重复采动条件下地表移动变形规律实测研究

郑志刚

(中煤科工集团唐山研究院有限公司，河北唐山063012)

重复采动是地表沉陷变形研究领域中经常遇到的一种采动形式［1－3］，与单一煤层开采条件下的地表移动规律不同，重复采动条件下地表沉陷变形规律更为复杂，地表沉陷变形在时间上和空间上更为集中，移动变形值显著增大，影响范围更广，动态变形尤为剧烈，对地面建构筑物的危害更大［4－6］。本文结合观测站实测资料，对重复采动条件下地表移动变形规律作一些探讨。

1 地质采矿条件

凤凰山井田位于沁水煤田南部、晋城矿区东部，井田内广为第四系黄土覆盖。地层由老至新依次为石炭统、二迭统、第三系、第四系，主要可采煤层有3号、9号、15号煤。154309工作面位于三水平四盘区，工作面北部为老采空区，南侧、西侧、东侧均为未采区。154309工作面长约580m，宽173m，开采太原组15号煤，采厚2.13m，倾角1～9°，采深约200m。上覆山西组3号煤、太原组9号煤均为地方小煤矿采空区，根据钻孔揭露，3号煤厚约6m，下距15号煤85m，9号煤厚约2m，下距15号煤28 m。煤层上覆岩层主要由泥岩、砂质泥岩、砂岩、石灰岩和第四纪黄土层组成，其中第四纪黄土层厚度为14m。

154309工作面自2012年1月开始回采，至2012年5月回采结束，推进速度0.5～6.4 m/d左右，平均推进速度3.9 m/d。采煤方法为综合机械化采煤法。

2 观测站设计与观测

工作面上方地表布设了1条走向观测线和1条倾向观测线，2条观测线均布设在工作面的主断面上方，观测线的布设情况见图1。倾向观测线布设工作测点32个，控制点3个，测线长度为598m。走向线布工作测点36个，控制点3个，测线长度为706m。工作测点间距约15m，控制点间距约45m。

图1 观测站平面位置示意

地表岩移观测站于2011年12月建立，自2012年1月2日至2013年3月1日，分别进行了13次全面观测和13次日常高程观测，取得了大量的观测资料。

3 岩移参数求取

3.1 观测资料分析

根据观测资料，获得了各次观测的下沉曲线，图2给出了倾向线和走向线的部分下沉曲线，表1为观测站最大移动变形值。

图2 下沉曲线

表1 观测站最大移动变形值

从图2可见，受开采影响，地表下沉值逐渐增大，下沉曲线是连续渐变的，说明观测成果是可靠的。通过观察不同时期的观测结果可以看出，采动初期地表沉降发展很快，后期地表下沉值变化相对较小。

3.2 起动距

起动距是指地表开始移动时工作面的推进距离。根据实测资料，2012年1月16日，地表岩移观测站54号测点下沉达到10mm，此时，工作面推进了24 m，即工作面的起动距为24m(0.12H，H为采深)。

3.3 超前影响距和超前影响角

在工作面推进过程中，工作面前方的地表受采动影响而下沉，这种影响称为超前影响，将工作面前方地表开始移动 (即下沉达到10 mm)的点与当时工作面连线，此连线与水平线在煤柱一侧的夹角称为超前影响角，用ω表示，其计算公式为:

式中，l为超前影响距，m;H为平均开采深度，m。

选取走向线上部分测点，计算其超前影响距见表2。求得平均超前影响距为l=64.3 m，超前影响角ω=73°。

表2 超前影响距和超前影响角

3.4 最大下沉速度及滞后角

根据走向线上部分测点的实测资料，绘制了测点的下沉速度曲线，图3为走向线上65号测点的下沉速度曲线。经分析可知，地表测点的最大下沉速度为143.4mm/d，最大下沉速度滞后距平均为76.6 m，最大下沉速度滞后角为φ=70.0°。

图3 下沉速度曲线

地表最大下沉速度与工作面推进速度、工作面开采时地表最大下沉值成正比，与平均开采深度成反比，其计算公式为

式中，K为下沉速度系数，取K=1.69;C为工作面推进速度，m/d;H0为工作面平均采深，m;Wfm为地表最大下沉值，mm。

3.5 地表移动持续时间

由下沉速度曲线可知，154309工作面开采过程中，地表下沉速度大且分布集中。地表移动持续时间为332d，其中初始期短，大约6d，地表沉降不明显;活跃期较短，为102d，在此期间地表沉陷变形最为剧烈，地表下沉速度快速增大，进入活跃期后约32d，地表下沉速度达到最大值，随后下沉速度又快速减小;衰退期较长，为224d，但累计地表下沉量不大。

分析可知，活跃期约占总移动时间的30.7%，下沉量约占地表总沉降量的96.3%，其中地表下沉速度超过10mm/d的时间约为33d，占活跃期的32.4%，占地表移动持续时间的9.9%，其下沉量占活跃期沉降量的88.0%，占地表总沉降量的84.7%;衰退期较长，但下沉量仅占总沉降量的1.7%。

3.6 岩移角值

通过对观测资料的整理和分析，获得了地表移动变形的岩移角值，见表3。

表3 地表岩移角值

3.7 地表移动预计参数

根据实测资料，采用曲线拟合法，进行了求参分析，获得了概率积分法预计参数，见表4，图4为下沉曲线拟合图。

表4 地表移动预计参数

4 地表移动变形规律

结合现场调查和实测资料可知，本区域的地表移动与变形具有如下规律和特点:

图4 下沉拟合曲线

(1)地表下沉值大，地表下沉系数为0.96。重复采动条件下，上覆岩层承载能力显著降低，在自重荷载作用下近似整体快速下沉，相对悬空的时间显著减少，致使采空区地表沉陷变形更为剧烈且集中［7－8］。另外，老采空区的活化影响也是造成地表下沉值增大的重要因素。

(2)地表移动变形在空间上更为集中，下沉盆地陡峭［9－11］。重复采动条件下上覆地层较为破碎，强度降低，致使地层在垂直方向上的移动显著加快，而在水平方向上的移动变形明显滞后，造成了采空区正上方下沉量大，采空区边界附近地表下沉盆地陡峭，移动变形值大且分布集中，而采空区边界以外地表下沉盆地平缓。

(3)地表移动变形在时间上更为集中，地表下沉速度大［12－13］。地表沉陷变形主要发生于活跃期内，活跃期约占总移动时间的30.7%，下沉量占总沉降量的96.3%左右，活跃期内地表下沉速度超过10mm/d的时间约为33d，地表最大下沉速度为143.4mm/d;起始期和衰退期共230d，下沉量仅占总沉降量的3.7%。

(4)地表裂缝较为发育，裂缝间距4～20m，裂缝宽度3～150mm，部分区域伴有台阶状破坏，最大落差达100mm。

5 结论

重复采动条件下地表移动变形有以下特点:地表沉陷变形剧烈，下沉盆地陡峭、变形分布集中，地表下沉系数显著增大，采动影响范围增大;地表动态变形剧烈，地表下沉速度大;地表移动持续时间较短，地表下沉主要集中于活跃期，活跃期约占地表移动持续时间的30.7%，其下沉量占地表总沉降量的96.3%。在岩移预计参数上表现为地表下沉系数大，水平移动系数、影响传播角系数偏小，边界角、移动角值、主要影响角正切tanβ较小。

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