唐 君，王金安，王 磊

（北京科技大學(xué) 金屬礦山安全高效開(kāi)采教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083）

1 引 言

我國(guó)自南水北調(diào)、西氣東輸、西電東送建設(shè)開(kāi)始后，對(duì)高壓線、輸氣管線、河流等穿越采煤影響區(qū)問(wèn)題日益突出。國(guó)內(nèi)外對(duì)采煤引起的巖層及地表移動(dòng)規(guī)律有了較深刻地認(rèn)識(shí)，例如，國(guó)外Barry 等[1]對(duì)地下采礦引起的地表下沉類型及其機(jī)制進(jìn)行了比較系統(tǒng)地研究。國(guó)內(nèi)王金莊等[2]，劉林[3]，余學(xué)義等[4]對(duì)巨厚巖層下開(kāi)采進(jìn)行研究，得出地表沉陷是由上覆基巖和松散層雙層介質(zhì)作用所致，并且地表移動(dòng)具有初始期、活躍期短而衰退期較長(zhǎng)等特點(diǎn)；鄭志剛等[5]，滕永海等[6]，譚志祥等[7]對(duì)綜采放頂煤開(kāi)采進(jìn)行研究，得出此方式下開(kāi)采地表移動(dòng)劇烈、下沉盆地陡峭、移動(dòng)變形集中、導(dǎo)水?dāng)嗔褞М惓０l(fā)育，具體表現(xiàn)為地表下沉系數(shù)、主要影響角正切明顯偏大等；黃平路等[8]對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件下礦山開(kāi)采進(jìn)行研究，得出在采礦之初，地表塌陷主要是由地下水疏干引起的；地表大規(guī)模塌陷形成以后，地下采空區(qū)的擴(kuò)大是引起地表塌陷的主要原因，但礦區(qū)特殊的地質(zhì)條件對(duì)地表塌陷范圍的擴(kuò)展速度有重要影響；劉玉成等[9]對(duì)煤層埋深與厚度之比較大情況下的地表沉降進(jìn)行研究，得出在形成矩形采空區(qū)的過(guò)程中，由上覆巖層移動(dòng)形成地表下沉盆地的形態(tài)和大小主要取決于離地表最近一層主關(guān)鍵巖層的彎曲，且地表的下沉量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于關(guān)鍵層巖層厚度的觀點(diǎn)。由此可見(jiàn)，地層條件是礦山開(kāi)采巖層移動(dòng)的基礎(chǔ)，決定著地表塌陷的類型與過(guò)程?，F(xiàn)如今國(guó)內(nèi)外對(duì)薄沖積層下采煤引起的巖層及地表移動(dòng)的研究尚不充分，特別是地表下沉及變形的動(dòng)態(tài)機(jī)制研究有待深入。

天祝煤礦位于甘肅省天祝藏族自治縣炭山嶺鎮(zhèn)，此地區(qū)地層有元古界、中生界、新生界3 層，中生界侏羅紀(jì)中統(tǒng)窯街組（J2Y）為本區(qū)主要含煤地層。煤系地層走向一般為北10°～40°西，傾向北東，傾角一般為9°～18°之間；含煤總層數(shù)為4 層，平均總厚度為9.94 m，可采煤層2 層：上層煤及中層煤，局部可采煤層一層（頂層煤）。其中3229 工作面傾斜長(zhǎng)度為140 m，走向長(zhǎng)度為1 368 m，煤層開(kāi)采厚度為6.32 m，平均采深為360 m。值得注意的是，本區(qū)第四系覆蓋層較薄，僅為12 m，主要由表土、沖積礫石及堆積碎石構(gòu)成（見(jiàn)圖1），并且地表有金沙河流過(guò)，3229 工作面距金沙河最近水平距離只有180 m 左右（見(jiàn)圖2）。

眾所周知，地下開(kāi)采造成覆巖及地表自下而上形成三帶，即：垮落帶、導(dǎo)水裂縫帶和彎曲下沉帶[10]，彎曲下沉帶主要由第四系沖積層構(gòu)成，當(dāng)沖積層較薄時(shí)，地表移動(dòng)變形將會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)水裂隙帶通達(dá)至地表。為防止金沙河水沿采動(dòng)裂隙倒灌到井下，給工作面生產(chǎn)和安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅，文獻(xiàn)[11]對(duì)該區(qū)地下開(kāi)采覆巖裂隙發(fā)育高度進(jìn)行了分析，文獻(xiàn)[12]提出了金沙河防滲四元結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)自下而上依次為：河床加固層、防滲墊層、防滲層及保護(hù)層。其中，加固層提高河床強(qiáng)度，減輕因地下采動(dòng)對(duì)河床的影響，保證河床的整體性；防滲墊層防止因河床錯(cuò)動(dòng)或礫石對(duì)防滲層的折損，同時(shí)可協(xié)調(diào)和吸收部分河床局部變形；防滲層主要進(jìn)行防滲，并具有足夠的厚度、強(qiáng)度、耐寒、耐熱及耐紫外線老化性能；防滲保護(hù)層防止防滲層直接與水面接觸，有固定防滲層、保護(hù)防滲層的功能，同時(shí)還起到維護(hù)河床生態(tài)的效果。然而，地表移動(dòng)變形是一個(gè)動(dòng)態(tài)發(fā)展過(guò)程，防滲結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)適應(yīng)地表動(dòng)態(tài)變形發(fā)展。因此，迫切需要對(duì)金沙河附近采動(dòng)影響下的巖層與地表開(kāi)展動(dòng)態(tài)移動(dòng)規(guī)律研究。這不僅為評(píng)價(jià)河床防滲工程可靠性提供依據(jù)，更為薄沖積層礦區(qū)安全開(kāi)采提供了理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。

圖1 巖層柱狀圖Fig.1 Rock strata histogram

2 觀測(cè)站布置

為觀測(cè)地表動(dòng)態(tài)巖移規(guī)律與特征，在3229 工作面分別沿工作面走向和傾向布置了兩條觀測(cè)線。走向觀測(cè)線上設(shè)置了22個(gè)測(cè)點(diǎn)，編號(hào)分別是Z0、Z1、…Z22；傾向觀測(cè)線設(shè)立了19個(gè)測(cè)點(diǎn)，編號(hào)分別是Q0、Q1、…Q19。測(cè)線上各測(cè)點(diǎn)間距25 m。3229 工作面地面巖移觀測(cè)測(cè)點(diǎn)布置如圖2 所示。

3229 工作面2011年7 月14 日初采，至2012年11 月16 日開(kāi)采結(jié)束，期間每月均采用DTM352C全站儀監(jiān)測(cè)地表移動(dòng)變形，共進(jìn)行了16 次觀測(cè)。觀測(cè)期全面覆蓋并反映了采動(dòng)地表移動(dòng)變形規(guī)律及特征。

（1）走向方向，隨著工作面遠(yuǎn)離，工作面后方地表下沉趨勢(shì)逐漸趨于穩(wěn)定，下沉量逐漸增加，最大下沉點(diǎn)隨工作面推進(jìn)向前推移。當(dāng)工作面開(kāi)采1 000 m時(shí)，采空區(qū)內(nèi)地表累計(jì)最大下沉量為1 493 mm，達(dá)到最終總下沉量的98%。隨后地表下沉逐漸趨于穩(wěn)定（見(jiàn)圖3（a））。地表水平移動(dòng)基本是朝向工作面推進(jìn)方向，當(dāng)工作面開(kāi)采長(zhǎng)度小于1 000 m時(shí)，地表水平移動(dòng)有逐月增加的趨勢(shì)，之后地表移動(dòng)逐漸趨于穩(wěn)定（見(jiàn)圖3（b））。

（2）傾向方向，隨著工作面的推進(jìn)，地表下沉量逐漸增加，最大沉陷區(qū)域始終處于采空區(qū)上方。當(dāng)工作面開(kāi)采1 000 m 后，地表下沉逐漸趨于穩(wěn)定，最終為1 523 mm。金沙河附近下沉量始終較小，累計(jì)下沉量為8 mm（見(jiàn)圖3（c））。地表水平移動(dòng)基本是朝向采空區(qū)方向，當(dāng)工作面開(kāi)采長(zhǎng)度小于1 000 m時(shí)，地表水平移動(dòng)有逐月增加的趨勢(shì)，最大水平移動(dòng)點(diǎn)位于工作面下山側(cè)外緣35 m 左右，之后隨著工作面的推進(jìn)，地表水平移動(dòng)逐漸趨于穩(wěn)定。金沙河附近水平移動(dòng)較小，最大水平位移僅為-19.27 mm、7.89 mm（見(jiàn)圖3（d））。

圖2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面布置圖Fig.2 Layout of measurement point

圖3 實(shí)測(cè)地表移動(dòng)變形圖Fig.3 Surface movement and deformation curves by in-situ measurement

3 沿走向方向地表動(dòng)態(tài)移動(dòng)變形特征與規(guī)律

地下開(kāi)采引起的地表沉陷和移動(dòng)變形是一個(gè)復(fù)雜的時(shí)間和空間過(guò)程。為了掌握隨工作面開(kāi)采沿走向方向地表移動(dòng)和變形的時(shí)空變化規(guī)律，對(duì)工作面走向測(cè)線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，得到沿走向方向地表動(dòng)態(tài)移動(dòng)變形Knothe 函數(shù)特征以及地表移動(dòng)動(dòng)態(tài)參數(shù)和軌跡。

3.1 地表移動(dòng)變形動(dòng)態(tài)特征與改進(jìn)的Knothe時(shí)間函數(shù)

地表沉陷隨時(shí)間的發(fā)展過(guò)程可以分為3個(gè)階段，即地表下沉的初始階段、發(fā)展階段和衰減階段[13-14]。地表下沉的初始階段下沉量增長(zhǎng)緩慢，下沉速度增加較快，而地表下沉到發(fā)展階段時(shí)，地表下沉量會(huì)有大幅增長(zhǎng)，且增長(zhǎng)速度逐漸達(dá)到最大。而地表下沉的衰減階段沉陷變形曲線形態(tài)基本不再變化，下沉量會(huì)繼續(xù)增加，但增加緩慢，并且此階段下沉速度逐漸減小最終趨近于0。因此，下沉量動(dòng)態(tài)曲線應(yīng)呈現(xiàn)為大致的S 型曲線，下沉速度曲線類似于正態(tài)分布曲線。

現(xiàn)場(chǎng)地表巖移監(jiān)測(cè)走向測(cè)線上的Z0點(diǎn)，即傾向測(cè)線上的Q2點(diǎn)為測(cè)線布置范圍內(nèi)最終下沉量最大點(diǎn)（見(jiàn)圖3）。圖4(a)中顯示此點(diǎn)地表下沉量及下沉速度隨工作面推進(jìn)的動(dòng)態(tài)變化特征。工作面開(kāi)采距此點(diǎn)110 m 左右時(shí)，地表點(diǎn)開(kāi)始進(jìn)入活躍期，但下沉量始終較小。當(dāng)工作面推過(guò)該點(diǎn)30 m 后，地表下沉量急劇增加。當(dāng)工作面推進(jìn)到過(guò)該點(diǎn)50 m左右時(shí)，地表下沉進(jìn)入劇烈期。當(dāng)工作面推過(guò)該點(diǎn)88 m時(shí)，該點(diǎn)的下沉速度達(dá)到最大，為20.6 mm/d，地表點(diǎn)移動(dòng)最劇烈，之后逐漸減小。當(dāng)工作面推過(guò)該點(diǎn)150 m 左右時(shí)，劇烈期結(jié)束。當(dāng)工作面推過(guò)該點(diǎn)400 m 左右時(shí)活躍期結(jié)束，此后地表點(diǎn)進(jìn)入衰退階段，地表沉降逐漸趨于穩(wěn)定，沉降速度逐漸趨近于0。由此可見(jiàn)，薄沖積層下綜采放頂煤開(kāi)采地表移動(dòng)初始期很短,活躍期比較長(zhǎng)（歷時(shí)185 d），地表點(diǎn)的下沉量達(dá)到該點(diǎn)總下沉量的90.7%，而劇烈期較為顯著，但時(shí)間相對(duì)較短（歷時(shí)約60 d）。

對(duì)薄沖積層下開(kāi)采地表走向測(cè)線上水平移動(dòng)、變形最大點(diǎn)進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，其移動(dòng)變形曲線隨工作面推進(jìn)也大致為S 型，并且當(dāng)工作面未推至到此點(diǎn)時(shí)，地表移動(dòng)變形較小，地表點(diǎn)水平加速往復(fù)運(yùn)動(dòng)，并出現(xiàn)小幅的拉伸變形。當(dāng)工作面推進(jìn)至此點(diǎn)50 m范圍內(nèi)時(shí)，地表開(kāi)始向開(kāi)采工作面方向產(chǎn)生傾斜變形。當(dāng)工作面開(kāi)采過(guò)該點(diǎn)后，地表開(kāi)始向采空區(qū)內(nèi)加速移動(dòng)并且同期開(kāi)始產(chǎn)生大幅傾斜變形，地表進(jìn)入活躍期。當(dāng)工作面推進(jìn)到過(guò)該點(diǎn)200 m時(shí)，地表水平移動(dòng)變形速度與傾斜速度同時(shí)達(dá)到最大，最大水平移動(dòng)速度為3.92 mm/d，最大水平變形速度為0.059 mm/m/d，最大傾斜變形速度為0.118 mm/m/d。當(dāng)工作面推進(jìn)到過(guò)該測(cè)點(diǎn)300 m 后，地表水平移動(dòng)變形呈現(xiàn)震蕩衰減趨勢(shì)，當(dāng)工作面推進(jìn)到過(guò)該點(diǎn)600 m（約350 d）時(shí)，地表點(diǎn)水平移動(dòng)變形仍出現(xiàn)小幅增加，而傾斜變形有所減小。地表整個(gè)變形過(guò)程中劇烈期非常顯著，工作面推進(jìn)引起的地表水平移動(dòng)變形相對(duì)于傾斜變形更為敏感（見(jiàn)圖4(b)、(c)、(d)）。

圖4 沿走向地表動(dòng)態(tài)移動(dòng)變形曲線Fig.4 Dynamic movement and deformation curves of surface along strike of coal seam

1952年波蘭學(xué)者Knothe[15]利用土壓實(shí)的基本假設(shè)進(jìn)行了地表移動(dòng)與變形時(shí)間過(guò)程研究，認(rèn)為地表下沉速率dW(t)/dt與地表最終下沉值W0和某一時(shí)刻t 的動(dòng)態(tài)下沉值W(t)之差成比例，即

式中：c為與上覆巖層力學(xué)性質(zhì)有關(guān)的時(shí)間因素影響系數(shù)，其單位為1/a。

根據(jù)初始時(shí)刻邊界條件：t=0，W(t)=0，對(duì)式（1）積分，可得

式（2）就是Knothe 地表移動(dòng)動(dòng)態(tài)過(guò)程的下沉表達(dá)式[16-17]。但Knothe時(shí)間函數(shù)所描述的地表下沉是一個(gè)逐漸衰減的過(guò)程，不能反映地表下沉全程變化特征。針對(duì)Knothe時(shí)間函數(shù)的不完整性，文獻(xiàn)[18]和[19]在原時(shí)間函數(shù)模型式（2）上加一個(gè)冪指數(shù)k，將其改為如下的形式：

式中：k為待擬合參數(shù)。

由于工作面監(jiān)測(cè)與開(kāi)采同時(shí)進(jìn)行，因此，地表下沉變形與工作面推進(jìn)距離的關(guān)系更為緊密。同時(shí)，工作面基本為勻速推進(jìn)，下沉曲線整體為S 型，借鑒改進(jìn)的Knothe時(shí)間函數(shù)，設(shè)定擬合曲線函數(shù)為

式中：x為測(cè)點(diǎn)距工作面的距離；s為監(jiān)測(cè)點(diǎn)到工作面切眼相對(duì)距離；v為平均開(kāi)采速度。

將地表下沉最大點(diǎn)的相關(guān)參數(shù)W0=1 523 mm，s=483.7 m，v=2.93 m/d，代入式（4），并對(duì)圖4(a)地表下沉量隨工作面推進(jìn)的變化曲線進(jìn)行擬合，得到擬合系數(shù)c=0.035，k=1 145.24，R2=0.998 6。

薄沖積層下開(kāi)采走向測(cè)線其他監(jiān)測(cè)點(diǎn)均為S 型下沉曲線。并且受地表工作面開(kāi)采制度和開(kāi)采沉降時(shí)間等因素的影響，距離開(kāi)切眼越遠(yuǎn)地表沉降越充分，地表下沉曲線S 型越明顯（見(jiàn)圖5）。將其相關(guān)參數(shù)代入式（4），對(duì)圖5 地表下沉量隨工作面推進(jìn)的變化曲線進(jìn)行擬合，得到擬合系數(shù)見(jiàn)表1，由R2數(shù)值看擬合效果較好。

對(duì)改進(jìn)的Knothe時(shí)間函數(shù)式（3），對(duì)時(shí)間t求一階導(dǎo)數(shù)得出下沉速度V 表達(dá)式[17]：

圖5 沿走向地表移動(dòng)變形曲線Fig.5 Movement and deformation curves of surface along strike of coal seam

表1 沿走向地表移動(dòng)各測(cè)點(diǎn)下沉曲線擬合參數(shù)Table 1 Fitted parameters of ground subsidence along strike of coal seam

同理，基于工作面基本為勻速推進(jìn)，設(shè)定下沉速度擬合曲線函數(shù)為

代入上述地表下沉量擬合系數(shù)，可得到該點(diǎn)下沉速度隨工作面推進(jìn)變化的擬合曲線與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)基本吻合，其中最大下沉點(diǎn)速度擬合曲線如圖4(a)所示。

由于走向測(cè)線地表最大移動(dòng)變形點(diǎn)變形曲線類似于下沉曲線，大致為S 型（見(jiàn)圖4），基于薄沖積層開(kāi)采沉降擬合公式（4），提出地表移動(dòng)變形擬合公式為

式中：y為監(jiān)測(cè)點(diǎn)移動(dòng)變形值；y0為監(jiān)測(cè)點(diǎn)最終移動(dòng)變形值。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，擬合得到走向測(cè)線移動(dòng)變形最大點(diǎn)擬合系數(shù)（見(jiàn)表2），擬合曲線如圖4(b)、(c)、(d)所示，擬合效果較好。

表2 沿走向地表移動(dòng)變形曲線擬合參數(shù)表Table 2 Fitted parameters of ground movement and deformation along strike of coal seam

在走向測(cè)線上，地表水平移動(dòng)、變形曲線均具有S 型特征，并且隨著工作面開(kāi)采地表測(cè)點(diǎn)S 型特征趨于明顯，如圖5 所示。將各監(jiān)測(cè)點(diǎn)相關(guān)參數(shù)代入式（7）進(jìn)行擬合，得到其擬合參數(shù)（見(jiàn)表3～5），總體擬合效果較好。Z7之后的局部監(jiān)測(cè)點(diǎn)由于地表本身移動(dòng)變形量較小，未達(dá)到充分采動(dòng)，因而測(cè)量誤差對(duì)結(jié)果本身影響相對(duì)較大，測(cè)量誤差導(dǎo)致曲線S 型特征不明顯。因此，沒(méi)有進(jìn)行擬合。

3.2 地表起動(dòng)距與超前影響角

起動(dòng)距反映工作面開(kāi)采對(duì)地表巖移的初始開(kāi)采長(zhǎng)度。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，薄沖積層下3229 工作面開(kāi)采起動(dòng)距為139.7 m，約為采深（H0）的0.39 倍。符合我國(guó)一般在初次采動(dòng)時(shí)起動(dòng)距為(1/4～1/2)H0的變化范圍[20]。

表3 沿走向地表各測(cè)點(diǎn)水平移動(dòng)曲線擬合參數(shù)Table 3 Fitted parameters of ground horizontal displacement along strike of coal seam

表4 沿走向地表各測(cè)點(diǎn)水平變形曲線擬合參數(shù)Table 4 Fitted parameters of ground horizontal deformation along strike of coal seam

表5 沿走向地表各測(cè)點(diǎn)傾斜變形曲線擬合參數(shù)Table 5 Fitted parameters of ground inclination along strike of coal seam

超前影響角大小受采動(dòng)程度、工作面推進(jìn)速度和上覆巖層巖性等因素的影響。據(jù)實(shí)測(cè)，該工作面剛開(kāi)采時(shí)地表下沉基本處在采空區(qū)正上方，地表下沉傳播超前影響范圍較小，隨工作面推進(jìn)，超前影響范圍稍有增大。當(dāng)工作面開(kāi)采400 m 左右后，影響角最終約為80°（見(jiàn)圖6）。分析認(rèn)為，薄沖積層條件下，當(dāng)開(kāi)采深度較大、開(kāi)采速度達(dá)到或超過(guò)某一定值時(shí)，由于距離和時(shí)間的影響，地下開(kāi)采對(duì)地表前方產(chǎn)生沉降的影響傳播較弱。因此超前影響范圍較小，即停采前塌陷盆地始終位于開(kāi)采工作面的上方附近。

圖6 超前影響角示意圖Fig.6 Schematic of pre-influence angle

3.3 地表測(cè)點(diǎn)移動(dòng)軌跡

地表點(diǎn)從開(kāi)始移動(dòng)到劇烈移動(dòng)，再到逐漸停止，是一個(gè)較為復(fù)雜的時(shí)間、空間過(guò)程。根據(jù)走向測(cè)線測(cè)點(diǎn)下沉及水平移動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，捕捉到薄沖積層下開(kāi)采走向測(cè)線地表測(cè)點(diǎn)移動(dòng)軌跡（見(jiàn)圖7）。地表移動(dòng)變形初期，地表水平方向主要是向工作面前方移動(dòng)，并產(chǎn)生一定的下沉量。隨著工作面開(kāi)采，地表開(kāi)始向工作面后方移動(dòng)，并迅速產(chǎn)生大量沉降。之后大部分時(shí)間是在采空區(qū)范圍內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)。除此以外，沿著工作面推移方向測(cè)點(diǎn)從Z17～Z1（見(jiàn)圖2），地表移動(dòng)軌跡逐漸趨于簡(jiǎn)單化、規(guī)律化，分析認(rèn)為主要是由于初始開(kāi)采時(shí)，地表移動(dòng)范圍影響不到Z1點(diǎn)所致。

圖7 地表移動(dòng)軌跡圖Fig.7 Trajectories of surface movement

4 地表沿傾向方向動(dòng)態(tài)移動(dòng)變形特征與規(guī)律

通過(guò)對(duì)工作面傾向測(cè)線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算，分析薄沖積層下開(kāi)采的3229 工作面對(duì)金沙河附近地表影響范圍和程度，結(jié)果表明，沿傾向方向地表動(dòng)態(tài)移動(dòng)變形同樣符合Knothe 函數(shù)特征，地表移動(dòng)角滿足指數(shù)函數(shù)動(dòng)態(tài)特征。

4.1 地表移動(dòng)變形動(dòng)態(tài)特征與改進(jìn)的Knothe時(shí)間函數(shù)

對(duì)薄沖積層下開(kāi)采地表沿傾向測(cè)線上水平移動(dòng)、變形最大點(diǎn)進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)工作面未推進(jìn)至此點(diǎn)時(shí)，地表移動(dòng)變形較小。當(dāng)工作面推進(jìn)至距此點(diǎn)60 m 范圍內(nèi)時(shí)，地表產(chǎn)生小幅傾斜變形，之后隨著工作面推進(jìn)，地表開(kāi)始水平移動(dòng)變形。當(dāng)工作面開(kāi)采過(guò)該點(diǎn)后，地表首先向采空區(qū)內(nèi)加速傾斜變形，之后迅速開(kāi)始產(chǎn)生大幅水平移動(dòng)變形，地表進(jìn)入活躍期。當(dāng)工作面推進(jìn)過(guò)該點(diǎn)88 m時(shí)，地表傾斜變形速度首先迅速達(dá)到最大為0.26 mm/m/d；工作面再向前推進(jìn)90 m時(shí)，地表水平變形速度也達(dá)到最大為0.10 mm/m/d。當(dāng)工作面推進(jìn)到過(guò)該點(diǎn)300 m 后，地表點(diǎn)移動(dòng)變形逐漸趨于穩(wěn)定。地表整個(gè)變形過(guò)程中劇烈期非常顯著，水平變形速度增減呈階梯狀，且地表傾斜變形相比于水平移動(dòng)變形更為敏感（見(jiàn)圖8）。

傾向測(cè)線移動(dòng)變形最大點(diǎn)變形曲線呈S 型，符合改進(jìn)的Knothe時(shí)間函數(shù)，依照式（4）和式（7）對(duì)薄沖積層下開(kāi)采傾向地表移動(dòng)變形曲線進(jìn)行擬合，獲得擬合系數(shù)見(jiàn)表6，擬合曲線見(jiàn)圖8。由R2數(shù)值看，擬合效果很好。

薄沖積層下開(kāi)采，傾向測(cè)線其它測(cè)點(diǎn)下沉曲線S 型規(guī)律明顯，并且隨著監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離工作面中心逐漸接近，地表最終沉降逐漸變大，S 型曲線趨于拉伸化、穩(wěn)定化。在水平方向上，地表移動(dòng)變形曲線類似于走向測(cè)點(diǎn)移動(dòng)變形曲線，呈S 型或倒S 型，如圖9 所示。依照式（4）和式（7）進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果見(jiàn)表7～10，擬合效果較好。

圖8 沿傾向地表移動(dòng)變形曲線Fig.8 Dynamic movement and deformation curves of surface along inclination of coal seam

圖9 沿傾向地表移動(dòng)變形曲線Fig.9 Movement and deformation curves of surface along inclination of coal seam

參照地表下沉速度擬合公式（6）的形式，得出地表移動(dòng)變形速度擬合公式為

將地表移動(dòng)變形擬合系數(shù)代入式（6）和式（8），得到地表移動(dòng)變形速度隨工作面推進(jìn)變化規(guī)律，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)總體變化趨勢(shì)相同，擬合程度較高，基本符合上式。其中，最大移動(dòng)變形點(diǎn)速度擬合曲線見(jiàn)圖8。

表6 沿傾向地表移動(dòng)變形曲線擬合參數(shù)表Table 6 Fitted parameters of ground movement and deformation along inclination of coal seam

表7 沿傾向地表各測(cè)點(diǎn)下沉曲線擬合參數(shù)表Table 7 Fitted parameters of ground subsidence along inclination of coal seam

表8 沿傾向地表各測(cè)點(diǎn)水平移動(dòng)曲線擬合參數(shù)Table 8 Fitted parameters of ground horizontal displacement along inclination of coal seam

表9 沿傾向地表各測(cè)點(diǎn)水平變形曲線擬合參數(shù)Table 9 Fitted parameters of ground horizontal deformation along inclination of coal seam

表10 沿傾向地表各測(cè)點(diǎn)傾斜變形曲線擬合參數(shù)Table 10 Fitted parameters of ground inclination along inclination of coal seam

4.2 移動(dòng)角動(dòng)態(tài)變化規(guī)律

薄沖積層開(kāi)采地表下山移動(dòng)角變化規(guī)律如圖10 所示。隨著工作面逐漸開(kāi)采，地表下山移動(dòng)角逐漸減小。在工作面未推進(jìn)到傾向測(cè)線時(shí)，下山移動(dòng)角以0.75°/m 速度減小，當(dāng)開(kāi)采到其下方時(shí)，移動(dòng)角未有改變，當(dāng)工作面推過(guò)該測(cè)線時(shí)，移動(dòng)角以0.1°/m 速度減小，并于工作面推過(guò)傾向側(cè)線500 m左右后趨于穩(wěn)定，其值在60°左右。下山移動(dòng)角總體動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)可用下式表述：

式中：β為下山移動(dòng)角；a,b,d為待擬合參數(shù)。

擬合得到相關(guān)系數(shù)a=19.236 7，b=172.058 11，d=59.934 2，擬合曲線如圖10 所示。

圖10 地表下山移動(dòng)角變化趨勢(shì)圖Fig.10 Trends of moving angle towards down inclination

5 地表裂縫觀測(cè)分析

地表變形最直接的后果就是使地表產(chǎn)生裂縫或錯(cuò)動(dòng)，導(dǎo)致河水倒灌到井下，易造成淹井事故，給工作面生產(chǎn)和安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。裂縫寬度則與巖土體性質(zhì)有關(guān)。

現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)發(fā)現(xiàn)，工作面開(kāi)采600 m 左右后，首次在走向和傾向測(cè)線附近發(fā)現(xiàn)裂縫，如圖11 所示。在走向方向距工作面后方214 m 處，發(fā)現(xiàn)傾向裂縫（圖中裂縫1），寬度為0.03 m，長(zhǎng)度為6 m。之后隨工作面采動(dòng)裂縫暫無(wú)發(fā)展。在傾向方向，距金沙河往西60～210 m 范圍內(nèi)，發(fā)現(xiàn)走向沉陷裂縫（圖中裂縫2～6），裂縫寬度在0.01～0.05 m 之間。裂縫2～4為裂縫密集區(qū)，裂縫長(zhǎng)度3～100 m 不等。隨工作面開(kāi)采裂縫向南發(fā)育，密集區(qū)向東有小范圍擴(kuò)大，裂縫長(zhǎng)度增長(zhǎng)100%～233%。

圖11 現(xiàn)場(chǎng)地表裂縫發(fā)展位置圖Fig.11 Locations of surface cracks

薄沖積層條件下，由于開(kāi)采深度較大，開(kāi)采制度較完善，因此，工作面走向方向地表水平變形控制在一定范圍內(nèi)，產(chǎn)生的走向裂縫較少。而在傾向測(cè)線方向，隨著工作面開(kāi)采，地表從采空區(qū)到金沙河附近產(chǎn)生了不均勻沉降及水平移動(dòng)，且水平變形較大，因此，產(chǎn)生的傾向裂縫較多，并且裂縫隨工作面開(kāi)采逐漸發(fā)育。

應(yīng)當(dāng)指出，文獻(xiàn)[12]提出的柔性四元防滲結(jié)構(gòu)為開(kāi)放式梯形斷面，對(duì)于平行裂縫有良好的吸收和防御作用。并且薄沖積層下開(kāi)采產(chǎn)生的地表最大移動(dòng)變形發(fā)生在采空區(qū)附近，金沙河附近移動(dòng)變形相對(duì)較小，截止到開(kāi)采完畢，金沙河最大水平位移僅為-19.27 mm、7.89 mm，最大水平壓縮變形為0.605 mm/m，最大拉伸變形為0.8 mm/m。在濕潤(rùn)的條件下，四元防滲結(jié)構(gòu)的防滲層土工膜徑向的拉伸強(qiáng)度為217.8 kN/m，并且經(jīng)向斷裂伸長(zhǎng)率為288%，緯向斷裂伸長(zhǎng)率為123%，可見(jiàn)，文獻(xiàn)[12]提出的柔性四元防滲結(jié)構(gòu)能夠滿足協(xié)調(diào)和緩沖開(kāi)采擾動(dòng)河床變形的要求。

6 結(jié) 論

（1）實(shí)測(cè)表明，薄沖積層下放頂煤開(kāi)采地表下沉移動(dòng)初始期很短；活躍期比較長(zhǎng)（歷時(shí)185 d），地表點(diǎn)的下沉量達(dá)到該點(diǎn)總下沉量的90.7%；劇烈期較為顯著，最大下沉速度達(dá)20.6 mm/d，但劇烈擾動(dòng)時(shí)間相對(duì)較短（歷時(shí)約60 d）。所有測(cè)點(diǎn)下沉曲線均為S 型分布，下沉速度曲線類似為正態(tài)分布，參考Knothe時(shí)間函數(shù)，地表下沉量曲線可表達(dá)為式（4）；下沉速度曲線為式（6），擬合結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相符。

（2）薄沖積層下開(kāi)采，在工作面未推進(jìn)到達(dá)時(shí)，地表移動(dòng)變形較小；工作面開(kāi)采后，地表迅速進(jìn)入活躍期，并且速度達(dá)到最大；當(dāng)工作面推進(jìn)到過(guò)300 m 后，地表點(diǎn)移動(dòng)變形逐漸趨于穩(wěn)定。整個(gè)地表移動(dòng)變形過(guò)程中劇烈期非常顯著，并且走向測(cè)線地表水平移動(dòng)變形對(duì)工作面的推進(jìn)更為敏感，傾向測(cè)線地表則為傾斜變形更為敏感。其中，充分采動(dòng)的測(cè)點(diǎn)移動(dòng)變形值滿足式（7）函數(shù)。

（3）沿著工作面推進(jìn)方向，初始開(kāi)采時(shí)地表初始變形階段主要朝向回采工作面前方做水平和下沉移動(dòng)，之后大部分時(shí)間是在采空區(qū)范圍內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)?？傮w來(lái)說(shuō)，地表點(diǎn)移動(dòng)是一個(gè)較為復(fù)雜的時(shí)間、空間過(guò)程，在采空區(qū)上方表現(xiàn)出移動(dòng)軌跡的簡(jiǎn)單化和規(guī)律化。

（4）研究得出薄沖積層放頂煤開(kāi)采地表移動(dòng)動(dòng)態(tài)參數(shù)。其中，起動(dòng)距為139.7 m，約為0.39H0。超前影響角80°，超前影響范圍偏小。隨著工作面逐漸開(kāi)采，地表下山移動(dòng)角逐漸減小，其值最終穩(wěn)定于60°，變化規(guī)律滿足曲線式（9）。

（5）薄沖積層下開(kāi)采，平行于工作面走向方向的地表裂縫更易發(fā)育。隨著工作面推進(jìn)，地表裂縫前移，密集區(qū)向工作面外側(cè)有小范圍擴(kuò)大，裂縫沿工作面走向長(zhǎng)度發(fā)育較快。

就天祝煤礦金沙河床防滲工程而言，設(shè)計(jì)的柔性四元防滲結(jié)構(gòu)[12]可以適應(yīng)工作面采后地表劇烈變形期的變形速率且滿足移動(dòng)變形的要求。

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