风沙滩地区中深埋厚煤层综采地表移动变形规律实测研究

谢晓深，侯恩科，王双明，刘 峰，谢永利，陈 真，马 越，白 坤

（1.西安科技大学地质与环境学院，陕西西安 710054；2.陕西省煤炭绿色开发地质保障重点实验室，陕西西安 710054；3.陕西省一八五煤田地质有限公司，陕西榆林 719000；4.陕西小保当矿业有限公司，陕西榆林 719302）

近年来，随着东部煤炭资源的逐渐枯竭，煤炭战略中心逐渐西移，陕西成为煤炭开发利用的1 个“主场”[1-3]。榆神矿区是陕北1 个重要的煤炭开发利用基地，开采强度高，规模大。但该地区年平均降雨量相对较小，生态环境相对脆弱[4-8]。

煤炭开采势必会打破围岩原有的应力平衡，致使地表发生沉陷，产生地表裂缝，进而对水资源、植被等生态环境因子造成负面影响[9]。目前，榆神矿区内浅埋深煤层是开发利用的主要对象，且区内有黄土沟壑和风沙滩地2 种地貌类型，因此吸引了众多学者在此开展有关地表移动变形方面研究。赵兵朝等通过分析地表移动变形监测数据揭示了黄土沟壑区浅埋多煤层开采地表移动变形规律，提出了附加斜坡变形在内的适宜黄土沟壑区的采煤沉陷量计算方法[10]；侯恩科等对比无人机航拍影像和卫星遥感影像在采动地表裂缝识别的优缺点，并提出了基于无人机遥感影像的采煤沉陷量计算方法[11-12]；范立民等利用分形理论对工作面回采诱发的地表裂缝空间规律进行了统计分析，揭示了不同位置区域的地表裂缝发育特征，提出了西部高强度采煤区矿山地质灾害防控技术[13]；胡振琪等揭示了补连塔12406 工作面的地表移动变形特征，采动地表裂缝超前发育且超前距与回采进尺有明显的正相关关系，并伴有“M”型动态规律[14]；侯恩科等通过现场实测和相似模拟实验揭示了沟谷区不同位置的地表裂缝动态发育规律[15-16]；郭文兵等通过地表移动观测揭示了浅埋厚煤层高强度开采地表移动规律，求取了移动参数[17]；余学义等利用数值模拟软件揭示黄土沟壑区地表移动变形的特点，阐明了地表移动变形的控制因素[18]；汤伏全[19]、卢家欣[20]、戴华阳[21]、黄庆享[22]、胡青峰[23]、刘辉[24]、郭俊廷[25]等都在浅埋煤层开采地表移动变形特征方面取得了较为丰富的研究成果。

但随着榆神矿区煤炭资源开发利用的深入，中深埋煤层开采已逐步成型，其引起地表移动变形特征与浅埋煤层区不尽相同。为此，以榆神矿区三期规划区中部的小保当一号井首采工作面为研究区，开展风沙滩地区中深埋厚煤层开采地表移动变形规律研究，揭示地表下沉、地表水平移动变形规律和地表裂缝发育特征。

1 研究区开采地质条件及观测布置

1.1 研究区开采地质条件

112201 工作面是小保当一号井的首采工作面，工作面走向长约4 560 m，倾向斜长350 m。开采2-2煤层，平均开采深度302 m，开采厚度5.47～6.10 m，平均采厚5.8 m；煤层倾角小于1°，属于稳定的厚煤层开采。工作面采用综合机械采煤方式进行开采，一次采全高，全部垮落法管理顶板，于2018 年9 月开始回采至2019 年12 月回采结束，日回采进尺约12 m/d。工作面具有采高大，开采尺寸大，推采速度较快等特点，属于高强度开采。

2-2煤层上覆基岩平均厚度230 m，岩性由砂岩，泥岩以及风化岩组成，属中硬-坚硬岩层；风化岩之上赋存较厚的保德红土层，厚度在50～90 m 之间，平均厚度65 m。地表出露第四系风沙和萨拉乌苏组沙土，厚度在3.3～29 m 之间，平均为8.5 m。工作面地形较为平坦，是典型的风沙滩地地貌。

1.2 地表移动变形观测布置

经现场踏勘，112201 工作面地形平坦，面内地物稀少。因此，在工作面切眼上方设置走向、倾向2条观测线，进行地表移动变形观测。工作面走向长4 650 m>1.4H0（平均采深H0=302 m），走向可达充分采动。经计算，走向观测线最小为461 m，由于工作面地表松散层较厚，为确保走向线覆盖下沉盆地的半长，最终确定走向线长度900 m。

为保证倾向观测线覆盖下沉盆地和工作面宽度，并有一定的安全距离，倾向观测线长度设定为1 000 m。2 条测线在距切眼内侧550 m 位置相交，地表移动观测点布置图如图1。2018-09-21—2020-05-12为地表移动观测期，共进行了31 次观测，地表移动观测站数据见表1。

表1 地表移动观测站数据Table 1 Data of surface movement observation

图1 地表移动观测点布置图Fig.1 Layout map of observation points

2 地表移动变形规律

2.1 地表移动变形特征

2.1.1 地表下沉特征

走向地表下沉曲线如图2。

图2 走向地表下沉曲线Fig.2 Subsidence curves of strike direction

由图2 可以看出，2018-10-08（回采距离80 m）切眼外侧75 m 至内侧125 m 的范围内（Z10～Z18点）地表下沉值不少于10 mm，表明地表开始受到采动影响，且具有超前性。随工作面不断推采，地表下沉盆地逐步形成，最后趋于稳定。截止至2020-05-12（工作面回采完成5 个月后），距切眼内侧125 m 处（Z18 点）地表下沉值最大，为3 841 mm。

工作面倾向斜长为350 m，开采宽深比为1.15，接近充分采动。根据观测数据，绘制的倾向地表下沉曲线如图3。

图3 倾向地表下沉曲线Fig.3 Subsidence curves of dip direction

2018-11-18 倾向观测线上部分监测点（监测点Q11～Q29）地表下沉量不少于10 mm，地表开始下沉。此时回采距离为360 m，距地表下沉倾向观测线190 m。当工作面回采至650 m 时（2018-12-14），倾向地表下沉量陡增，地表下沉剧烈。截止至2020-05-12 即工作面回采完成5 个月后，地表下沉量达到最大，为3 585 mm。由于倾向观测线中的部分观测点（Q30～Q40 点）位于112202 工作面内，2020-05-12 最后1 次观测时，112202 工作面已回采，导致倾向下沉曲线呈现“W”形态。经计算，112201 工作面回采地表最大下沉系数为0.66。

2.1.2 地表水平移动变形特征

地表走向最终水平移动和变形曲线如图4。

图4 地表走向最终水平移动和变形曲线Fig.4 The final horizontal movement and deformation curves of strike direction

由图4 可知，地表水平移动均为正值即地表观测点均是向沉陷盆地中心移动，工作面开切眼内侧50 m 处水平移动量最大，为1 603 mm。之后，水平移动量逐渐递减至稳定。水平移动变形在-19.73～21.08 mm/m 之间，波峰、波谷在切眼附近出现。切眼外侧为拉伸变形，切眼内以压缩变形为主。

2.1.3 地表移动变形阶段

地表移动变形随时间变化曲线如图5。

图5 地表移动变形随时间变化曲线Fig.5 Variation curves of surface movement and deformation with time

由图5 可以看出，地表移动变形经历了启动、活跃和衰退3 个阶段。其中，地表移动变形的启动阶段时间持续了约18 d，相对较长。然后地表移动变形加速，下沉量逐渐增大，进入活跃期，持续时间约110 d。活跃阶段前期的47 d 是地表剧烈下沉阶段，累积地表下沉量达到地表总下沉量的91.4%。当地表进入衰退期后，地表下沉速度趋于0，地表下沉量逐渐达到最大值，此阶段持续时间较长，约1 年。

2.2 地表开采沉陷动态规律

2.2.1 地表下沉速度

下沉速度是地表移动变形剧烈程度的1 个重要表征量，与开采工艺和开采地质条件（采深、采厚、覆岩结构、岩性等）密切相关。走向地表下沉速度曲线如图6。

图6 走向地表下沉速度曲线Fig.6 Subsidence velocity curves of strike direction

由图6 可知，地表下沉速度曲线形态基本相似，均经历1 个由小到大再到小的“单峰”动态变化过程。在2018-10-09—2018-10-16 期间，地表最大下沉速度为32.30 mm/d，2018-10-17—2018-11-03 期间，地表最大下沉速度为93.64 mm/d，2018-11-04—2018-11-18 期间，地表最大下沉速度为161.52 mm/d，2018-11-19—2018-11-25 期间，地表最大下沉速度为182.76 mm/d，2018-11-26—2018-12-03期间，地表最大下沉速度为224.00 mm/d，2018-12-04—2018-12-14 期间，地表最大下沉速度为267.83 mm/d，2018-12-13—2019-01-03 期间，地表最大下沉速度256.67 mm/d，2019-01-04-2019-01-29 期间，地表最大下沉速度为152.68 mm/d，而2019-01-30—2019-02-26 期间，地表最大下沉速度降至3.17 mm/d，可见随着工作面的不断推进，地表下沉速度逐渐降低，地表移动变形逐步趋于稳定。

结合图1 和图6 可知，位于切眼内侧375 m 处的Z28 点是地表最大下沉速度点，最大下沉速度为267.83 mm/d。

利用经验公式，求解地表最大下沉速度系数。

式中：K 为最大下沉速度系数；Vmax为最大下沉速度，mm/d；Wmax为地表最大下沉值，mm；c 为推进速度，m/d；H0为工作面采深，m。

112201 工作面开采参数为：c=12 m/d，H0=302 m，Wmax=3 841 mm，Vmax=267.83 mm/d，根据式（1）计算得到：K=1.75。

由以上分析可知，112201 工作面地表最大下沉系数相对较大，这与煤层上覆岩层中存在厚度较大的松散层有关。

2.2.2 超前影响距及超前影响角

按照现场观测数据，2018-10-08、2018-10-16、2018-10-23，2018-11-06 观测得到的超前影响距为45、210、280、115 m，平均超前影响距为162.5 m。与浅埋煤层开采条件相比，超前影响距偏大。

式中：ω 为超前影响角；l 为超前影响距，m。根据式（2），求得超前影响角为61.7°。

2.2.3 最大下沉速度滞后距与滞后角

当地表达到充分采动后，最大下沉速度点总是滞后工作面回采位置，最大下沉速度滞后距见表2。

表2 最大下沉速度滞后距Table 2 Maximum subsidence velocity lag distance

式中：φ 为最大下沉速度滞后角；L 为最大下沉速度滞后距，m。

由表2 整理可得，地表最大下沉速度平均滞后距为119 m；根据式（3）计算得出最大下沉速度滞后角为68.6°。

3 采动地表裂缝发育规律

3.1 地表裂缝发育特征

1）地表裂缝多为拉伸型裂缝，整体发育程度较弱，但不同位置区域的裂缝差异性明显。工作面开切眼上方地表裂缝发育特征最为显著，多呈“台阶”状，宽度最大可达15 cm，台阶落差最大可达20 cm；工作两侧巷道边界裂缝发育程度次之，裂缝宽度在7 cm 以下，落差高度一般在8.0 cm 以下；工作面内地表裂缝发育程度最弱，裂缝最大宽度在2.0 cm 左右，基本无落差。就地表裂缝发育程度而言，中深埋厚煤层开采条件下，切眼上方地表>巷道上方地表>面内采空区上方地表。切眼上方地表最终水平移动量和变形量最大也简介表明了这一特点。地表裂缝特征如图7。

图7 地表裂缝特征Fig.7 Characteristic of surface cracks

2）地表裂缝具有“单峰”和“持续增加-稳定”2种动态变化特征。工作面内裂缝宽度具有先增大后减小的“单峰”活动特征，与地表受“先拉张后挤压”的应力作用有关，面内地表裂缝宽度变化特征如图8。随着煤层不断回采，工作面边界外侧持续受到拉张作用力，造就了工作面边界裂缝宽度“持续增加-稳定”动态活动特征，巷道边界地表裂缝宽度变化特征如图9。

图8 面内地表裂缝宽度变化特征（2019 年）Fig.8 Dynamic characteristics of surface cracks in working face

图9 巷道边界地表裂缝宽度变化特征（2019 年）Fig.9 Dynamic characteristics of surface cracks in beltway

3）自修复和自然修复功能下裂缝弥合明显。在地表裂缝自身的动态变化特征（自修复）以及风积沙作用下掩埋作用（自然修复）的双重作用下，能够在一定程度上使裂缝快速弥合。

3.2 地表裂缝形成条件

利用位于工作面内部，距开切眼约2 622 m 处的GNSS 观测站地表移动变形监测数据及其附近裂缝动态观测数据，分析地表移动变形与地表裂缝发育之间的耦合机制。面内裂缝动态变化与水平移动量的关系如图10。

由图10 可以看出，当地表达到充分采动后，地表累计水平移动量达到63 mm，水平移动速度达到15 mm/d 时，地表开始发育裂缝，说明该值为地表裂缝发育的临界值。此时回采位置已过GNSS 观测站约24 m，说明地表裂缝滞后回采位置发育。

面内裂缝动态变化与地表下沉速度曲线如图11。

图11 面内裂缝动态变化与地表下沉速度曲线Fig.11 Dynamic variation and surface subsidence velocity in working face

由图11 可以看出，当地表下沉速度达到18.7 mm/d，地表裂缝（DLG 号裂缝）开始发育；随着地表下沉速度逐渐增加，裂缝宽度也逐渐增大，当地表下沉速度达到171.36 mm/d 时，地表裂缝宽度发育至最大。之后，地表裂缝宽度开始减小。当地表下沉速度达到最大，230.00 mm/d 左右时，裂缝宽度不再变化，地表裂缝完成“单峰”活动特征。

总体而言，地表下沉速度增大阶段与地表裂缝完成“单峰”活动的时间基本对应。表明地表下沉速度与地表裂缝的动态活动密切相关。

4 结 论

1）小保当煤矿112201 工作面开采地表最大下沉量为3 840 mm，最大下沉系数为0.66，超前影响距为162 m，超前影响角为61.7°，地表最大下沉速度系数为1.75，最大下沉速度滞后距119 m，最大下沉速度滞后角68.6°。

2）风沙滩地区中深埋厚煤层开采地表移动变形相对剧烈，启动阶段历时18 d，活跃阶段历时110 d，但地表剧烈活动时间相对较短，历时43 d 左右，期间地表下沉量达到总下沉量的91.4%。在衰退阶段，地表移动变形时间较长，持续约1 年左右。

3）采动地表裂缝整体发育程度弱，但不同位置区域差异性明显。切眼上方地表多发育“台阶状”裂缝，宽度和落差较大，发育程度最高，巷道上方地表裂缝次之，面内采空区上方地表裂缝发育程度最弱；面内裂缝在先拉张后挤压的应力作用下宽度具有先增大后减小的“单峰”变化特征，而边界裂缝则在拉张作用下呈现持续增大至稳定的活动特征。地表风积沙的存在使裂缝具有较强的自然修复特征。

4）地表裂缝的发育受地表移动变形控制，水平移动变形与地表裂缝的产生密切相关，而地表下沉速度与面内裂缝的动态活动特征具有耦合同步性。