黄土沟壑地形对地表移动变形影响分析

王业显，谭志祥，邓喀中，刘 辉

(1.中国矿业大学 江苏省资源环境信息工程重点实验室，江苏 徐州 221116；2.中国矿业大学 国土环境与灾害监测国家测绘地理信息局重点实验室，江苏 徐州 221116)

1 采动引起的斜坡变形

黄土沟壑区包括平地、斜坡、陡崖等各种地形要素[1]。按斜坡与地表下沉盆地的相对位置关系分为正向坡和反向坡[2]，在开采移动变形主断面上，将高程下降方向指向开采沉陷盆地中央的斜坡称为正向坡，相反，背向盆地中央的斜坡称为反向坡。按斜坡的组合方式分为单面坡、凸形坡和凹形坡等。沟壑属于典型的凹形坡，是黄土地区常见的、典型的地形地貌，由雨水长期冲刷表面黄土形成。经过长期观测发现，黄土沟壑矿区的地表移动规律表现出特殊性，在采动条件下，受沟壑地形的影响，沟壑两侧的松散层向沟壑底部滑移，并且发现滑移量与地形坡度之间存在一定关系。

斜坡变形按照破坏程度可以分为滑移和滑坡。图1是沟壑凹形坡变形示意图，受采动影响之前，土体单元在自重应力场下任意方向上所受的剪应力小于抗剪强度，坡体保持稳定状态。在采动影响下，导致松散层单元体积变形和孔隙比的变化[3]，打破了沟壑两侧斜坡原有的平衡状态，使斜坡在平地条件下的沉陷变形之上叠加了土体产生的塑性变形和局部剪切滑移。在斜坡的连续性尚未破坏或破坏不是特别明显时，这种变形称之为斜坡滑移变形；当这种变形超过斜坡整体或局部平衡的极限时，坡体中形成连续的剪切面，剪切面上方的土体在自重应力下沿着剪切面向下整体滑动，这种采动破坏称为滑坡。由于开采沉陷变形与斜坡滑移变形是在采动过程中同时发生的，实际变形中很难区分开采沉陷变形和斜坡滑移变形[4-5]。

图1 沟壑斜坡滑移示意

为了进一步研究沟壑对地表移动变形的影响，本文以神华神东煤炭集团公司大柳塔煤矿大柳塔井52304工作面地表移动观测站实测资料，具体分析并研究了在充分采动条件下沟壑地形对盆地中央的移动变形影响的变化规律。

2 黄土沟壑矿区地表移动观测

52304工作面位于陕西省榆林市神木县大柳塔镇境内，平均埋深约230m，煤层倾角1～3°，工作面走向长4547.6m，倾向宽301m，采高6.45m，开采时间自2011年底至2013年3月25日。覆岩主要由顶板、基岩和地表松散层3层组成，顶板以粉砂岩、泥岩组成，平均厚度15.07m，基岩层以粉、细砂岩为主，夹有中、粗砂岩以及2，3，4煤，平均厚度189.7m，松散层由风积沙、砂质黏土等组成，平均厚度30m。

在工作面停采线一侧的正上方有一条与工作面走向线基本一致但略有相交的沟壑，为了研究该沟壑对地表移动变形的影响，并考虑到工作面过长观测困难等实际问题，在停采线一侧布设半条走向观测线，设有A1-A41共41个观测点，点间水平距离20m。将A1-A8点布设在工作面之外，A9-A17点布设在停采线至沟壑开始之间，A18-A41点与沟壑相交，A26及A27两点位于沟谷，布设方案见图2。在研究区范围内沟壑平均宽30m，深6.3m。

图2 观测点布设

数据采集使用上海华测GPS接收机(标称水平精度(±10+1)mm/km，垂直精度(±20+1)mm/km)进行RTK实时动态观测，观测时间自2012年11月10日至2013年7月13日，共观测17期。

3 沟壑地形对地表移动变形的影响分析

3.1 水平移动分析

对于平坦地区，走向观测线上点在垂直于观测线方向上的移动即横向水平移动理论值应为零，实际上是在零左右波动且随机分布。52304工作面上的观测点，由于沟壑的影响，其横向水平移动表现出特殊的规律性，图3为各点横向水平移动曲线，图4为最终下沉值与高程对照图。结合图2、图3、图4分析可知，点A1-A6受采动影响不大，其横向水平移动也很小；点A7-A15属于移动变形活跃区，由于地形比较平缓，其横向水平移动也不是很大，最大为0.095m；点A16-A41属于超充分采动区，A16和A17两点在沟壑范围之外或沟壑刚刚开始形成位置，其地形相对比较平缓，横向水平移动在0.1m左右，从点A18沟壑形成的位置开始，横向水平移动失去一般规律逐渐增大，向沟壑方向移动，最大达0.306m，在沟壑和观测线相交处，即在谷底A26-A27点处，观测点的横向水平移动又趋于零，当观测线经过沟壑后，水平移动向相反的方向迅速变大，最大达0.398m，在点A37-A38处横向水平移动突然变小。具体数值见表1。

图3 最终横向水平移动曲线

图4 最终下沉值与高程对照

经过以上分析可知，在沟壑外地形较平缓区横向水平移动较小，在沟壑影响范围内，受采动影响沟壑两侧的松散层向沟壑滑移，产生了向沟壑方向的水平移动分量，水平移动表现出特殊规律性，且最大达0.398m，同时由点A37-A38突变可以推测此处沟壑的影响范围大约在40m。

3.2 下沉分析

沟壑约在A26和A27号点位置，位于沟壑底部观测点的下沉值明显偏小，为3.547m，而沟壑外的点最大下沉达到4.354m，认为此差值为滑移引起的垂直分量，可知最大垂直滑移分量为0.807m。

前面已经分析确定了沟壑对地表移动变形确有影响，从图4可见受采动影响沟壑两侧的松散层滑移变形对下沉也有影响，下沉曲线在盆地底部并非平缓，受滑移的影响有所波动，表现出一定的规律性，具体表现为：受松散层滑移的影响，使得沟壑两侧的点向着沟壑的方向移动，产生了一个垂直移动分量，使得沟壑两侧点的下沉有所增大；沟壑底部受两侧滑移挤压，下沉反而相对减小，总体表现为沟壑底部下沉小两侧下沉大。

图4中可以看出A37和A38两点的下沉相对又有所减小，而这两点距沟壑的水平距离很大，结合图2可以看出，两点向沟壑方向的水平移动量很小约100m，说明滑移量很小，这也进一步证明了滑移对下沉的影响。另外，按上述规律在A18-A25之间点的下沉量值应与A28-A33之间点相差不大，在实际观测中发现，A18-A25之间点除了有向沟壑方向的水平移动，还有向停采线方向的水平移动，即向着高程增大的方向水平移动，而且优于沟壑方向，从而下沉值有所减小，但总体比沟壑底部的略大，推测其具体产生原因，可能在基岩与松散层接触面上发生了滑移，使松散层产生压缩向停采线方向移动。

3.3 滑移与坡度关系

选取超充分采动区的点A16-A41研究滑移与坡度之间的关系，因为滑移同时产生了水平滑移分量和垂直滑移分量，因而应该同时考虑两个方向上的移动分量。在超充分采动区内，认为各点的下沉值与该区域内最小下沉值之差为该点由滑移引起的在垂直方向上的分量，即垂直滑移分量。这里最小下沉值为3.547m，取整为3.5m，表1列出了受采动影响前各点到沟谷水平距离l、高差h、高差与水平距离的比值i，以及受采动影响达到稳沉时水平滑移分量s、垂直滑移分量v、垂直分量与水平分量的比值p。

将坡度值i与滑移分量比值p进行线性最小二乘拟合。由于点A26，A27位于沟壑底部，滑移引起的移动分量很小，由于观测误差的存在，使得滑

表1 各点移动前后数据

备注：表中水平移动分量s取绝对值

移分量比值p失去真实性，故将其剔除，另外剔除偏差较大点A34，A35，A37，这些点可能受沟壑两侧冲击沟影响。将剩下的21个点进行拟合，结果如图5，满足如下公式：

p=v/s=-12.751i+4.7127，R2=0.8529

可见i与p存在很强线性相关性，其中R2表示线性相关程度。

图5 坡度i与滑移分量p拟合效果

4 结论

受采动影响，沟壑两侧的松散层向沟壑底部滑移，使地表移动变形规律发生改变：

(1)盆地主剖面上水平移动变形表现为沟壑底部地表点的水平移动为零，沟壑两侧地表点向沟壑方向移动，随着沟壑的消失，这种水平移动也慢慢趋于零，最大水平滑移达0.398m。

(2)沟壑两侧斜坡的滑移使两侧地表点的下沉量有所增加，沟壑底部下沉相对减小，垂直滑移分量最大达0.809m。

(3)滑移垂直分量与水平分量的比值p与地形坡度i之间存在很强的线性相关性，满足公式p=v/s=-12.751i+4.7127。

(4)主要分析研究了沟壑位于工作面正上方、与走向线基本一致时，沟壑地形对地表移动变形规律的影响，对于其他位置情况下的沟壑影响规律有待进一步研究。

[参考文献]

[1]汤伏全，夏玉成，姚顽强.黄土覆盖矿区开采沉陷及其地面保护[M].北京：科学出版社，2011.

[2]原 涛.陕西黄土沟壑区开采沉陷规律研究[D].西安：西安科技大学，2011.

[3]王家鼎，白铭学，肖树芳.强震作用下低角度黄土斜坡滑移的复合机理研究[J].岩土工程学报，2001，23(4).

[4]汤伏全，梁 明.地下开采影响下山体的稳定性分析与评价[J].矿山测量，1995(1)：31-34.

[5]余学义，施文刚，张 平，等.黄土沟壑区地表移动变形规律特征分析[J].矿山测量，2010(2)：38-40.