趙兵朝，同超，劉樟榮，劉浪，余學義

(1. 西安科技大學 能源學院，陜西 西安，710054；2. 西安科技大學 教育部西部礦井開采及災(zāi)害防治實驗室，陜西 西安，710054)

西部生態(tài)脆弱區(qū)地表開采損害特征

趙兵朝1,2，同超1,2，劉樟榮1,2，劉浪1,2，余學義1,2

(1. 西安科技大學 能源學院，陜西 西安，710054；2. 西安科技大學 教育部西部礦井開采及災(zāi)害防治實驗室，陜西 西安，710054)

為進一步揭示西部生態(tài)脆弱區(qū)地表開采損害特征形成的機理，在分析影響生態(tài)脆弱區(qū)地表開采損害特征主要因素(開采深度、開采高度、基巖厚度、載荷層厚度以及坡體自身穩(wěn)定性)的基礎(chǔ)上，研究生態(tài)脆弱區(qū)厚松散層薄基巖、黃土溝壑及山區(qū)丘陵下煤層開采的地表損害特征，并以基采比(基巖厚度與開采高度之比，JC)和基載比(基巖厚度與載荷層厚度之比，JZ)為關(guān)鍵參數(shù)，揭示生態(tài)脆弱區(qū)煤層開采損害特征形成的機理。研究結(jié)果表明：以基采比和基載比為基礎(chǔ)，結(jié)合坡體穩(wěn)定性引起的附加量，能夠有效地分析西部生態(tài)脆弱區(qū)的開采損害特征，為進一步揭示該區(qū)域煤層開采地表損害特征的形成機理提供了依據(jù)。

生態(tài)脆弱區(qū)；開采損害；基采比；基載比；坡體穩(wěn)定性

近年來，國內(nèi)煤炭開發(fā)布局矛盾加?。簴|部資源日漸枯竭，煤炭開發(fā)加速向生態(tài)環(huán)境脆弱的西部轉(zhuǎn)移。煤炭資源的大量開發(fā)給生態(tài)脆弱區(qū)的生態(tài)環(huán)境造成了一系列損害，引起了人們的極大關(guān)注。對于覆巖及地表開采損害特征，國內(nèi)外許多研究者開展了大量的工作，如阿維爾申等[1]先后采用彈性力學、塑性力學及地表移動觀測等方法研究開采沉陷問題，建立了典型采場上方巖層移動的“三帶理論”：冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶。黃慶享[2]對淺埋煤層進行了定義，將淺埋煤層分為2種類型：厚松散層薄基巖類型的淺埋煤層，老頂為單一關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)，覆巖破壞表現(xiàn)為臺階下沉；厚基巖薄松散層的淺埋煤層，工作面上方存在 2組關(guān)鍵層，覆巖破壞介于淺埋煤層與普通采場之間，稱為近淺埋煤層。宋世杰[1]運用灰色關(guān)聯(lián)分析和逐步回歸分析2種方法分別對影響開采沉陷的關(guān)鍵地礦因子進行篩選，最終確定擾動系數(shù)(n)、覆巖綜合硬度(Q)、深厚比(R0)、寬深比(λ1)這4個影響因子為關(guān)鍵地礦因子，構(gòu)建了基于關(guān)鍵地礦因子的下沉系數(shù)預(yù)計模型；黃樂亭[3]將《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》(以下簡稱《規(guī)程》)中的兩帶計算公式進一步完善為以煤層采厚和覆巖硬度為變量的計算公式；于廣明等[4]基于采動巖體的非線性破壞特征、開采沉陷的Damage效應(yīng)、采動巖體分形裂隙網(wǎng)絡(luò)及演化規(guī)律、開采沉陷的協(xié)同效應(yīng)和自組織過程、采動巖體層裂的突變機理、采動斷層活化的分形界面效應(yīng)、地表下沉的“S”型分形增長規(guī)律等內(nèi)容的研究，提出了建立基于礦山開采非線性沉陷機理、規(guī)律的預(yù)測模型和防治對策及非線性沉陷學的理論。《規(guī)程》規(guī)定，在近水平煤層開采的條件下，當開采煤層埋藏深度與采高之比大于40時，地表表現(xiàn)為連續(xù)變形。西部生態(tài)脆弱區(qū)具有可采煤層多、煤層厚度較大、煤層埋藏較淺(埋深多為80～150 m)、開采高度大、上覆基巖薄、地表沙土層厚等工程地質(zhì)特征，使得已有的采動覆巖破壞及地表沉陷規(guī)律(如“三帶”規(guī)律)在該區(qū)域條件下無法普遍適用。西部生態(tài)脆弱區(qū)開采損害具體表現(xiàn)為：地表產(chǎn)生沉陷盆地，地面產(chǎn)生開裂、傾斜和彎曲等變形，甚至出現(xiàn)階梯狀塌陷坑、塌陷漏斗；原有的巖石結(jié)構(gòu)被破壞，甚至引發(fā)山體滑坡、地震等衍生地質(zhì)災(zāi)害；地面村莊等建筑物產(chǎn)生裂縫、傾斜甚至倒塌；土壤環(huán)境受到污染，有用礦物質(zhì)、養(yǎng)分和水汽漏失或揮發(fā)，引起地表植被破壞，土地荒漠化?？刂频叵虏擅阂鸬牡乇砩鷳B(tài)惡化，促進煤炭資源開發(fā)與生態(tài)環(huán)境改善的協(xié)調(diào)發(fā)展，是西部生態(tài)脆弱區(qū)礦區(qū)建設(shè)的必然之路[5]。本文作者以西部生態(tài)脆弱區(qū)地表開采損害特征為研究對象，結(jié)合生態(tài)脆弱區(qū)的特殊采礦地質(zhì)條件，進一步揭示其開采損害特征形成的機理。

1 地表開采損害特征影響因素分析

生態(tài)脆弱區(qū)現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)表明：常規(guī)條件下按埋深與開采厚度之比判定覆巖的破壞與地表塌陷特征，在該區(qū)域條件下已不具備普遍適用性：黃陵礦區(qū)黃陵1號井，地表屬于山區(qū)黃土溝壑殘塬地貌，溝壑縱橫分布，煤層開采厚度一般為2.5～3.0 m，該礦區(qū)在工作面達到充分采動條件時地表出現(xiàn)臺階下沉，臺階最大下沉量為60 cm；韓家灣煤礦，地表為松散層，開采煤層厚度為4.5 m，該礦區(qū)在達到充分采動條件時地表雖出現(xiàn)臺階下沉，但臺階下沉較少，最大下沉量僅為13 cm。生態(tài)脆弱區(qū)各礦井在不同基采比和基載比條件下的開采損害特征如表1所示。

表1 不同基采比(JC)和基載比(JZ)條件下的開采損害特征Table 1 Mining-induced damage characteristics with different ratios of bedrock thickness and mining height (JC) bedrock thickness and overburden thickness (JZ)

由表 1可知按煤層埋深(H)與開采高度(m)之比大于40進行判定，西部生態(tài)脆弱區(qū)部分礦井煤層開采后地表不會出現(xiàn)臺階下沉，但開采實踐表明：按H/m的比值判定生態(tài)脆弱區(qū)覆巖破壞形態(tài)，可能存在較大出入；麻黃梁煤礦和黃陵1號煤礦地表均為厚濕陷性黃土層，其他煤礦地表為厚松散層覆蓋(實踐表明地表為厚濕陷性黃土覆蓋的地表損害特征較地表為厚松散層覆蓋的地表損害嚴重)。由于部分礦區(qū)位于黃土高原，黃土溝壑區(qū)的損害特征較平地的損害特征更為嚴重，開采沉陷的損害程度與坡體自身的穩(wěn)定性有必然聯(lián)系。通過上述分析并結(jié)合文獻[2]中給出的淺埋煤層的定義與礦壓顯現(xiàn)特征，可以得出影響生態(tài)脆弱區(qū)地表開采沉陷損害特征的主要因素為開采深度、開采高度、基巖厚度、載荷層厚度以及坡體自身穩(wěn)定性。

2 開采損害的特征分析

2.1 厚松散層薄基巖淺埋煤層礦區(qū)

該區(qū)域煤層賦存特征具有埋深淺、松散層厚和基巖薄的特點，煤層大規(guī)模開采，導(dǎo)致覆巖整體易發(fā)生切冒、地表易形成塌陷坑和臺階裂縫。范鋼偉等[6]以神東礦區(qū)為研究對象，按基巖厚度不同劃分為3種典型的煤層賦存條件：基巖厚度小于30 m為Ⅰ類，基巖厚度大于30 m且小于60 m為Ⅱ類，基巖厚度大于等于60 m為Ⅲ類。在該條件下進行煤層開采，覆巖與地表會出現(xiàn)同步垮落現(xiàn)象，但不同典型覆巖類型，其出現(xiàn)的時間不同：I類煤層垮落發(fā)生在初次來壓時，Ⅱ類煤層垮落發(fā)生在第2次周期來壓時，Ⅲ類煤層發(fā)生在主關(guān)鍵層破斷時。

余學義等[7?8]認為關(guān)鍵層對地表切落裂縫破壞起控制作用，基于固支梁和懸臂梁力學模型，提出關(guān)鍵層破斷距的簡化公式。

式中：Lc為關(guān)鍵層初次破斷距，m；lc為未考慮墊層作用的初次破斷距，m；xβ為煤壁與最大彎矩處的距離，m；Lz為關(guān)鍵層周期破斷距，m；lz為未考慮墊層作用的周期破斷距，m；x1為煤壁與最大彎矩處的距離，m。

老頂關(guān)鍵塊不出現(xiàn)滑落失穩(wěn)的最大下沉量的近似表達式為

式中：θ1為老頂關(guān)鍵塊的初始回轉(zhuǎn)角(θ1＜4°)，(°)。不同開采條件下允許老頂關(guān)鍵塊的下沉量為

式中：m為開采高度；mf為采空區(qū)有效充填厚度；Kp為直接頂碎脹系數(shù)；∑h為直接頂厚度。

根據(jù)式(3)推導(dǎo)出不同開采條件下不同關(guān)鍵層巖塊不產(chǎn)生滑落失穩(wěn)的極限開采厚度。

2.2 黃土溝壑區(qū)

黃土溝壑區(qū)位于黃土高原，在雨水的沖刷下地表溝壑到處可見。在黃土溝壑區(qū)下煤層開采，由于地表植被較差、水土流失嚴重，易造成坡體發(fā)生滑坡、坍塌等災(zāi)害。YI等[9?11]認為黃土溝壑區(qū)下煤層開采地表損害特征不僅涉及黃土層下煤層開采的地表損害特征，而且需要考慮在溝壑區(qū)條件下地表移動變形的附加變形量(即采動引起的滑移量)。溝壑區(qū)采動引起的滑移與溝壑區(qū)坡體自身的穩(wěn)定性有著密切聯(lián)系。劉新喜等[12]從開采沉陷滑坡體滲透性、后緣裂縫分布特征等角度對開采沉陷引發(fā)黃土層滑坡的影響進行了分析，認為滑坡體穩(wěn)定性對降雨強度最為敏感，滲透系數(shù)次之；同時滑坡體的穩(wěn)定性與裂縫位置、深度有關(guān)。綜上所述，坡體的穩(wěn)定性對研究黃土溝壑區(qū)下煤層開采引起的地表損害特征具有重要意義。

黃土溝壑區(qū)坡體自身的穩(wěn)定性系數(shù)G可通過下式進行計算分析：

式中：pδ為坡體的角度，(°)；h為表土層的厚度，m；r為土體的密度，kg/m3；C為土體的內(nèi)聚力，Pa；φ為土體的內(nèi)摩擦角，(°)。

當G≥1時，坡體自身就不穩(wěn)定，且G越大，坡體穩(wěn)定性越差；當0.83≤G＜1時，坡體自身存在滑坡的可能；當G＜0.83時，滑坡可能性較小。

與平地相比，采動引起溝壑地表移動變形并增加了由滑動引起的附加量，由此可得溝壑地表條件下地表移動變形的預(yù)測公式：

式中：)(xw′，)(xu′和)(xε′分別表示在黃土溝壑地表條件下開采引起的地表下沉、水平移動和水平變形。

影響黃土溝壑區(qū)地表移動變形的因素主要通過Δw(x)，Δu(x)和Δε(x)這 3個指標進行評價，其指標的具體表達式如下：

式中：Δw(x)，Δu(x)和Δε(x)分別為黃土溝壑地表條件下開采引起的地表下沉、水平移動和水平變形引起的附加量。

2.3 山區(qū)丘陵

山區(qū)丘陵地表若沿順層覆蓋黃土，則基巖的巖面與土層的交界處為一弱面，該條件下進行煤層開采，易引起地表山體頂部產(chǎn)生大裂縫。由于土體與巖體的滲透系數(shù)存在極大差別，若遇雨水沖刷，誘發(fā)山體滑移和坍塌，易發(fā)生泥石流、滑坡等災(zāi)害。同時，當開采強度較大時，山區(qū)巖體也可能產(chǎn)生滑落或崩塌。山區(qū)丘陵下煤層開采雖然也涉及坡體自身的穩(wěn)定性，但計算分析其穩(wěn)定性時，兩者存在區(qū)別：前者涉及黃土坡體內(nèi)部受采動影響產(chǎn)生裂縫的弱面；后者涉及傾斜巖層與土體交界處的弱面[13]。

山區(qū)及丘陵地表條件下的采動地表移動變形同樣可由水平礦層水平地表的數(shù)學模型來預(yù)測[14]。但當?shù)乇砥陆禽^大時，會引起計算參數(shù)的變化。地表坡角的變化等同于開采深度的變化。在近水平地層及近水平礦層條件下，采動主要影響范圍角(β)近似于不變，而隨地表坡角的變化會引起主要影響半徑的變化，如圖1～2所示。開采實踐表明：傾斜地表的水平移動系數(shù)bs除與覆巖巖性有關(guān)外，還與地表傾角δ (φ)及移動方向有關(guān)。因此，當應(yīng)用概率積分法預(yù)計的水平數(shù)學模型時，首先應(yīng)確定此條件下的主要影響半徑r(x, y, z)和水平移動系數(shù)bs這2個參數(shù)。

圖1 水平礦層開采引起水平地表移動分布形式Fig. 1 Distribution patterns of surface horizontal displacement for horizontal coal seam mining

圖2 水平礦層開采引起傾斜地表移動分布形式Fig. 2 Distribution patterns of surface inclined displacement for horizontal coal seam mining

圖3 山區(qū)地表條件下主要影響半徑的確定方法Fig. 3 Methods to determine the major influencing radiusunder mountain hills condition

2.3.1 主要影響半徑

由圖 3(a)可知：對于傾斜地表任意一點的主要影響半徑r(x, y, z)為

式中： r0為主要影響半徑，m，r0=H0/tanβ；δg為地表任意點A(x, y, z)和計算坐標原點連線方向的地表坡角，(°)；β為主要影響范圍角，(°)；H0為計算坐標原點的埋深，m。

對于平面半無限開采問題，由解析法分析可得在x?z平面內(nèi)的主要影響半徑r(x, z)為

式中：δ為地表沿x方向的坡角，(°)。

同樣，可得在y?z平面內(nèi)的主要影響半徑r(y, z)為：

式中：φ為地表沿y方向的坡角，(°)。

2.3.2 水平移動系數(shù)

當?shù)乇砥陆禽^大時，順坡方向的水平移動量總是大于逆坡方向的水平移動量。有研究表明，傾斜地表觀測成果給出水平移動系數(shù)bs與地表坡角δ (φ)間的關(guān)系式為

或

式中：b為在水平地表條件下的地表水平移動系數(shù)；順坡移動時取正值，逆坡移動時取負值。

由上述分析可知：傾斜地表下的地表移動變形與水平地表下的地表移動變形相比，主要是改變了主要影響半徑r(x, z)及水平移動系數(shù)bs，因此，以r(x, z)代替 r，由 bs代替 b，即可得傾斜地表近水平礦層開采條件下地表移動變形半無限下沉盆地平面問題的預(yù)測公式。

3 地表開采損害特征形成機理

在生態(tài)脆弱區(qū)厚松散層(或粉細砂)覆蓋下進行煤層開采，地表裂縫主要產(chǎn)生于由開采作用引起的基巖移動變形[11,13]。由于黃土(或粉細砂)與基巖的力學特性不同，黃土(或粉細砂)與基巖的交接面在摩擦力的作用下產(chǎn)生集中應(yīng)力，進而形成破裂面并沿黃土(或粉細砂)層的垂直裂隙方向發(fā)展，形成地表裂縫。

3.1 基采比和基載比與地表裂縫形成的關(guān)系

1) 按基載比進行分類。當基載比JZ＞0.8時，若JC＜10，則頂板基巖沿全厚切冒，基巖的破斷角較大，覆巖破斷直接波及地表，地表和頂板有臺階下沉現(xiàn)象，工作面上方不存在“三帶”，覆巖表現(xiàn)出“三帶合一”現(xiàn)象；若10≤JC≤25，其礦壓顯現(xiàn)特征介于淺埋煤層和普通采場之間，覆巖出現(xiàn)冒落帶、裂縫帶；若JC＞25，隨著基采比的增加，覆巖破壞形態(tài)由“三帶合一”現(xiàn)象逐漸向“三帶”(冒落帶、裂縫帶和彎曲下沉帶)型轉(zhuǎn)變。

當基載比JZ≤0.8時，若JC＜15，覆巖表現(xiàn)出“三帶合一”現(xiàn)象；若15＜JC＜30，則覆巖出現(xiàn)冒落帶、裂縫帶；若JC＞30，則工作面開采地表表現(xiàn)為連續(xù)變形，隨著基采比的增加，覆巖破壞形態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)椤叭龓А毙停?/p>

2) 按基采比 JC進行分類。若基巖較薄、松散層厚度較大，則當JC＜10時覆巖表現(xiàn)出“三帶合一”現(xiàn)象；若覆巖埋深較小，但基巖厚度較大，則當 10≤JC≤25時覆巖出現(xiàn)冒落帶、裂縫帶；當JC＞25時，隨著基采比的增加，覆巖破壞形態(tài)表現(xiàn)為“三帶”型。JC的具體取值取決于JZ的大小。

3.2 采動地表裂縫形成機理

生態(tài)脆弱區(qū)煤層開采礦壓顯現(xiàn)的基本特征決定了其覆巖的破壞形態(tài)，以基采比和基載比為關(guān)鍵參數(shù)雖然可以判定覆巖破壞形態(tài)，但很難解釋在該條件下覆巖破壞形態(tài)由“三帶合一”逐漸向“三帶”型過渡的機理與現(xiàn)象，因此，從能量釋放的角度來進一步分析其形態(tài)轉(zhuǎn)變的機理[14]。

1) 當基載比 JZ較小(JZ＜0.8)且 JC＜15時，產(chǎn)生“三帶合一”現(xiàn)象。從能量釋放角度解釋該現(xiàn)象：當基巖厚度較小且開采高度較大時，覆巖產(chǎn)生的移動變形相對較大，此時覆巖將積蓄很多能量，積蓄的能量主要通過覆巖產(chǎn)生的垂直裂縫進行釋放。由于覆巖基采比JC較小，在覆巖積蓄的能量沒有完全釋放之前，覆巖已被垂直裂縫完全貫穿并發(fā)生切冒。由于覆巖發(fā)生切冒的時間較短，且覆巖存在動載現(xiàn)象，覆巖中積蓄的能量來不及通過巖層間的粘聚力和各巖層的破斷逐漸釋放，最終以垂直裂縫的方式直接通過覆巖兩端向上發(fā)展。

2) 當基載比JZ≈0.8且15≤JC≤30時，覆巖雖產(chǎn)生“三帶合一”現(xiàn)象但未貫穿整個巖體，可能是因為：基巖厚度較大，開采高度相對較小，覆巖產(chǎn)生的移動變形也相對較小，在覆巖內(nèi)部積蓄的能量釋放與出現(xiàn)動載現(xiàn)象時，垂直裂縫并未完全貫穿巖體，部分能量通過巖層間的粘聚力和各巖層的水平和垂直裂縫逐漸釋放。當其剩余的能量小于覆巖產(chǎn)生破斷所需的應(yīng)變能時，覆巖中巖層破斷停止，覆巖并未完全切冒，形成裂縫帶。

3) 當基載比 JZ較大(JZ＞0.8)且 JC＞25時，覆巖破壞形態(tài)表現(xiàn)為“三帶”型。也就是說，覆巖在移動變形過程中積蓄的能量一部分通過覆巖切冒進行釋放，還有一部分能量經(jīng)巖層間的粘聚力和各巖層的破斷逐漸釋放，當覆巖積蓄的能量釋放到一定程度時，覆巖還存在一部分巖層并未發(fā)生破壞，該部分巖層僅在其剩余能量作用下，產(chǎn)生一定的位移和形變。覆巖在連續(xù)變形帶內(nèi)的移動變形進一步證實了上述觀點。

4 工程實例

以黃土溝壑區(qū)西氣東輸天然氣管道 DD245—DD246段穿越煤礦采空區(qū)[15]為例，該煤礦煤層埋深為194 m，土層厚度約為150 m，開采高度為1.4 m，工作面走向長約為 800 m，傾斜長為 200 m，傾角為1°～3°，采用全部垮落法管理頂板。工作面推進方向與管線延伸方向基本平行，且管線距開采邊界向外約45 m。

覆巖巖性類型為中硬偏軟型。本礦區(qū)水平地表的概率積分參數(shù)的經(jīng)驗值為：拐點偏移距 d=0.05H，下沉系數(shù)η為0.8，tan β為2.0，b為0.25。

4.1 坡體穩(wěn)定性分析

根據(jù)該煤礦相關(guān)地質(zhì)資料，土層的密度為 1 600 kg/m3；坡體的角度為 30°，土體內(nèi)摩擦角約為 20°，內(nèi)聚力為 10 kPa，代入式(4)可得該區(qū)域 G的取值為1.224(略大于1.000)，說明該區(qū)域坡體自身存在滑坡的可能。現(xiàn)場觀測時發(fā)現(xiàn)該煤礦曾經(jīng)發(fā)生多次滑坡的跡象，充分驗證了式(4)的可靠性。

4.2 覆巖破壞特征分析

基載比JZ為0.3，其值小于0.8；基采比JC為31.4，其值大于 30。按照基采比 JC＞30判定，覆巖破壞特征應(yīng)以典型“三帶”特征進行分布，但由于該處JZ僅為0.3，遠小于0.8，故覆巖破壞為“三帶合一”型。該煤礦煤層開采，地表出現(xiàn)約50 cm的臺階下沉，水平裂縫最大寬度約為40 cm。

4.3 坡體移動變形計算分析

黃土溝壑區(qū)地表移動變形極值的計算公式為

式中：wmax為最大下沉值，mm；a為煤層傾角，(°)；umax為最大水平移動值，mm；b為水平移動系數(shù)；H為平均埋度，m；tanβ為主要影響正切值，r為主要影響半徑，m；imax為最大傾斜值，mm/m；Kmax為最大曲率變形，10?3/m；εmax為最大水平變形，mm/m。

將該區(qū)域概率積分參數(shù)代入式(14)可得黃土溝壑區(qū)地表移動變形極值：wmax為 1 120 mm，umax為280 mm，r為 97 m，imax為 11.55 mm/m，Kmax為(±)0.181×10?3/m，εmax為(±)4.39 mm/m。

結(jié)合式(6)，可計算出黃土溝壑地表下開采引起的地表移動變形附加量為：Δw(x)為 491 mm，Δu(x)為851 mm，Δε(x)為 8.78 mm/m。

將所得結(jié)果代入式(5)，可得溝壑條件下地表移動變形量：)(xw′為1 161 mm，)(xu′為1 131 mm，)(xε′為13.17 mm/m。

在傾斜地表移動變形預(yù)測[15]過程中，傾斜地表水平移動系數(shù)bs可按式(12)或式(13)進行求解。由于本坡體為順坡，計算時應(yīng)采用正值，結(jié)合δ=30°，φ=20°和b=0.25，可求得順坡方向最大的水平移動系數(shù) bs為0.475，則地表的水平變形量極值εDmax為11.99 mm/m。山區(qū)地表水平變形計算結(jié)果為±13.17 mm/m，2個計算結(jié)果基本吻合。而且按照溝壑區(qū)坡體穩(wěn)定性計算結(jié)果進行預(yù)測安全系數(shù)較大，驗證了以坡體穩(wěn)定性計算地表移動變形的可靠性。

圖 4～6所示為研究區(qū)域工作面垂直管道 DD245-DD246段及伴行段的下沉曲線、水平移動曲線和水平變形曲線[16]，其中橫坐標1 000～1 200 m區(qū)域為工作面所處的位置。由圖4～6可知：工作面開采造成地表最大下沉量為1 161 mm，地表水平移動量為1 131 mm，地表水平變形量為13.17 mm/m。管道附近地表的最大下沉量為600 mm，現(xiàn)場實測為443 mm。由于管道處出現(xiàn)裂縫前地表也產(chǎn)生了一定下沉，且地表下沉仍在繼續(xù)，故預(yù)計的下沉量比較可靠。水平移動量為700 mm，在進行現(xiàn)場觀測前，管道處附近已產(chǎn)生的最大裂縫寬度為 200～400 mm，現(xiàn)場監(jiān)測地表最大的水平移動量為 146 mm，且地表產(chǎn)生裂縫前也產(chǎn)生了一定的水平移動量，地表水平移動仍在繼續(xù)，故預(yù)計的水平移動量相對可靠。地表水平變形量為13.17 mm/m，在崾峴部位的地表水平變形量為6 mm/m。

圖4 工作面垂直管道段及伴行段的下沉曲線Fig. 4 Subsidence isoline of workface along vertical piping section and concomitant section

圖5 工作面垂直管道段及伴行段的水平移動曲線Fig. 5 Horizontal movement isoline of workface along vertical piping section and concomitant section

圖6 工作面垂直管道段及伴行段的水平變形曲線Fig. 6 Horizontal deformation isoline of workface along vertical piping section and concomitant section

應(yīng)用上述方法研究生態(tài)脆弱區(qū)黃土溝壑區(qū)采動地表損害特征，所得結(jié)果與現(xiàn)場實測結(jié)果基本吻合，為進一步揭示西部生態(tài)脆弱區(qū)地表開采損害特征提供了依據(jù)。

5 結(jié)論

1) 影響西部生態(tài)脆弱區(qū)地表開采損害特征的主要因素為基采比、基載比以及坡體自身穩(wěn)定性。

2) 在分析生態(tài)脆弱區(qū)地表開采損害特征主要因素的基礎(chǔ)上，分別分析生態(tài)脆弱區(qū)厚松散層薄基巖、黃土溝壑及山區(qū)丘陵下煤層開采地表的損害特征。

3) 以基采比和基載比為關(guān)鍵參數(shù)，揭示生態(tài)脆弱區(qū)煤層開采損害特征形成的機理，并通過工程實例驗證了以基采比、基載比和坡體穩(wěn)定性為關(guān)鍵參數(shù)進行分析的黃土溝壑區(qū)煤層開采損害特征的可靠性。

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Characteristics of mining-induced surface damage in western ecological fragile region

ZHAO Bingchao1,2, TONG Chao1,2, LIU Zhangrong1,2, LIU Lang1,2, YU Xueyi1,2

(1. School of Energy, Xi’an University of Science and Technology, Shaanxi, Xi’an 710054, China;2. Key Laboratory of Western Mine Exploitation and Hazard Prevention of the Ministry of Education,Xi’an University of Science and Technology, Shaanxi, Xi’an 710054, China)

To reveal the formation mechanism of mining-induced surface damage characteristics in the western ecological fragile region, the characteristics of surface damage under conditions of thick alluvium with thin bedrock, and loess ravine and mountain and hills were studied based on the analysis of affecting factors such as mining depth, mining height,bedrock thickness, overburden thickness and slope stability. The ratio of bedrock thickness and mining height (JC), the ratio of bedrock thickness and overburden thickness (JZ), and the slope stability were employed as key parameters to reveal the formation mechanism. The results show that using JCand JZ, combined with slip additional amount caused by slope stability, the mining damage characteristics of the western ecological fragile area can be effectively analyzed. This study provides a basis to reveal the formation mechanism of mining-induced surface damage characteristics in the western ecological fragile region.

ecological fragile region; mining-induced surface damage; ratio of bedrock thickness and mining height (JC);ratio of bedrock thickness and overburden thickness (JZ); slope stability

TD05

A

1672?7207(2017)11?2990?08

10.11817/j.issn.1672-7207.2017.11.020

2016?12?27；

2017?02?04

國家自然科學基金資助項目(51504182，51304156)；陜西省自然科學基金資助項目(2015JQ5187)；陜西省教育廳基金資助項目(15JK1466)；中國博士后科學基金資助項目(2015M582685)；西安科技大學能源學院青年教工創(chuàng)新項目(2014-NY-018)(Projects(51504182,51304156) supported by the National Natural Science Foundation; Project(2015JQ5187) supported by the National Natural Science Foundation of Shaanxi Province; Project(15JK1466) supported by Shaanxi Provincial Department of Education Foundation;Project(2015M582685) supported by China Postdoctoral Science Foundation); Project(2014-NY-018) supported by Innovative Foundation for the Young Scholars of School of Energy, Xi’an University of Science and Technology)

趙兵朝，博士，教授，從事開采損害及防護研究；E-mail: zhaobc913@163.com

(編輯 伍錦花)