周婷婷，蘇麗娟，劉 輝，朱曉峻

(1.安徽大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，安徽 合肥 230601；2.安徽省礦山生態(tài)修復(fù)工程實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230601；3.安徽大學(xué) 數(shù)學(xué)科學(xué)學(xué)院，安徽 合肥 230601)

我國(guó)西部礦區(qū)煤炭資源儲(chǔ)量豐富，賦存穩(wěn)定，地質(zhì)條件簡(jiǎn)單，埋藏淺，基巖薄，煤層厚度大，地表大部覆蓋松散層，工作面推進(jìn)速度快，屬于典型礦產(chǎn)資源高強(qiáng)度開(kāi)采區(qū)。在該地質(zhì)采礦條件下，地表下沉更加劇烈，移動(dòng)變形更為集中，地表塌陷、地裂縫、山體滑移等地表破壞形式明顯。

地表移動(dòng)變形參數(shù)是表征巖層和地表移動(dòng)規(guī)律的重要參數(shù)，同時(shí)也是礦山生產(chǎn)設(shè)計(jì)、地表下沉盆地危險(xiǎn)移動(dòng)邊界劃定、地表移動(dòng)變形預(yù)計(jì)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[1]。針對(duì)不同地質(zhì)采礦條件對(duì)地表移動(dòng)變形參數(shù)的影響，國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用不同方法開(kāi)展了研究，主要有：①基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和回歸分析方法的移動(dòng)參數(shù)變化規(guī)律研究[2-4]。此類(lèi)研究主要是結(jié)合某一礦區(qū)多個(gè)地表移動(dòng)觀(guān)測(cè)站的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)回歸分析建立地表移動(dòng)角值參數(shù)及概率積分法參數(shù)與地質(zhì)采礦條件參數(shù)之間的經(jīng)驗(yàn)公式。② 基于數(shù)值模擬和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)手段的移動(dòng)參數(shù)變化規(guī)律研究[5-8]，包括結(jié)合FLAC3D、UDEC 數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果，運(yùn)用正交實(shí)驗(yàn)法和Matlab 獲得相似地質(zhì)采礦條件下地表移動(dòng)變形參數(shù)與各地質(zhì)采礦因素間的綜合函數(shù)表達(dá)式，以及選取部分地質(zhì)采礦因素為輸入節(jié)點(diǎn)，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)大量地表移動(dòng)觀(guān)測(cè)站實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練和測(cè)試，從而構(gòu)建地表移動(dòng)變形參數(shù)的解算方法。③建立力學(xué)模型反演移動(dòng)參數(shù)[9-10]。此類(lèi)研究主要是根據(jù)礦區(qū)開(kāi)采沉陷實(shí)測(cè)資料，以巖石力學(xué)為基礎(chǔ)，采用彈性力學(xué)或有限元法等來(lái)反演移動(dòng)參數(shù)進(jìn)而計(jì)算出地表及巖層移動(dòng)變形值，最后獲得移動(dòng)變形參數(shù)的變化規(guī)律?？梢?jiàn)對(duì)于地表移動(dòng)變形參數(shù)與地質(zhì)采礦條件之間的關(guān)系研究已取得了豐富的理論和實(shí)踐成果，但現(xiàn)有研究尚存在以下不足：①不同于常規(guī)地質(zhì)采礦條件，西部礦區(qū)特有的淺埋深薄基巖條件下地表移動(dòng)變形參數(shù)與煤層埋藏條件、開(kāi)采條件和覆巖特性之間的關(guān)系尚不明確；② 已有研究指出，開(kāi)采速度對(duì)地表動(dòng)態(tài)變形影響較大，開(kāi)采速度越快，地表變形越劇烈，但地表移動(dòng)參數(shù)與開(kāi)采速度和覆巖結(jié)構(gòu)、埋藏條件之間的耦合關(guān)系并不明確；③地表移動(dòng)參數(shù)和地質(zhì)采礦條件之間的定量分析與探討已較為全面，但尚未充分揭示地質(zhì)采礦條件對(duì)地表移動(dòng)參數(shù)的影響機(jī)理，尤其是覆巖結(jié)構(gòu)、埋藏條件、工作面尺寸等關(guān)鍵因素對(duì)地表移動(dòng)參數(shù)的影響等。

筆者基于神東礦區(qū)大柳塔礦22201 工作面地表移動(dòng)觀(guān)測(cè)站實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，獲得淺埋深薄基巖開(kāi)采條件下的地表移動(dòng)變形規(guī)律；基于神東礦區(qū)18 個(gè)工作面的開(kāi)采沉陷數(shù)據(jù)，分析地質(zhì)采礦條件對(duì)地表移動(dòng)參數(shù)的影響，并探討其影響機(jī)理，以期對(duì)類(lèi)似條件下的地表變形預(yù)計(jì)提供指導(dǎo)。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)獲取

神東礦區(qū)現(xiàn)為我國(guó)最大的地下開(kāi)采煤礦分布區(qū)，地跨晉、陜、蒙三省區(qū)，礦區(qū)南北長(zhǎng)38～90 km，東西寬35～55 km，面積約為3 481 km2，整體產(chǎn)能超過(guò)2 億t，擁有大柳塔、補(bǔ)連塔、檸條塔、韓家灣等大型現(xiàn)代化生產(chǎn)礦井累計(jì)19 個(gè)。

大柳塔礦位于陜北黃土高原北側(cè)和毛烏素沙漠東南邊緣，區(qū)內(nèi)大部屬風(fēng)沙堆積地貌，植被稀疏，溝壑縱橫。大柳塔礦22201 工作面位于井田南二盤(pán)區(qū)，工作面長(zhǎng)643 m，寬349 m，煤層平均采高3.95 m，平均采深72.5 m，煤層傾角1°～3°，屬于近水平穩(wěn)定型煤層。地表大部為第四系松散層覆蓋，平均厚度12.0 m，煤層基本頂為細(xì)砂巖，成分以石英、長(zhǎng)石為主。直接頂為粉砂巖，水平層理發(fā)育，泥質(zhì)膠結(jié)?；鶐r主要由粉砂巖、細(xì)砂巖和砂質(zhì)泥巖組成，平均厚度60.5 m，鉆孔柱狀如圖1 所示。工作面采煤方法為傾斜長(zhǎng)壁式開(kāi)采，垮落法管理頂板，推進(jìn)速度9.6 m/d。

圖1 大柳塔礦22201 工作面鉆孔柱狀圖Fig.1 Drilling diagram of working face 22201 of Daliuta Coal Mine

依據(jù)研究區(qū)地形地物分布特征、覆巖巖性及煤層賦存條件，在22201 工作面上方地表建立移動(dòng)觀(guān)測(cè)站，設(shè)置半條走向觀(guān)測(cè)線(xiàn)(觀(guān)測(cè)點(diǎn)編號(hào)Z1—Z27)和一條傾向觀(guān)測(cè)線(xiàn)(觀(guān)測(cè)點(diǎn)編號(hào)Q1—Q30)，2 條觀(guān)測(cè)線(xiàn)相互垂直，觀(guān)測(cè)點(diǎn)間隔為20 m，布置如圖2 所示。由于該工作面地形起伏較大，常規(guī)測(cè)量方法難以實(shí)施，因此，采用GPS-RTK 技術(shù)進(jìn)行各觀(guān)測(cè)站點(diǎn)的觀(guān)測(cè)，含觀(guān)測(cè)點(diǎn)平面坐標(biāo)和高程測(cè)量以及地裂縫日常觀(guān)測(cè)，觀(guān)測(cè)時(shí)間自2012 年11 月18 日至2013 年5月2 日，累計(jì)觀(guān)測(cè)14 期，觀(guān)測(cè)頻率為3 d/次。

圖2 22201 工作面地表觀(guān)測(cè)站布置Fig.2 Layout of surface observation lines of working face 22201

2 地表動(dòng)態(tài)移動(dòng)變形規(guī)律

2.1 變形特征

根據(jù)22201 工作面地表移動(dòng)觀(guān)測(cè)站實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，分別繪制不同時(shí)期工作面地表下沉曲線(xiàn)，如圖3 所示，水平變形曲線(xiàn)如圖4 所示。

圖3 22201 工作面不同時(shí)期動(dòng)態(tài)下沉曲線(xiàn)Fig.3 Dynamic sink curves in different time of working face 22201

圖4 22201 工作面不同時(shí)期水平變形曲線(xiàn)Fig.4 Horizontal deformation curves in different time of working face 22201

由圖3 可知，走向線(xiàn)最大下沉點(diǎn)為Z4，最大下沉值2 803 mm；傾向線(xiàn)最大下沉點(diǎn)為Q18，最大下沉值2 833 mm。2012 年11 月20 日至11 月29 日地表下沉值變化不大；2012 年11 月29 日至2013 年3月30 日地表下沉值迅速增加，2013 年3 月30 日至5月2 日，下沉值變化較小，地表逐漸形成穩(wěn)定盆地。在Q19 處，下沉盆地底部出現(xiàn)一個(gè)明顯的跳躍，這是由于受溝壑地形影響而造成的地表滑移，凸型地貌處下沉量減小，以該點(diǎn)為中心地表向兩側(cè)滑移[11]。

由圖 4 可知，走向線(xiàn)最大水平變形值–41.67 mm/m；傾向線(xiàn)最大水平變形值35.49 mm/m。2012 年11 月20 日至11 月29 日水平變形值變化不大；2012 年11 月29 日至2013 年3 月30 日地表移動(dòng)變形最為劇烈，2013 年3 月30 日至5 月2 日，地表移動(dòng)變形量逐漸減小。

由此可見(jiàn)，神東礦區(qū)煤層開(kāi)采地表移動(dòng)變形具有突然性、劇烈性特征，下沉值急劇增大并很快達(dá)到最大值，水平變形在時(shí)間維度上較為集中，可在數(shù)日內(nèi)完成大部分，工作面停采后移動(dòng)變形可在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

2.2 地表下沉速度

地表下沉速度是衡量地表移動(dòng)變形劇烈程度的重要指標(biāo)之一，覆巖越軟、推進(jìn)速度越大、深厚比(采深與采高的比值)越小，則下沉速度越大[12]。22201工作面地表下沉速度曲線(xiàn)如圖5 所示。

圖5 22201 工作面下沉速度曲線(xiàn)Fig.5 Sinking speed curves of surface working face 22201

由圖5 可知，隨著工作面推進(jìn)，走向和傾向線(xiàn)地表下沉速度均經(jīng)歷一個(gè)由小到大再到小的變化過(guò)程，采空區(qū)下沉速度較大。走向線(xiàn)地表最大下沉速度點(diǎn)位于Z1，下沉速度為616.0 mm/d，傾向線(xiàn)地表最大下沉速度點(diǎn)位于Q13，下沉速度為643.3 mm/d，由此求得地表最大下沉速度系數(shù)K[13]：

式中：Vmax為地表最大下沉速度，mm/d；H0為平均采深，m；C為開(kāi)采速度，m/d；Wmax為最大下沉量，mm。

由式(1)計(jì)算得22201 工作面地表最大下沉速度系數(shù)K=1.71。與我國(guó)其他礦區(qū)相比，該工作面地表最大下沉速度系數(shù)較大。主要原因有：①工作面推進(jìn)速度較快，地表下沉劇烈；② 采區(qū)頂板覆巖巖性屬于中硬巖層，而且基巖較薄，采動(dòng)引起覆巖周期性破斷特征明顯；③地表大部覆蓋風(fēng)積沙，在自然狀態(tài)下風(fēng)積沙呈顆粒松散狀態(tài)，抗拉、抗壓強(qiáng)度較低，覆巖破斷直達(dá)地表。

2.3 地表移動(dòng)變形持續(xù)時(shí)間

根據(jù)開(kāi)采沉陷理論，地表動(dòng)態(tài)移動(dòng)變形隨時(shí)間發(fā)展的過(guò)程分為初始期、活躍期和衰退期。地表移動(dòng)變形持續(xù)時(shí)間主要與巖石物理力學(xué)性質(zhì)、采深以及工作面推進(jìn)速度有關(guān)[12]。由實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可知，22201工作面最大下沉點(diǎn)位于Q18，繪制地表下沉持續(xù)時(shí)間曲線(xiàn)如圖6 所示。

圖6 22201 工作面地表下沉持續(xù)時(shí)間Fig.6 Duration of surface movement of working face 22201

由圖6 可知，22201 工作面地表移動(dòng)持續(xù)時(shí)間為163 d，其中初始期、活躍期、衰退期地表移動(dòng)持續(xù)時(shí)間分別為3、133、27 d，分別占總持續(xù)時(shí)間的2%、82%、16%。地表總下沉量為2 833 mm，初始期、活躍期、衰退期地表下沉量分別為13、2 806、14 mm，分別占總下沉量的0.46%、99.05%、0.49%。

地表移動(dòng)時(shí)間一般持續(xù)1.5～2.5 a，當(dāng)采深較大、覆巖堅(jiān)硬時(shí)，可持續(xù)5～6 a[13]。根據(jù)觀(guān)測(cè)結(jié)果顯示，22201 工作面地表移動(dòng)持續(xù)時(shí)間非常短，在煤層開(kāi)采5 個(gè)月后地表已達(dá)到穩(wěn)態(tài)下沉盆地狀態(tài)，活躍階段占總持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，該階段內(nèi)下沉量異常集中。

3 地表移動(dòng)參數(shù)變化規(guī)律

3.1 地表移動(dòng)參數(shù)求取

地表移動(dòng)變形預(yù)計(jì)是開(kāi)采沉陷治理和“三下”采煤設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。在傳統(tǒng)的預(yù)計(jì)方法中，以概率積分法應(yīng)用最為廣泛，其具有參數(shù)容易確定、實(shí)用性強(qiáng)等特點(diǎn)[14]。概率積分法預(yù)計(jì)參數(shù)主要包括下沉系數(shù)q、水平移動(dòng)系數(shù)b、主要影響角正切tanβ、拐點(diǎn)偏距s0、開(kāi)采影響傳播角θ0。根據(jù)22201 工作面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)求得預(yù)計(jì)參數(shù)：q=0.76、b=0.21、tanβ=1.55、s0=18 m、θ0=88.1°。

地表移動(dòng)角量參數(shù)是確定地下開(kāi)采對(duì)地表影響范圍和影響時(shí)間的關(guān)鍵參數(shù)，主要包括邊界角、移動(dòng)角和裂縫角等。根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)求得地表移動(dòng)角量參數(shù)：走向邊界角δ0=50.8°、上(下)山邊界角γ0(β0)=51.7°、上(下)山移動(dòng)角γ(β)=67.3°、走向裂縫角δ"=72.1°。其中，工作面煤層傾角較小，故取上下山邊界角、移動(dòng)角相等，因22201 工作面后期觀(guān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)缺失嚴(yán)重，故走向移動(dòng)角δ無(wú)法求取。

3.2 地表移動(dòng)參數(shù)分析

為進(jìn)一步研究神東礦區(qū)地表移動(dòng)參數(shù)變化規(guī)律，本文收集了神東礦區(qū)18 個(gè)工作面的開(kāi)采沉陷實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。一般認(rèn)為，采區(qū)上方的整個(gè)上覆巖層由松散層和基巖層2 種不同介質(zhì)組成，其對(duì)地表移動(dòng)的影響決定于二者之間的雙重作用：一方面，基巖作為下部巖體，最先受到采動(dòng)影響，其移動(dòng)變形和破壞決定了松散層的活動(dòng)特性；另一方面，松散層作為抗彎能力很低的隨機(jī)介質(zhì)覆蓋于基巖之上，不僅對(duì)基巖有荷載作用，本身也以流動(dòng)形式充填基巖下沉空間，最終引起地表下沉[15]?？紤]到松散層與基巖層厚度的比例關(guān)系決定了煤層上覆巖層的綜合巖性，本文將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)按松散層厚度與平均采深的比值為0.07～0.30、0.30～0.55 分成2 個(gè)類(lèi)別，用于分析神東礦區(qū)地表移動(dòng)參數(shù)變化規(guī)律，見(jiàn)表1。

表1 神東礦區(qū)部分礦井基本信息[11,16-32]Table 1 Basic information of some mines in Shendong Mining Area[11,16-32]

3.2.1 東西部礦區(qū)地表移動(dòng)參數(shù)對(duì)比

我國(guó)東部礦區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、煤層埋藏深，常為多煤層開(kāi)采且具有高潛水位。由于煤層埋藏條件、開(kāi)采條件及覆巖結(jié)構(gòu)等地質(zhì)采礦因素的不同，神東礦區(qū)地表移動(dòng)參數(shù)具有一些區(qū)別于東部礦區(qū)的特征，為此，本次收集了東部礦區(qū)16 個(gè)工作面的地表移動(dòng)參數(shù)，用于東西部礦區(qū)地表移動(dòng)參數(shù)對(duì)比分析。東部礦區(qū)部分礦井地表移動(dòng)參數(shù)見(jiàn)表2，東西部礦區(qū)地表移動(dòng)參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表3。

表2 東部礦區(qū)部分礦井地表移動(dòng)參數(shù)[17]Table 2 Surface movement parameters of some mines in eastern mining area[17]

表3 東西部礦區(qū)地表移動(dòng)參數(shù)對(duì)比Table 3 Comparison of surface movement parameters in eastern and western mining areas

由表3 可知：神東礦區(qū)下沉系數(shù)較小，東部礦區(qū)下沉系數(shù)較大，最大值達(dá)到1.16；神東礦區(qū)與東部礦區(qū)水平移動(dòng)系數(shù)、主要影響角正切相近；神東礦區(qū)與東部礦區(qū)移動(dòng)角相近，但東部礦區(qū)移動(dòng)角最小值與最大值之間的差值更大，差值可達(dá)36.7°；神東礦區(qū)與東部礦區(qū)相比移動(dòng)角更小，而裂縫角更大。

3.2.2 概率積分法參數(shù)變化規(guī)律

通過(guò)對(duì)表1 中的數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，獲得神東礦區(qū)18 個(gè)工作面的地表移動(dòng)參數(shù)與采動(dòng)程度、平均采深、采高、松散層厚度、基巖厚度以及開(kāi)采速度之間的關(guān)系，概率積分法參數(shù)與地質(zhì)采礦條件參數(shù)之間的關(guān)系如圖7—圖9 所示。

由圖7 可知，下沉系數(shù)與松散層采深比(松散層厚度/平均采深，即h0/H0)之間存在先增大后減小的二次函數(shù)關(guān)系，當(dāng)松散層采深比小于0.3 時(shí)，下沉系數(shù)隨著松散層采深比的增大而增大，其占比每增大10%，下沉系數(shù)平均增大0.061 5；當(dāng)松散層采深比為0.3 時(shí)，下沉系數(shù)達(dá)到最大值0.85；當(dāng)松散層采深比大于0.30 時(shí)，下沉系數(shù)隨著松散層采深比的增大而減小，其占比每增大10%，下沉系數(shù)平均減小0.086 1。

圖7 下沉系數(shù)q 與松散層采深比h0/H0 的關(guān)系Fig.7 Correlation of q and h0/H0

由圖8 可知：水平移動(dòng)系數(shù)與MC/[(D/H0)h]之間存在先減小后增大的二次函數(shù)關(guān)系，當(dāng)MC/[(D/H0)h]小于0.13 時(shí)，水平移動(dòng)系數(shù)隨著MC/[(D/H0)h]的增大而減小，其值每增大10%，水平移動(dòng)系數(shù)平均減小0.242 0；當(dāng)MC/[(D/H0)h]為0.13 時(shí)，水平移動(dòng)系數(shù)達(dá)到最小值0.21；當(dāng)MC/[(D/H0)h]大于0.13 時(shí)，主要影響角正切隨MC/[(D/H0)h]的增大而增大，其值每增大10%，水平移動(dòng)系數(shù)平均增大0.136 6。

圖8 b 與MC/[(D/H0)h]的關(guān)系Fig.8 Correlation of b and MC/[(D/H0h)]

由圖9 可知：主要影響角正切與hC/(H0M)之間存在先減小后增大的二次函數(shù)關(guān)系，當(dāng)hC/(H0M)小于1.66 時(shí)，主要影響角正切隨著hC/(H0M)的增大而減小，hC/(H0M)每增大10%，主要影響角正切平均減小0.106 5；當(dāng)hC/(H0M)為1.66 時(shí)，主要影響角正切達(dá)到最小值1.52；當(dāng)hC/(H0M)大于1.66 時(shí)，主要影響角正切隨著hC/(H0M)的增大而增大，hC/(H0M)每增大10%，主要影響角正切平均增大0.056 1。

圖9 tanβ 與hC/(H0M)的關(guān)系Fig.9 Correlation of tanβ and hC/(H0M)

3.2.3 地表移動(dòng)角值參數(shù)變化規(guī)律

邊界角、移動(dòng)角、裂縫角與地質(zhì)采礦條件參數(shù)之間的關(guān)系如圖10—圖12 所示。

由圖10 可知：邊界角與松散層采深比之間呈正線(xiàn)性關(guān)系，松散層采深比越大，邊界角越大；松散層采深比每增大 10%，走向邊界角平均增大2.998 8°，上(下)邊界角平均增大2.699 4°。

圖10 邊界角與h0/H0 的關(guān)系Fig.10 Correlation of boundary angle and h0/H0

由圖11 可知：移動(dòng)角與基巖采深比(基巖厚度/平均采深，即h/H0)成正比，與采高、開(kāi)采速度成反比，基巖采深比越小，采高、開(kāi)采速度越大，移動(dòng)角越小；MC/(h/H0)每增大10%，走向移動(dòng)角平均減小0.011 0°，上(下)移動(dòng)角平均減小0.012 9°。

由圖12 可知：裂縫角與松散層采深比之間存在正線(xiàn)性關(guān)系，松散層采深比越大，走向裂縫角越大，松散層采深比每增大10%，走向裂縫角平均增大2.936 9°。

圖12 裂縫角與h0/H0 的關(guān)系Fig.12 Correlation of crack angle and h0/H0

4 地質(zhì)采礦條件對(duì)地表移動(dòng)參數(shù)的影響機(jī)理分析

煤炭資源開(kāi)采引起的地表變形是地下采空引起覆巖整體破壞而在地表呈現(xiàn)為沉陷盆地的一種地質(zhì)災(zāi)害。地表移動(dòng)變形由松散層變形和基巖變形2 部分組成，松散層力學(xué)性質(zhì)與基巖不同，松散層結(jié)構(gòu)松散，抗變形能力和抗剪切強(qiáng)度低，一般只發(fā)生彎曲下沉，基本不會(huì)產(chǎn)生碎脹或離層，呈整體下沉模式；基巖層巖性較硬，抗拉、抗壓能力強(qiáng)，基巖在開(kāi)采沉陷過(guò)程中能起到較好的控制作用[33]。地表移動(dòng)參數(shù)是下沉盆地形態(tài)的定量描述，不同埋深、采高、基巖厚度、松散層厚度、采動(dòng)程度、覆巖特性等地質(zhì)采礦條件下，地表移動(dòng)參數(shù)差異性較大。對(duì)于神東礦區(qū)而言，其影響主要表現(xiàn)在以下方面：

1) 地表移動(dòng)變形普遍呈現(xiàn)沉陷速度快、初始期和衰退期短、活躍期移動(dòng)變形集中等特征，主要是由于煤層埋藏淺、采高大、開(kāi)采速度快等原因造成。煤炭開(kāi)采技術(shù)的進(jìn)步造成規(guī)模機(jī)械化綜合采煤技術(shù)的廣泛應(yīng)用。機(jī)械化高速開(kāi)采使上覆巖層整體破斷，引起地表快速沉陷、快速穩(wěn)定；在此開(kāi)采條件下，多數(shù)煤層淺埋礦區(qū)的導(dǎo)水裂隙帶將發(fā)育至地表，彎曲下沉帶消失，地表的下沉盆地范圍變小。

2) 概率積分法主要參數(shù)下沉系數(shù)、水平移動(dòng)系數(shù)、主要影響角正切主要受松散層厚度、基巖厚度、采動(dòng)程度、平均采深、采高和開(kāi)采速度的影響。

開(kāi)采沉陷由采空區(qū)向上傳遞過(guò)程中，與基巖相比，由于松散層物理力學(xué)強(qiáng)度較弱，松散層在上覆巖層中的占比越大，作用在基巖上的荷載越大，地表下沉量越大；但當(dāng)松散層厚度或占比足夠大時(shí)，覆巖在移動(dòng)過(guò)程中可形成松散層拱，反而減小地表移動(dòng)變形[34-35]。如圖7 所示：當(dāng)h0/H0＜0.3 時(shí)，難以形成松散層拱，松散層占比越大，基巖承受荷載越大，下沉系數(shù)則越大；當(dāng)h0/H0＞0.3 時(shí)，形成松散層拱，松散層占比越大，拱的效應(yīng)越明顯，地表下沉系數(shù)越小。

水平移動(dòng)系數(shù)受基巖厚度、采動(dòng)程度、采高和開(kāi)采速度的耦合影響。一方面，松散層的壓縮特性使地表水平移動(dòng)范圍增大[36]，故水平移動(dòng)系數(shù)隨松散層厚度增大、基巖厚度減小而增大；另一方面，采動(dòng)程度越大、采高越大、開(kāi)采速度越快，上覆巖層破壞程度越大，地表移動(dòng)變形也越大[36]，故水平移動(dòng)系數(shù)隨采動(dòng)程度、采高和開(kāi)采速度的增大而增大。如圖8 所示：當(dāng)MC/[(D/H0)h]＜0.13 時(shí)，水平移動(dòng)數(shù)據(jù)隨著MC/[(D/H0)h]的增大而減?。划?dāng)MC/[(D/H0)h]＞0.13 時(shí)，水平移動(dòng)數(shù)據(jù)隨MC/[(D/H0)h]增大而增大。

主要影響角正切受基巖厚度、平均采深、采高和開(kāi)采速度的耦合影響。首先，松散層較基巖層變形連續(xù)性更強(qiáng)且傳播范圍更廣，使地表移動(dòng)范圍擴(kuò)大，故主要影響角正切隨松散層采深比增大、基巖采深比減小而減?。黄浯?，采高越大，采空區(qū)上覆巖層破斷后回轉(zhuǎn)及下沉空間越大，上覆巖層就越難保持相對(duì)穩(wěn)定的整體結(jié)構(gòu)，更易發(fā)生變形和破斷，導(dǎo)致垮落帶、導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度增大，離層裂隙加大，地表沉降范圍擴(kuò)大[37]，故主要影響角正切隨采高的增大而減??；最后，開(kāi)采速度越快，上覆巖層破壞程度越大，地表下沉盆地范圍越大，因此，主要影響角正切隨開(kāi)采速度的增大而減小。如圖9所示：當(dāng)hC/(H0M)＜1.66 時(shí)，主要影響角正切隨著hC/(H0M)的增大而減?。划?dāng)hC/(H0M)＞1.66 時(shí)，主要影響角正切隨hC/(H0M)的增大而增大。

3) 地表移動(dòng)角值參數(shù)主要受松散層厚度、基巖厚度、平均采深、采高和開(kāi)采速度的影響。

①邊界角與松散層采深比成正比。與東部礦區(qū)黏性土不同，神東礦區(qū)土質(zhì)一般為砂土和粉土，其黏聚力更小，對(duì)地表下沉邊界的擴(kuò)散作用有限，當(dāng)松散層占比越大時(shí)，基巖承受荷載越大，從而縮小了離層間距和碎脹程度，故地表移動(dòng)盆地邊緣下沉曲線(xiàn)收斂速度加快，邊界角增大。

② 移動(dòng)角與基巖采深比成正比，與采高、開(kāi)采速度成反比。隨著基巖在覆巖層中所占比例的增加，井下巖層垮斷后懸頂距增大，地表3 個(gè)臨界變形位置越偏向采空區(qū)一側(cè)，移動(dòng)角越大；采高越大、開(kāi)采速度越快，地表移動(dòng)變形值越大，移動(dòng)過(guò)程劇烈，移動(dòng)范圍增大，巖層移動(dòng)角減小[7]。

③裂縫角與松散層采深比成反比。對(duì)于西部淺埋煤層，基巖破碎會(huì)導(dǎo)致地裂縫的產(chǎn)生，基巖厚度與采高的比值是淺埋煤層開(kāi)采地裂縫形成的關(guān)鍵因素[38]。隨著松散層在上覆巖層中所占比例的減小，基巖層所占比例的增大，覆巖層抗拉伸能力增強(qiáng)，阻滯了裂縫的擴(kuò)張，故地表裂縫角逐漸減小。

5 結(jié)論

a.神東礦區(qū)煤層開(kāi)采主要呈現(xiàn)出地表沉陷速度快、活躍期移動(dòng)變形量集中、衰退期短等特點(diǎn)，最大下沉速度達(dá)643.3 mm/d，活躍期下沉量占總下沉量的99%；與東部礦區(qū)相比，神東礦區(qū)下沉系數(shù)偏小、移動(dòng)角偏小、裂縫角偏大。

b.下沉系數(shù)與松散層采深比之間呈先增大后減小的二次函數(shù)關(guān)系，受基巖承載松散層荷載和松散層拱效應(yīng)的影響；水平移動(dòng)系數(shù)和主要影響角正切分別與(采高×開(kāi)采速度)/(寬深比×基巖厚度)、(基巖厚度×開(kāi)采速度)/(采深×采高)之間呈先減小后增大的二次函數(shù)關(guān)系，受煤層賦存條件、開(kāi)采條件及覆巖結(jié)構(gòu)的耦合影響。

c.邊界角、裂縫角與松散層采深比呈正線(xiàn)性關(guān)系；移動(dòng)角與基巖采深比成正比，與采高、開(kāi)采速度成反比。地表移動(dòng)角值參數(shù)主要受覆巖和表土結(jié)構(gòu)影響，松散層采深比越大，邊界角越大，裂縫角越大，移動(dòng)角越小。

d.對(duì)于神東礦區(qū)，松散層和基巖厚度的占比關(guān)系決定2 種不同介質(zhì)在地表變形中的力學(xué)響應(yīng)，從而影響地表移動(dòng)參數(shù)的變化?；鶐r承載松散層荷載及松散層拱效應(yīng)的變化是導(dǎo)致地表移動(dòng)參數(shù)變化的根本原因。