鄭志剛

(中煤科工集團唐山研究院有限公司，河北唐山063012)

重復(fù)采動是地表沉陷變形研究領(lǐng)域中經(jīng)常遇到的一種采動形式［1－3］，與單一煤層開采條件下的地表移動規(guī)律不同，重復(fù)采動條件下地表沉陷變形規(guī)律更為復(fù)雜，地表沉陷變形在時間上和空間上更為集中，移動變形值顯著增大，影響范圍更廣，動態(tài)變形尤為劇烈，對地面建構(gòu)筑物的危害更大［4－6］。本文結(jié)合觀測站實測資料，對重復(fù)采動條件下地表移動變形規(guī)律作一些探討。

1 地質(zhì)采礦條件

鳳凰山井田位于沁水煤田南部、晉城礦區(qū)東部，井田內(nèi)廣為第四系黃土覆蓋。地層由老至新依次為石炭統(tǒng)、二迭統(tǒng)、第三系、第四系，主要可采煤層有3號、9號、15號煤。154309工作面位于三水平四盤區(qū)，工作面北部為老采空區(qū)，南側(cè)、西側(cè)、東側(cè)均為未采區(qū)。154309工作面長約580m，寬173m，開采太原組15號煤，采厚2.13m，傾角1～9°，采深約200m。上覆山西組3號煤、太原組9號煤均為地方小煤礦采空區(qū)，根據(jù)鉆孔揭露，3號煤厚約6m，下距15號煤85m，9號煤厚約2m，下距15號煤28 m。煤層上覆巖層主要由泥巖、砂質(zhì)泥巖、砂巖、石灰?guī)r和第四紀黃土層組成，其中第四紀黃土層厚度為14m。

154309工作面自2012年1月開始回采，至2012年5月回采結(jié)束，推進速度0.5～6.4 m/d左右，平均推進速度3.9 m/d。采煤方法為綜合機械化采煤法。

2 觀測站設(shè)計與觀測

工作面上方地表布設(shè)了1條走向觀測線和1條傾向觀測線，2條觀測線均布設(shè)在工作面的主斷面上方，觀測線的布設(shè)情況見圖1。傾向觀測線布設(shè)工作測點32個，控制點3個，測線長度為598m。走向線布工作測點36個，控制點3個，測線長度為706m。工作測點間距約15m，控制點間距約45m。

圖1 觀測站平面位置示意

地表巖移觀測站于2011年12月建立，自2012年1月2日至2013年3月1日，分別進行了13次全面觀測和13次日常高程觀測，取得了大量的觀測資料。

3 巖移參數(shù)求取

3.1 觀測資料分析

根據(jù)觀測資料，獲得了各次觀測的下沉曲線，圖2給出了傾向線和走向線的部分下沉曲線，表1為觀測站最大移動變形值。

圖2 下沉曲線

表1 觀測站最大移動變形值

從圖2可見，受開采影響，地表下沉值逐漸增大，下沉曲線是連續(xù)漸變的，說明觀測成果是可靠的。通過觀察不同時期的觀測結(jié)果可以看出，采動初期地表沉降發(fā)展很快，后期地表下沉值變化相對較小。

3.2 起動距

起動距是指地表開始移動時工作面的推進距離。根據(jù)實測資料，2012年1月16日，地表巖移觀測站54號測點下沉達到10mm，此時，工作面推進了24 m，即工作面的起動距為24m(0.12H，H為采深)。

3.3 超前影響距和超前影響角

在工作面推進過程中，工作面前方的地表受采動影響而下沉，這種影響稱為超前影響，將工作面前方地表開始移動 (即下沉達到10 mm)的點與當(dāng)時工作面連線，此連線與水平線在煤柱一側(cè)的夾角稱為超前影響角，用ω表示，其計算公式為:

式中，l為超前影響距，m;H為平均開采深度，m。

選取走向線上部分測點，計算其超前影響距見表2。求得平均超前影響距為l=64.3 m，超前影響角ω=73°。

表2 超前影響距和超前影響角

3.4 最大下沉速度及滯后角

根據(jù)走向線上部分測點的實測資料，繪制了測點的下沉速度曲線，圖3為走向線上65號測點的下沉速度曲線。經(jīng)分析可知，地表測點的最大下沉速度為143.4mm/d，最大下沉速度滯后距平均為76.6 m，最大下沉速度滯后角為φ=70.0°。

圖3 下沉速度曲線

地表最大下沉速度與工作面推進速度、工作面開采時地表最大下沉值成正比，與平均開采深度成反比，其計算公式為

式中，K為下沉速度系數(shù)，取K=1.69;C為工作面推進速度，m/d;H0為工作面平均采深，m;Wfm為地表最大下沉值，mm。

3.5 地表移動持續(xù)時間

由下沉速度曲線可知，154309工作面開采過程中，地表下沉速度大且分布集中。地表移動持續(xù)時間為332d，其中初始期短，大約6d，地表沉降不明顯;活躍期較短，為102d，在此期間地表沉陷變形最為劇烈，地表下沉速度快速增大，進入活躍期后約32d，地表下沉速度達到最大值，隨后下沉速度又快速減小;衰退期較長，為224d，但累計地表下沉量不大。

分析可知，活躍期約占總移動時間的30.7%，下沉量約占地表總沉降量的96.3%，其中地表下沉速度超過10mm/d的時間約為33d，占活躍期的32.4%，占地表移動持續(xù)時間的9.9%，其下沉量占活躍期沉降量的88.0%，占地表總沉降量的84.7%;衰退期較長，但下沉量僅占總沉降量的1.7%。

3.6 巖移角值

通過對觀測資料的整理和分析，獲得了地表移動變形的巖移角值，見表3。

表3 地表巖移角值

3.7 地表移動預(yù)計參數(shù)

根據(jù)實測資料，采用曲線擬合法，進行了求參分析，獲得了概率積分法預(yù)計參數(shù)，見表4，圖4為下沉曲線擬合圖。

表4 地表移動預(yù)計參數(shù)

4 地表移動變形規(guī)律

結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查和實測資料可知，本區(qū)域的地表移動與變形具有如下規(guī)律和特點:

圖4 下沉擬合曲線

(1)地表下沉值大，地表下沉系數(shù)為0.96。重復(fù)采動條件下，上覆巖層承載能力顯著降低，在自重荷載作用下近似整體快速下沉，相對懸空的時間顯著減少，致使采空區(qū)地表沉陷變形更為劇烈且集中［7－8］。另外，老采空區(qū)的活化影響也是造成地表下沉值增大的重要因素。

(2)地表移動變形在空間上更為集中，下沉盆地陡峭［9－11］。重復(fù)采動條件下上覆地層較為破碎，強度降低，致使地層在垂直方向上的移動顯著加快，而在水平方向上的移動變形明顯滯后，造成了采空區(qū)正上方下沉量大，采空區(qū)邊界附近地表下沉盆地陡峭，移動變形值大且分布集中，而采空區(qū)邊界以外地表下沉盆地平緩。

(3)地表移動變形在時間上更為集中，地表下沉速度大［12－13］。地表沉陷變形主要發(fā)生于活躍期內(nèi)，活躍期約占總移動時間的30.7%，下沉量占總沉降量的96.3%左右，活躍期內(nèi)地表下沉速度超過10mm/d的時間約為33d，地表最大下沉速度為143.4mm/d;起始期和衰退期共230d，下沉量僅占總沉降量的3.7%。

(4)地表裂縫較為發(fā)育，裂縫間距4～20m，裂縫寬度3～150mm，部分區(qū)域伴有臺階狀破壞，最大落差達100mm。

5 結(jié)論

重復(fù)采動條件下地表移動變形有以下特點:地表沉陷變形劇烈，下沉盆地陡峭、變形分布集中，地表下沉系數(shù)顯著增大，采動影響范圍增大;地表動態(tài)變形劇烈，地表下沉速度大;地表移動持續(xù)時間較短，地表下沉主要集中于活躍期，活躍期約占地表移動持續(xù)時間的30.7%，其下沉量占地表總沉降量的96.3%。在巖移預(yù)計參數(shù)上表現(xiàn)為地表下沉系數(shù)大，水平移動系數(shù)、影響傳播角系數(shù)偏小，邊界角、移動角值、主要影響角正切tanβ較小。

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