葉 偉 徐良驥

（1.安徽理工大學(xué)空間信息與測(cè)繪工程學(xué)院，安徽 淮南 232000；2.深部煤礦采動(dòng)響應(yīng)與災(zāi)害防控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 淮南 232000）

淮南礦區(qū)屬于高潛水位礦區(qū)［1］。高潛水位礦區(qū)的典型特征是地表在采動(dòng)后會(huì)形成沉陷水域，尤其對(duì)重復(fù)采動(dòng)工作面地表移動(dòng)變形監(jiān)測(cè)會(huì)產(chǎn)生很大影響。重復(fù)采動(dòng)是指巖層和地表已經(jīng)受過(guò)一次開(kāi)采的影響而產(chǎn)生移動(dòng)、變形和破壞之后，再一次經(jīng)受開(kāi)采（開(kāi)采下部煤層或下分層或同一煤層的下一個(gè)工作面）的影響，使得巖層和地表又一次受到采動(dòng)影響［2］。重復(fù)采動(dòng)條件下工作面正上方地表會(huì)出現(xiàn)大面積沉陷積水區(qū)，給觀測(cè)站建立造成了較大困難。在煤炭開(kāi)采地表移動(dòng)變形信息提取方面，傳統(tǒng)方法是通過(guò)布設(shè)觀測(cè)站，進(jìn)行水準(zhǔn)測(cè)量和CORS RTK測(cè)量［3-7］。目前，較為先進(jìn)的變形信息提取方法包括D-InSAR結(jié)合GPS技術(shù)、多軌D-InSAR結(jié)合多孔徑合成雷達(dá)（Multiple Aperture Interferometry，MAI）技術(shù)，可獲取地表三維信息［8］。D-InSAR會(huì)因?yàn)樽陨砭窒扌允艿揭恍?yīng)用限制，如大面積水域會(huì)造成D-InSAR圖像干涉的低相干、對(duì)南北方向的形變具有不敏感性［9］。目前，InSAR技術(shù)的形變測(cè)量精度基本采用實(shí)地測(cè)量數(shù)據(jù)（如水準(zhǔn)測(cè)量、GPS測(cè)量等）進(jìn)行檢核［9］。因此，即使采用D-InSAR技術(shù)提取地表形變量，也需要布設(shè)觀測(cè)站。為了研究重復(fù)采動(dòng)條件下地表移動(dòng)變形規(guī)律，需要結(jié)合實(shí)際工作面地表環(huán)境和地質(zhì)采礦條件進(jìn)行觀測(cè)站布設(shè)和數(shù)據(jù)采集，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析。

本研究以淮南礦區(qū)某礦11123工作面（以下簡(jiǎn)稱“11123工作面”）為例，詳細(xì)分析重復(fù)采動(dòng)條件下觀測(cè)站的設(shè)計(jì)與觀測(cè)方法，為國(guó)內(nèi)具有類似開(kāi)采條件和地表水文條件的工作面建立地表觀測(cè)站提供參考。全面觀測(cè)的目的是將觀測(cè)站數(shù)十千米以外的礦區(qū)高等級(jí)控制點(diǎn)高程和坐標(biāo)與工作面觀測(cè)站的高程、平面控制網(wǎng)進(jìn)行聯(lián)測(cè)，從而建立相對(duì)的控制網(wǎng)坐標(biāo)系統(tǒng)［10-12］。全面觀測(cè)數(shù)據(jù)處理成果質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到后續(xù)觀測(cè)的精度和開(kāi)采沉陷規(guī)律的準(zhǔn)確研究［13］。觀測(cè)站的日常觀測(cè)工作是指首次和末次全面觀測(cè)之間適當(dāng)增加的水準(zhǔn)測(cè)量工作，還包括對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)在采動(dòng)過(guò)程中的位移和地面出現(xiàn)裂縫、塌陷的形態(tài)以及時(shí)間的記錄和分析。關(guān)于裂縫發(fā)育規(guī)律的研究，王云廣等［14］根據(jù)沉陷盆地主斷面的移動(dòng)變形特征，將地表移動(dòng)變形影響區(qū)劃分為拉伸區(qū)、壓縮區(qū)和先拉伸后壓縮區(qū)，并分析了各區(qū)的裂縫發(fā)育特征，提出一種基于下沉曲線長(zhǎng)度計(jì)算判斷采動(dòng)拉伸區(qū)裂縫發(fā)育的方法；錢鳴高等［15］利用塊體結(jié)構(gòu)模型對(duì)煤層采動(dòng)后覆巖運(yùn)動(dòng)和地表沉陷規(guī)律進(jìn)行了研究，取得較好的效果；郭惟嘉等［16］采用現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)、理論分析等手段，對(duì)翟鎮(zhèn)煤礦重復(fù)采動(dòng)條件下的地表非連續(xù)變形現(xiàn)象進(jìn)行了研究；陳超等［17］通過(guò)總結(jié)前人有關(guān)裂縫的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)成果，分析認(rèn)為現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)能較為直觀地了解巖土體內(nèi)裂隙演變情況。本研究通過(guò)對(duì)11123工作面3號(hào)傾向觀測(cè)線地表裂縫的實(shí)際發(fā)育情況進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查并實(shí)測(cè)裂縫發(fā)育數(shù)據(jù)，對(duì)3號(hào)傾向觀測(cè)線的拐點(diǎn)位置進(jìn)行計(jì)算，并根據(jù)拐點(diǎn)位置的動(dòng)態(tài)移動(dòng)情況，驗(yàn)證根據(jù)11123工作面地質(zhì)采礦條件劃分的拉伸—壓縮變形分區(qū)以及3號(hào)傾向觀測(cè)線地表裂縫的動(dòng)態(tài)發(fā)育規(guī)律。

1 研究區(qū)概況

11123工作面下順槽位于該礦東一采區(qū)，走向長(zhǎng)1 320m，傾向長(zhǎng)155m，上順槽標(biāo)高-437～-456m，下順槽標(biāo)高-463～-488 m。11123工作面平均采厚為4.8m，煤層傾角為10°，平均采深483.5m，松散層厚度為255m。11123工作面下順槽的地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，巷道將揭露較多斷層，其中F11223-4、F11223-5、F11223-7、F11223-24上、F11223-15、F11223-17等正斷層和 F11223-12逆斷層對(duì)11123工作面采動(dòng)后巖層運(yùn)動(dòng)方式和地表移動(dòng)變形程度影響很大。工作面開(kāi)切眼地表向東215 m以南300 m以內(nèi)是大面積沉陷水域，被用于網(wǎng)箱養(yǎng)魚和光伏發(fā)電。11123工作面地表以南約400 m處分布有某發(fā)電廠和村莊。

2 重復(fù)采動(dòng)地表移動(dòng)變形觀測(cè)站設(shè)計(jì)

2.1 觀測(cè)站設(shè)計(jì)方案確定

為了研究11123工作面重復(fù)采動(dòng)地表移動(dòng)變形規(guī)律、求解主要地表移動(dòng)角量參數(shù)和預(yù)計(jì)參數(shù)以及為工作面附近的地表重要構(gòu)（建）筑物的變形提供預(yù)警防護(hù)，根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采指南》中對(duì)地表移動(dòng)觀測(cè)站設(shè)計(jì)的規(guī)定，并綜合考慮該工作面地質(zhì)采礦條件（重復(fù)采動(dòng)）、地表水文條件、控制點(diǎn)和監(jiān)測(cè)點(diǎn)的長(zhǎng)期保存等因素，設(shè)計(jì)的地表移動(dòng)變形觀測(cè)站類型為剖面線型的3條傾向觀測(cè)線，由此構(gòu)成了11123工作面地表移動(dòng)變形觀測(cè)站。考慮到村莊和某發(fā)電廠均位于11123工作面南側(cè)，11123工作面北側(cè)都是沉陷水域，故3條觀測(cè)線的設(shè)計(jì)有別于常規(guī)傾向觀測(cè)線。表現(xiàn)在其長(zhǎng)度是計(jì)算出來(lái)的整條觀測(cè)線長(zhǎng)度，但控制點(diǎn)只布設(shè)在工作面南側(cè)，并且監(jiān)測(cè)點(diǎn)止于工作面正上方北側(cè)邊界。

1號(hào)傾向觀測(cè)線布設(shè)在距工作面開(kāi)切眼350 m處，與工作面傾斜方向的夾角α為22°；2號(hào)傾向觀測(cè)線距離工作面開(kāi)切眼730m，與工作面傾斜方向的夾角α為16°；3號(hào)傾向觀測(cè)線距離工作面開(kāi)切眼139 m，與工作面傾斜方向的夾角α為21°。

2.2 傾向觀測(cè)線長(zhǎng)度及測(cè)點(diǎn)密度確定

傾斜觀測(cè)線長(zhǎng)度計(jì)算公式為［2］

式中，S為傾向觀測(cè)線的工作面長(zhǎng)度，m；H為上、下開(kāi)采邊界平均采深，m；h為松散層厚度，m；γ為上山、下山平均移動(dòng)角，（°）；Δγ為上山、下山平均移動(dòng)角修正值，（°）；?為松散層移動(dòng)角，（°）；L為工作面傾斜寬度，m；α為煤層傾角，（°）；s為相鄰控制點(diǎn)間距，m；Si為傾向觀測(cè)線地面長(zhǎng)度，m；δi為傾向觀測(cè)線與工作面傾斜方向的夾角，（°）。

地表移動(dòng)觀測(cè)站監(jiān)測(cè)點(diǎn)一般為等間距布設(shè)［10-11］，監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)目及密度與采深之間的關(guān)系如表1所示。11123工作面平均采深為483.5 m，由于2號(hào)、3號(hào)傾向觀測(cè)線遠(yuǎn)離南風(fēng)井，故測(cè)點(diǎn)間距設(shè)定為30m，1號(hào)傾向觀測(cè)線位于南風(fēng)井附近，為了更好地反映工作面傾向移動(dòng)變形對(duì)南風(fēng)井重要構(gòu)（建）筑物的影響，需要對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行加密［12］，故設(shè)計(jì)1號(hào)觀測(cè)線的點(diǎn)間距為25m?？刂泣c(diǎn)應(yīng)埋設(shè)在觀測(cè)線兩端［2］，由于該工作面現(xiàn)場(chǎng)條件所限，僅在每條觀測(cè)線遠(yuǎn)離工作面的南端布置了3個(gè)控制點(diǎn)，控制點(diǎn)間距為50 m。為保證控制點(diǎn)穩(wěn)定性，首個(gè)與監(jiān)測(cè)點(diǎn)相鄰的控制點(diǎn)與該監(jiān)測(cè)點(diǎn)的間距設(shè)置為200 m。觀測(cè)站布設(shè)如圖1所示。

3 重復(fù)采動(dòng)地表移動(dòng)變形數(shù)據(jù)采集與規(guī)律分析

3.1 全面觀測(cè)與日常觀測(cè)

3.1.1 全面觀測(cè)數(shù)據(jù)采集與處理方法

全面觀測(cè)數(shù)據(jù)處理包括高程全面觀測(cè)數(shù)據(jù)處理和平面全面觀測(cè)數(shù)據(jù)處理。

（1）高程全面觀測(cè)。從觀測(cè)站數(shù)十千米以外的高等級(jí)水準(zhǔn)點(diǎn)（國(guó)家二等水準(zhǔn)點(diǎn)）出發(fā)，通過(guò)二等水準(zhǔn)測(cè)量將高程傳遞到觀測(cè)站各控制點(diǎn)，采用單程雙轉(zhuǎn)點(diǎn)法進(jìn)行高程誤差檢核，并構(gòu)建水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)網(wǎng)，進(jìn)而對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)平差計(jì)算。利用平差軟件（AdjustS）進(jìn)行高程控制網(wǎng)平差解算，并將兩次獨(dú)立的高程全面觀測(cè)點(diǎn)位平差結(jié)果的平均值作為觀測(cè)站各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的初始高程值。

（2）平面全面觀測(cè)。將觀測(cè)站數(shù)十千米以外的高等級(jí)GPS控制點(diǎn)（D級(jí)GPS控制點(diǎn)）與觀測(cè)站設(shè)計(jì)的控制點(diǎn)組成平面坐標(biāo)聯(lián)測(cè)點(diǎn)。根據(jù)高等級(jí)GPS控制點(diǎn)的點(diǎn)位分布情況設(shè)計(jì)平面觀測(cè)網(wǎng)，采用靜態(tài)測(cè)量方法采集平面全面觀測(cè)數(shù)據(jù)。對(duì)于平面觀測(cè)原始數(shù)據(jù)，利用中海達(dá)HGO軟件進(jìn)行基線解算后，再利用最小二乘方法進(jìn)行坐標(biāo)聯(lián)測(cè)點(diǎn)之間的兼容性估計(jì)［13］，結(jié)果顯示，各聯(lián)測(cè)點(diǎn)均通過(guò)了顯著性檢驗(yàn)。在此基礎(chǔ)上，對(duì)解算結(jié)果進(jìn)行空間約束和空間無(wú)約束平差，求解坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)，進(jìn)而獲得精確的觀測(cè)站控制點(diǎn)平面坐標(biāo)，為后續(xù)日常平面觀測(cè)提供等級(jí)坐標(biāo)和參數(shù)基礎(chǔ)。

本研究采用虛擬CORS參考站技術(shù)結(jié)合三腳架固定對(duì)中桿法［5］進(jìn)行多次觀測(cè)，并計(jì)算坐標(biāo)平均值作為測(cè)站各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的初始坐標(biāo)。

3.1.2 日常觀測(cè)數(shù)據(jù)采集

日常觀測(cè)中的水準(zhǔn)測(cè)量采用三等水準(zhǔn)，以確保所采集的高程數(shù)據(jù)精度，并對(duì)重復(fù)采動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)的地表裂縫進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和實(shí)測(cè)。

3.2 裂縫動(dòng)態(tài)發(fā)育規(guī)律實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

3.2.1 裂縫發(fā)育情況現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查

3.2.1.1 第1階段調(diào)查與實(shí)測(cè)

由于11123工作面正上方地表出現(xiàn)了大量積水，無(wú)法對(duì)完整工作面的地面裂縫和隆起現(xiàn)象進(jìn)行調(diào)查。故選取11123工作面觀測(cè)站3號(hào)傾向觀測(cè)線上MS44監(jiān)測(cè)點(diǎn)到MS59監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間地帶進(jìn)行分析。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，11123工作面觀測(cè)站3號(hào)傾向觀測(cè)線2019年4月26日監(jiān)測(cè)點(diǎn)MS56到MS58之間地表首次出現(xiàn)6條裂縫，裂縫大致與工作面推進(jìn)方向平行或向工作面一側(cè)稍有彎曲。本研究采用鋼尺量距法獲取裂縫的發(fā)育長(zhǎng)度和寬度信息。根據(jù)文獻(xiàn)［21-22］的地裂縫現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)方法，考慮到石灰漿容易滲透到表土層中，易造成測(cè)量誤差，故而本研究裂縫發(fā)育深度采用石灰粉作為追蹤劑，利用噴頭將石灰粉沿裂縫口噴入裂縫中，再進(jìn)行開(kāi)挖實(shí)測(cè)。

3.2.1.2 第2階段調(diào)查與實(shí)測(cè)

隨著工作面繼續(xù)推進(jìn)，于2019年6月26日，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)裂縫進(jìn)行了第2次調(diào)查和裂縫發(fā)育情況實(shí)測(cè)。第1條裂縫長(zhǎng)度為30.1 m，平行于工作面并經(jīng)過(guò)3號(hào)傾向觀測(cè)線MS56監(jiān)測(cè)點(diǎn)，裂縫深度為18～29.5 cm，寬度為1.3～2 cm。第2條裂縫位于第1條裂縫北側(cè)25.6 m處，近似平行于工作面走向，長(zhǎng)度為60.4 m，深度為6.8～10 cm，裂縫寬度平均為1 cm。第3～5條裂縫為第2條裂縫在與工作面推進(jìn)方向一致方向上的3條裂縫分支，呈現(xiàn)一定弧度，長(zhǎng)度分別為15.3、12.8、13.4 m，寬度分別為0.5～3.5 cm、1～2.5 cm、4～7 cm，裂縫平均深度分別為15.9、16.1、15.7 cm。第6條裂縫位于第5條裂縫北側(cè)34.6 m位置，距離MS57監(jiān)測(cè)點(diǎn)北側(cè)15.3 m，裂縫長(zhǎng)度為30.8 m，平均深度為19.3 cm，平均寬度為0.9 cm。前兩期裂縫現(xiàn)場(chǎng)發(fā)育特征如圖2所示。

3.2.1.3 第3階段調(diào)查與實(shí)測(cè)

2019年11月20日，本研究對(duì)11123工作面3號(hào)傾向觀測(cè)線地表裂縫進(jìn)行了第3次調(diào)查，并進(jìn)行了裂縫發(fā)育情況實(shí)測(cè)。此時(shí)，只剩下平行于工作面經(jīng)過(guò)MS56監(jiān)測(cè)點(diǎn)的第1條裂縫，該裂縫長(zhǎng)度繼續(xù)增大到42.2 m，裂縫深度為15.7～22.1 cm，寬度為1.2～1.4 cm，田野內(nèi)出現(xiàn)了裂縫臺(tái)階，落差為2～3 cm。MS56點(diǎn)與MS59點(diǎn)之間的其他裂縫都已經(jīng)閉合（圖3）。

3.2.2 拐點(diǎn)位置移動(dòng)分析裂縫發(fā)育

拐點(diǎn)是地表移動(dòng)盆地的特征點(diǎn)之一，是內(nèi)外邊緣區(qū)分界點(diǎn)，也是拉伸區(qū)和壓縮區(qū)分界點(diǎn)。本研究通過(guò)分析拐點(diǎn)移動(dòng)特征來(lái)驗(yàn)證裂縫的動(dòng)態(tài)發(fā)育規(guī)律。根據(jù)11123工作面觀測(cè)站實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分別計(jì)算了3號(hào)傾向觀測(cè)線各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的傾斜變形和曲率變形，并繪制了裂縫發(fā)育期間3號(hào)傾向觀測(cè)線的變形曲線，如圖4所示。根據(jù)傾斜變形最大的點(diǎn)和曲率變形在達(dá)到最大值后降為0的點(diǎn)綜合確定拐點(diǎn)位置，分析從裂縫出現(xiàn)到閉合期間3號(hào)傾向觀測(cè)線的拐點(diǎn)移動(dòng)情況，從而動(dòng)態(tài)分析裂縫的移動(dòng)和發(fā)育特征。

結(jié)合11123工作面開(kāi)采進(jìn)度（圖1）和圖4可知：2019年3月21日—2019年4月26日，3號(hào)觀測(cè)線拐點(diǎn)位于MS58～MS59點(diǎn)之間，說(shuō)明MS59點(diǎn)以南區(qū)域?yàn)槔靺^(qū)；2019年4月27日—2019年7月26日，3號(hào)傾向觀測(cè)線拐點(diǎn)逐漸移動(dòng)到MS57～MS58點(diǎn)之間，說(shuō)明MS58點(diǎn)以南區(qū)域?yàn)槔靺^(qū)；隨著工作面進(jìn)一步推進(jìn)，采空區(qū)變大以及多個(gè)正斷層和逆斷層受采動(dòng)影響，導(dǎo)致覆巖運(yùn)動(dòng)損傷加劇，使得地表裂縫進(jìn)一步發(fā)育，2019年7月27日—2019年10月23日，3號(hào)傾向觀測(cè)線拐點(diǎn)逐漸移動(dòng)到MS57點(diǎn)，說(shuō)明原先MS57～MS59點(diǎn)之間的拉伸區(qū)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閴嚎s區(qū)；2019年10月24日—2019年12月24日，3號(hào)傾向觀測(cè)線拐點(diǎn)逐漸移動(dòng)到MS56點(diǎn)附近，說(shuō)明原先MS56～MS59點(diǎn)之間的拉伸區(qū)已全部轉(zhuǎn)變?yōu)閴嚎s區(qū)。3號(hào)傾向觀測(cè)線的拐點(diǎn)移動(dòng)規(guī)律與11123工作面地表拉伸—壓縮變形分區(qū)較為吻合，同時(shí)驗(yàn)證了3號(hào)傾向觀測(cè)線上裂縫的動(dòng)態(tài)發(fā)育規(guī)律。

4 結(jié)論

（1）綜合11123工作面重復(fù)采動(dòng)地質(zhì)采礦條件以及工作面地表水文地質(zhì)條件，建立了工作面地表移動(dòng)觀測(cè)站，為類似開(kāi)采條件和地表地形環(huán)境的礦區(qū)工作面地表觀測(cè)站設(shè)計(jì)提供了參考，同時(shí)為研究重復(fù)采動(dòng)條件下地表移動(dòng)變形規(guī)律提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來(lái)源。

（2）對(duì)前人裂縫深度實(shí)測(cè)方法進(jìn)行了改進(jìn)，使用石灰粉代替石灰漿作為追蹤劑，有效避免了石灰水灌入裂縫中發(fā)生滲流造成一定的測(cè)量誤差。

（3）綜合11123工作面3號(hào)傾向觀測(cè)線的傾斜變形曲線特征點(diǎn)（傾斜變形最大點(diǎn)）和曲率變形特征點(diǎn)（曲率變形達(dá)到最大值后降為0的點(diǎn)），確定了拐點(diǎn)位置。根據(jù)2019年3月21日—2019年12月24日期間繪制的6期傾斜變形曲線和曲率變形曲線可知，拐點(diǎn)位置經(jīng)歷了由最初位于MS58～MS59點(diǎn)之間移動(dòng)到MS57～MS58點(diǎn)之間，隨后移動(dòng)到MS57點(diǎn)，最后拐點(diǎn)停留在MS56點(diǎn)，說(shuō)明過(guò)MS56點(diǎn)作平行于工作面的直線，以南區(qū)域?yàn)槔靺^(qū)，以北至工作面下山開(kāi)采邊界區(qū)域?yàn)橄壤旌髩嚎s區(qū)。結(jié)合3個(gè)階段現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和實(shí)測(cè)的3號(hào)線附近裂縫發(fā)育情況可知，在該礦地質(zhì)采礦條件及重復(fù)采動(dòng)條件下，地表產(chǎn)生的位于先拉伸后壓縮區(qū)間的裂縫發(fā)育是一個(gè)從產(chǎn)生到發(fā)育再到閉合的動(dòng)態(tài)演變過(guò)程。