工程实验室，安徽 合肥 230601；3.安徽大学 数学科学学院，安徽 合肥 230601)

我国西部矿区煤炭资源储量丰富，赋存稳定，地质条件简单，埋藏浅，基岩薄，煤层厚度大，地表大部覆盖松散层，工作面推进速度快，属于典型矿产资源高强度开采区。在该地质采矿条件下，地表下沉更加剧烈，移动变形更为集中，地表塌陷、地裂缝、山体滑移等地表破坏形式明显。

地表移动变形参数是表征岩层和地表移动规律的重要参数，同时也是矿山生产设计、地表下沉盆地危险移动边界划定、地表移动变形预计的基础数据[1]。针对不同地质采矿条件对地表移动变形参数的影响，国内外学者采用不同方法开展了研究，主要有：①基于现场实测和回归分析方法的移动参数变化规律研究[2-4]。此类研究主要是结合某一矿区多个地表移动观测站的实测数据，通过回归分析建立地表移动角值参数及概率积分法参数与地质采矿条件参数之间的经验公式。② 基于数值模拟和神经网络等技术手段的移动参数变化规律研究[5-8]，包括结合FLAC3D、UDEC 数值模拟实验结果，运用正交实验法和Matlab 获得相似地质采矿条件下地表移动变形参数与各地质采矿因素间的综合函数表达式，以及选取部分地质采矿因素为输入节点，采用神经网络模型对大量地表移动观测站实测数据进行训练和测试，从而构建地表移动变形参数的解算方法。③建立力学模型反演移动参数[9-10]。此类研究主要是根据矿区开采沉陷实测资料，以岩石力学为基础，采用弹性力学或有限元法等来反演移动参数进而计算出地表及岩层移动变形值，最后获得移动变形参数的变化规律。可见对于地表移动变形参数与地质采矿条件之间的关系研究已取得了丰富的理论和实践成果，但现有研究尚存在以下不足：①不同于常规地质采矿条件，西部矿区特有的浅埋深薄基岩条件下地表移动变形参数与煤层埋藏条件、开采条件和覆岩特性之间的关系尚不明确；② 已有研究指出，开采速度对地表动态变形影响较大，开采速度越快，地表变形越剧烈，但地表移动参数与开采速度和覆岩结构、埋藏条件之间的耦合关系并不明确；③地表移动参数和地质采矿条件之间的定量分析与探讨已较为全面，但尚未充分揭示地质采矿条件对地表移动参数的影响机理，尤其是覆岩结构、埋藏条件、工作面尺寸等关键因素对地表移动参数的影响等。

笔者基于神东矿区大柳塔矿22201 工作面地表移动观测站实测数据，获得浅埋深薄基岩开采条件下的地表移动变形规律；基于神东矿区18 个工作面的开采沉陷数据，分析地质采矿条件对地表移动参数的影响，并探讨其影响机理，以期对类似条件下的地表变形预计提供指导。

1 研究区域与数据获取

神东矿区现为我国最大的地下开采煤矿分布区，地跨晋、陕、蒙三省区，矿区南北长38～90 km，东西宽35～55 km，面积约为3 481 km2，整体产能超过2 亿t，拥有大柳塔、补连塔、柠条塔、韩家湾等大型现代化生产矿井累计19 个。

大柳塔矿位于陕北黄土高原北侧和毛乌素沙漠东南边缘，区内大部属风沙堆积地貌，植被稀疏，沟壑纵横。大柳塔矿22201 工作面位于井田南二盘区，工作面长643 m，宽349 m，煤层平均采高3.95 m，平均采深72.5 m，煤层倾角1°～3°，属于近水平稳定型煤层。地表大部为第四系松散层覆盖，平均厚度12.0 m，煤层基本顶为细砂岩，成分以石英、长石为主。直接顶为粉砂岩，水平层理发育，泥质胶结。基岩主要由粉砂岩、细砂岩和砂质泥岩组成，平均厚度60.5 m，钻孔柱状如图1 所示。工作面采煤方法为倾斜长壁式开采，垮落法管理顶板，推进速度9.6 m/d。

图1 大柳塔矿22201 工作面钻孔柱状图Fig.1 Drilling diagram of working face 22201 of Daliuta Coal Mine

依据研究区地形地物分布特征、覆岩岩性及煤层赋存条件，在22201 工作面上方地表建立移动观测站，设置半条走向观测线(观测点编号Z1—Z27)和一条倾向观测线(观测点编号Q1—Q30)，2 条观测线相互垂直，观测点间隔为20 m，布置如图2 所示。由于该工作面地形起伏较大，常规测量方法难以实施，因此，采用GPS-RTK 技术进行各观测站点的观测，含观测点平面坐标和高程测量以及地裂缝日常观测，观测时间自2012 年11 月18 日至2013 年5月2 日，累计观测14 期，观测频率为3 d/次。

图2 22201 工作面地表观测站布置Fig.2 Layout of surface observation lines of working face 22201

2 地表动态移动变形规律

2.1 变形特征

根据22201 工作面地表移动观测站实测数据，分别绘制不同时期工作面地表下沉曲线，如图3 所示，水平变形曲线如图4 所示。

图3 22201 工作面不同时期动态下沉曲线Fig.3 Dynamic sink curves in different time of working face 22201

图4 22201 工作面不同时期水平变形曲线Fig.4 Horizontal deformation curves in different time of working face 22201

由图3 可知，走向线最大下沉点为Z4，最大下沉值2 803 mm；倾向线最大下沉点为Q18，最大下沉值2 833 mm。2012 年11 月20 日至11 月29 日地表下沉值变化不大；2012 年11 月29 日至2013 年3月30 日地表下沉值迅速增加，2013 年3 月30 日至5月2 日，下沉值变化较小，地表逐渐形成稳定盆地。在Q19 处，下沉盆地底部出现一个明显的跳跃，这是由于受沟壑地形影响而造成的地表滑移，凸型地貌处下沉量减小，以该点为中心地表向两侧滑移[11]。

由图 4 可知，走向线最大水平变形值–41.67 mm/m；倾向线最大水平变形值35.49 mm/m。2012 年11 月20 日至11 月29 日水平变形值变化不大；2012 年11 月29 日至2013 年3 月30 日地表移动变形最为剧烈，2013 年3 月30 日至5 月2 日，地表移动变形量逐渐减小。

由此可见，神东矿区煤层开采地表移动变形具有突然性、剧烈性特征，下沉值急剧增大并很快达到最大值，水平变形在时间维度上较为集中，可在数日内完成大部分，工作面停采后移动变形可在短时间内达到稳定状态。

2.2 地表下沉速度

地表下沉速度是衡量地表移动变形剧烈程度的重要指标之一，覆岩越软、推进速度越大、深厚比(采深与采高的比值)越小，则下沉速度越大[12]。22201工作面地表下沉速度曲线如图5 所示。

图5 22201 工作面下沉速度曲线Fig.5 Sinking speed curves of surface working face 22201

由图5 可知，随着工作面推进，走向和倾向线地表下沉速度均经历一个由小到大再到小的变化过程，采空区下沉速度较大。走向线地表最大下沉速度点位于Z1，下沉速度为616.0 mm/d，倾向线地表最大下沉速度点位于Q13，下沉速度为643.3 mm/d，由此求得地表最大下沉速度系数K[13]：

式中：Vmax为地表最大下沉速度，mm/d；H0为平均采深，m；C为开采速度，m/d；Wmax为最大下沉量，mm。

由式(1)计算得22201 工作面地表最大下沉速度系数K=1.71。与我国其他矿区相比，该工作面地表最大下沉速度系数较大。主要原因有：①工作面推进速度较快，地表下沉剧烈；② 采区顶板覆岩岩性属于中硬岩层，而且基岩较薄，采动引起覆岩周期性破断特征明显；③地表大部覆盖风积沙，在自然状态下风积沙呈颗粒松散状态，抗拉、抗压强度较低，覆岩破断直达地表。

2.3 地表移动变形持续时间

根据开采沉陷理论，地表动态移动变形随时间发展的过程分为初始期、活跃期和衰退期。地表移动变形持续时间主要与岩石物理力学性质、采深以及工作面推进速度有关[12]。由实测数据可知，22201工作面最大下沉点位于Q18，绘制地表下沉持续时间曲线如图6 所示。

图6 22201 工作面地表下沉持续时间Fig.6 Duration of surface movement of working face 22201

由图6 可知，22201 工作面地表移动持续时间为163 d，其中初始期、活跃期、衰退期地表移动持续时间分别为3、133、27 d，分别占总持续时间的2%、82%、16%。地表总下沉量为2 833 mm，初始期、活跃期、衰退期地表下沉量分别为13、2 806、14 mm，分别占总下沉量的0.46%、99.05%、0.49%。

地表移动时间一般持续1.5～2.5 a，当采深较大、覆岩坚硬时，可持续5～6 a[13]。根据观测结果显示，22201 工作面地表移动持续时间非常短，在煤层开采5 个月后地表已达到稳态下沉盆地状态，活跃阶段占总持续时间较长，该阶段内下沉量异常集中。

3 地表移动参数变化规律

3.1 地表移动参数求取

地表移动变形预计是开采沉陷治理和“三下”采煤设计的重要依据。在传统的预计方法中，以概率积分法应用最为广泛，其具有参数容易确定、实用性强等特点[14]。概率积分法预计参数主要包括下沉系数q、水平移动系数b、主要影响角正切tanβ、拐点偏距s0、开采影响传播角θ0。根据22201 工作面实测数据求得预计参数：q=0.76、b=0.21、tanβ=1.55、s0=18 m、θ0=88.1°。

地表移动角量参数是确定地下开采对地表影响范围和影响时间的关键参数，主要包括边界角、移动角和裂缝角等。根据实测数据求得地表移动角量参数：走向边界角δ0=50.8°、上(下)山边界角γ0(β0)=51.7°、上(下)山移动角γ(β)=67.3°、走向裂缝角δ"=72.1°。其中，工作面煤层倾角较小，故取上下山边界角、移动角相等，因22201 工作面后期观测点数据缺失严重，故走向移动角δ无法求取。

3.2 地表移动参数分析

为进一步研究神东矿区地表移动参数变化规律，本文收集了神东矿区18 个工作面的开采沉陷实测数据。一般认为，采区上方的整个上覆岩层由松散层和基岩层2 种不同介质组成，其对地表移动的影响决定于二者之间的双重作用：一方面，基岩作为下部岩体，最先受到采动影响，其移动变形和破坏决定了松散层的活动特性；另一方面，松散层作为抗弯能力很低的随机介质覆盖于基岩之上，不仅对基岩有荷载作用，本身也以流动形式充填基岩下沉空间，最终引起地表下沉[15]。考虑到松散层与基岩层厚度的比例关系决定了煤层上覆岩层的综合岩性，本文将实测数据按松散层厚度与平均采深的比值为0.07～0.30、0.30～0.55 分成2 个类别，用于分析神东矿区地表移动参数变化规律，见表1。

表1 神东矿区部分矿井基本信息[11,16-32]Table 1 Basic information of some mines in Shendong Mining Area[11,16-32]

3.2.1 东西部矿区地表移动参数对比

我国东部矿区地质结构复杂、煤层埋藏深，常为多煤层开采且具有高潜水位。由于煤层埋藏条件、开采条件及覆岩结构等地质采矿因素的不同，神东矿区地表移动参数具有一些区别于东部矿区的特征，为此，本次收集了东部矿区16 个工作面的地表移动参数，用于东西部矿区地表移动参数对比分析。东部矿区部分矿井地表移动参数见表2，东西部矿区地表移动参数对比见表3。

表2 东部矿区部分矿井地表移动参数[17]Table 2 Surface movement parameters of some mines in eastern mining area[17]

表3 东西部矿区地表移动参数对比Table 3 Comparison of surface movement parameters in eastern and western mining areas

由表3 可知：神东矿区下沉系数较小，东部矿区下沉系数较大，最大值达到1.16；神东矿区与东部矿区水平移动系数、主要影响角正切相近；神东矿区与东部矿区移动角相近，但东部矿区移动角最小值与最大值之间的差值更大，差值可达36.7°；神东矿区与东部矿区相比移动角更小，而裂缝角更大。

3.2.2 概率积分法参数变化规律

通过对表1 中的数据进行回归分析，获得神东矿区18 个工作面的地表移动参数与采动程度、平均采深、采高、松散层厚度、基岩厚度以及开采速度之间的关系，概率积分法参数与地质采矿条件参数之间的关系如图7—图9 所示。

由图7 可知，下沉系数与松散层采深比(松散层厚度/平均采深，即h0/H0)之间存在先增大后减小的二次函数关系，当松散层采深比小于0.3 时，下沉系数随着松散层采深比的增大而增大，其占比每增大10%，下沉系数平均增大0.061 5；当松散层采深比为0.3 时，下沉系数达到最大值0.85；当松散层采深比大于0.30 时，下沉系数随着松散层采深比的增大而减小，其占比每增大10%，下沉系数平均减小0.086 1。

图7 下沉系数q 与松散层采深比h0/H0 的关系Fig.7 Correlation of q and h0/H0

由图8 可知：水平移动系数与MC/[(D/H0)h]之间存在先减小后增大的二次函数关系，当MC/[(D/H0)h]小于0.13 时，水平移动系数随着MC/[(D/H0)h]的增大而减小，其值每增大10%，水平移动系数平均减小0.242 0；当MC/[(D/H0)h]为0.13 时，水平移动系数达到最小值0.21；当MC/[(D/H0)h]大于0.13 时，主要影响角正切随MC/[(D/H0)h]的增大而增大，其值每增大10%，水平移动系数平均增大0.136 6。

图8 b 与MC/[(D/H0)h]的关系Fig.8 Correlation of b and MC/[(D/H0h)]

由图9 可知：主要影响角正切与hC/(H0M)之间存在先减小后增大的二次函数关系，当hC/(H0M)小于1.66 时，主要影响角正切随着hC/(H0M)的增大而减小，hC/(H0M)每增大10%，主要影响角正切平均减小0.106 5；当hC/(H0M)为1.66 时，主要影响角正切达到最小值1.52；当hC/(H0M)大于1.66 时，主要影响角正切随着hC/(H0M)的增大而增大，hC/(H0M)每增大10%，主要影响角正切平均增大0.056 1。

图9 tanβ 与hC/(H0M)的关系Fig.9 Correlation of tanβ and hC/(H0M)

3.2.3 地表移动角值参数变化规律

边界角、移动角、裂缝角与地质采矿条件参数之间的关系如图10—图12 所示。

由图10 可知：边界角与松散层采深比之间呈正线性关系，松散层采深比越大，边界角越大；松散层采深比每增大 10%，走向边界角平均增大2.998 8°，上(下)边界角平均增大2.699 4°。

图10 边界角与h0/H0 的关系Fig.10 Correlation of boundary angle and h0/H0

由图11 可知：移动角与基岩采深比(基岩厚度/平均采深，即h/H0)成正比，与采高、开采速度成反比，基岩采深比越小，采高、开采速度越大，移动角越小；MC/(h/H0)每增大10%，走向移动角平均减小0.011 0°，上(下)移动角平均减小0.012 9°。

由图12 可知：裂缝角与松散层采深比之间存在正线性关系，松散层采深比越大，走向裂缝角越大，松散层采深比每增大10%，走向裂缝角平均增大2.936 9°。

图12 裂缝角与h0/H0 的关系Fig.12 Correlation of crack angle and h0/H0

4 地质采矿条件对地表移动参数的影响机理分析

煤炭资源开采引起的地表变形是地下采空引起覆岩整体破坏而在地表呈现为沉陷盆地的一种地质灾害。地表移动变形由松散层变形和基岩变形2 部分组成，松散层力学性质与基岩不同，松散层结构松散，抗变形能力和抗剪切强度低，一般只发生弯曲下沉，基本不会产生碎胀或离层，呈整体下沉模式；基岩层岩性较硬，抗拉、抗压能力强，基岩在开采沉陷过程中能起到较好的控制作用[33]。地表移动参数是下沉盆地形态的定量描述，不同埋深、采高、基岩厚度、松散层厚度、采动程度、覆岩特性等地质采矿条件下，地表移动参数差异性较大。对于神东矿区而言，其影响主要表现在以下方面：

1) 地表移动变形普遍呈现沉陷速度快、初始期和衰退期短、活跃期移动变形集中等特征，主要是由于煤层埋藏浅、采高大、开采速度快等原因造成。煤炭开采技术的进步造成规模机械化综合采煤技术的广泛应用。机械化高速开采使上覆岩层整体破断，引起地表快速沉陷、快速稳定；在此开采条件下，多数煤层浅埋矿区的导水裂隙带将发育至地表，弯曲下沉带消失，地表的下沉盆地范围变小。

2) 概率积分法主要参数下沉系数、水平移动系数、主要影响角正切主要受松散层厚度、基岩厚度、采动程度、平均采深、采高和开采速度的影响。

开采沉陷由采空区向上传递过程中，与基岩相比，由于松散层物理力学强度较弱，松散层在上覆岩层中的占比越大，作用在基岩上的荷载越大，地表下沉量越大；但当松散层厚度或占比足够大时，覆岩在移动过程中可形成松散层拱，反而减小地表移动变形[34-35]。如图7 所示：当h0/H0＜0.3 时，难以形成松散层拱，松散层占比越大，基岩承受荷载越大，下沉系数则越大；当h0/H0＞0.3 时，形成松散层拱，松散层占比越大，拱的效应越明显，地表下沉系数越小。

水平移动系数受基岩厚度、采动程度、采高和开采速度的耦合影响。一方面，松散层的压缩特性使地表水平移动范围增大[36]，故水平移动系数随松散层厚度增大、基岩厚度减小而增大；另一方面，采动程度越大、采高越大、开采速度越快，上覆岩层破坏程度越大，地表移动变形也越大[36]，故水平移动系数随采动程度、采高和开采速度的增大而增大。如图8 所示：当MC/[(D/H0)h]＜0.13 时，水平移动数据随着MC/[(D/H0)h]的增大而减小；当MC/[(D/H0)h]＞0.13 时，水平移动数据随MC/[(D/H0)h]增大而增大。

主要影响角正切受基岩厚度、平均采深、采高和开采速度的耦合影响。首先，松散层较基岩层变形连续性更强且传播范围更广，使地表移动范围扩大，故主要影响角正切随松散层采深比增大、基岩采深比减小而减小；其次，采高越大，采空区上覆岩层破断后回转及下沉空间越大，上覆岩层就越难保持相对稳定的整体结构，更易发生变形和破断，导致垮落带、导水裂隙带发育高度增大，离层裂隙加大，地表沉降范围扩大[37]，故主要影响角正切随采高的增大而减小；最后，开采速度越快，上覆岩层破坏程度越大，地表下沉盆地范围越大，因此，主要影响角正切随开采速度的增大而减小。如图9所示：当hC/(H0M)＜1.66 时，主要影响角正切随着hC/(H0M)的增大而减小；当hC/(H0M)＞1.66 时，主要影响角正切随hC/(H0M)的增大而增大。

3) 地表移动角值参数主要受松散层厚度、基岩厚度、平均采深、采高和开采速度的影响。

①边界角与松散层采深比成正比。与东部矿区黏性土不同，神东矿区土质一般为砂土和粉土，其黏聚力更小，对地表下沉边界的扩散作用有限，当松散层占比越大时，基岩承受荷载越大，从而缩小了离层间距和碎胀程度，故地表移动盆地边缘下沉曲线收敛速度加快，边界角增大。

② 移动角与基岩采深比成正比，与采高、开采速度成反比。随着基岩在覆岩层中所占比例的增加，井下岩层垮断后悬顶距增大，地表3 个临界变形位置越偏向采空区一侧，移动角越大；采高越大、开采速度越快，地表移动变形值越大，移动过程剧烈，移动范围增大，岩层移动角减小[7]。

③裂缝角与松散层采深比成反比。对于西部浅埋煤层，基岩破碎会导致地裂缝的产生，基岩厚度与采高的比值是浅埋煤层开采地裂缝形成的关键因素[38]。随着松散层在上覆岩层中所占比例的减小，基岩层所占比例的增大，覆岩层抗拉伸能力增强，阻滞了裂缝的扩张，故地表裂缝角逐渐减小。

5 结论

a.神东矿区煤层开采主要呈现出地表沉陷速度快、活跃期移动变形量集中、衰退期短等特点，最大下沉速度达643.3 mm/d，活跃期下沉量占总下沉量的99%；与东部矿区相比，神东矿区下沉系数偏小、移动角偏小、裂缝角偏大。

b.下沉系数与松散层采深比之间呈先增大后减小的二次函数关系，受基岩承载松散层荷载和松散层拱效应的影响；水平移动系数和主要影响角正切分别与(采高×开采速度)/(宽深比×基岩厚度)、(基岩厚度×开采速度)/(采深×采高)之间呈先减小后增大的二次函数关系，受煤层赋存条件、开采条件及覆岩结构的耦合影响。

c.边界角、裂缝角与松散层采深比呈正线性关系；移动角与基岩采深比成正比，与采高、开采速度成反比。地表移动角值参数主要受覆岩和表土结构影响，松散层采深比越大，边界角越大，裂缝角越大，移动角越小。

d.对于神东矿区，松散层和基岩厚度的占比关系决定2 种不同介质在地表变形中的力学响应，从而影响地表移动参数的变化。基岩承载松散层荷载及松散层拱效应的变化是导致地表移动参数变化的根本原因。