張 偉 任振群 李 陽 楊默含

（1.兗礦能源集團(tuán)有限公司；2.中國礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測(cè)繪學(xué)院）

重復(fù)采動(dòng)是指巖層和地表已經(jīng)受過一次開采的影響而產(chǎn)生移動(dòng)、變形和破壞，再次開采使巖層和地表又受到采動(dòng)破壞，這種采動(dòng)稱為重復(fù)采動(dòng)［1］，一般可分為同一煤層重復(fù)采動(dòng)、多煤層重復(fù)采動(dòng)兩大類［2］。重復(fù)采動(dòng)時(shí)，由于臨近工作面或上層煤采空區(qū)的影響，導(dǎo)致開采工作面的地表沉陷特征具有特殊性，比如移動(dòng)變形值增大、破壞強(qiáng)度增加、影響范圍增大等［3-5］。國內(nèi)外學(xué)者圍繞這一問題開展了研究工作，陳盼等［6］通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，對(duì)比有采空區(qū)與無采空區(qū)影響時(shí)地表移動(dòng)盆地角值參數(shù)的差異，解釋了重復(fù)采動(dòng)下地表移動(dòng)規(guī)律存在差異的原因；湯伏全等［7］通過GNSS 連續(xù)變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)獲取各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的實(shí)時(shí)坐標(biāo)數(shù)據(jù)，結(jié)合FLAC3D數(shù)值模擬軟件分析地下開采引起的地表及巖體內(nèi)部移動(dòng)變形機(jī)理，揭示了采空區(qū)影響下相鄰回采工作面動(dòng)態(tài)非對(duì)稱沉陷規(guī)律；孫學(xué)陽等［8］采用FLAC3D軟件對(duì)非充分采動(dòng)和充分采動(dòng)2 類模型進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)同一煤層重復(fù)采動(dòng)條件下地表移動(dòng)變形進(jìn)行研究，通過對(duì)比初次采動(dòng)，揭示了重復(fù)采動(dòng)時(shí)下沉系數(shù)、地表沉陷盆地范圍和形狀的變化。

本研究以南屯煤礦73上29、73下21（西）工作面開采沉陷為研究背景，以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料為基礎(chǔ)，從下沉值、下沉速度和地表移動(dòng)持續(xù)時(shí)間3個(gè)方面研究同一煤層重復(fù)采動(dòng)、多煤層重復(fù)采動(dòng)對(duì)地表沉陷分布的影響。

1 試驗(yàn)區(qū)地表移動(dòng)觀測(cè)站設(shè)計(jì)

南屯煤礦主要開采3上和3下煤層，煤層層間距約15 m。為研究重復(fù)采動(dòng)對(duì)地表沉陷分布的影響，選定南屯煤礦七采區(qū)73上29 工作面和73下21（西）工作面為試驗(yàn)區(qū)。

73上29 工作面開采3上煤層，工作面走向長(zhǎng)約192.6 m，傾向長(zhǎng)約713.9 m，煤層傾角平均為3°，平均采高為6.1 m。該工作面重復(fù)采動(dòng)類型為同一煤層重復(fù)采動(dòng)，工作面西部為73上28 工作面采空區(qū)，東部為73上15、73上17、73上19、73上24、73上26 工作面采空區(qū)，南部為73上13工作面采空區(qū)。

73下21（西）工作面開采3下煤層，工作面走向長(zhǎng)214.7 m，煤層傾向長(zhǎng)776.3 m，煤層傾角為2°，煤層厚度平均為3.2 m。73下21（西）工作面重復(fù)采動(dòng)類型為多煤層重復(fù)采動(dòng)，工作面上覆3上煤層已全部開采完畢，為73上21（東）、73上23 及73上21 工作面采空區(qū)；73下21（西）工作面東部為73下21（東）采空區(qū)，南部為73下19工作面采空區(qū)。

為研究同一煤層重復(fù)采動(dòng)的沉陷分布規(guī)律，選擇位于73上29 工作面傾向主斷面的新濟(jì)鄒路上布設(shè)地表移動(dòng)觀測(cè)站，共布設(shè)16 個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)C1～C16關(guān)于走向主斷面對(duì)稱分布，地表移動(dòng)觀測(cè)站布設(shè)情況如圖1 所示。觀測(cè)站自2017 年10 月9 日—2018年11 月28 日共計(jì)觀測(cè)32 次，采用四等水準(zhǔn)測(cè)量觀測(cè)。

為研究多煤層重復(fù)采動(dòng)的沉陷分布規(guī)律，選擇位于73下21（西）工作面傾向主斷面的公路上布設(shè)地表移動(dòng)觀測(cè)站，布置測(cè)點(diǎn)14個(gè)，測(cè)點(diǎn)D29～D43沿公路均勻分布，地表移動(dòng)觀測(cè)站布設(shè)情況如圖2所示。觀測(cè)站自 2013 年 2 月 22 日—12 月 3 日共計(jì)觀測(cè) 27 次 ，采用四等水準(zhǔn)測(cè)量觀測(cè)。

2 地表移動(dòng)觀測(cè)站觀測(cè)結(jié)果

2.1 73上29工作面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)處理

73上29 工作面地表移動(dòng)觀測(cè)線西部為已停采1 a的73上28工作面采空區(qū)，東部為停采時(shí)間超過15 a的73上15、73上17 工作面采空區(qū)。為了研究工作面兩側(cè)不同停采年份采空區(qū)對(duì)地表點(diǎn)下沉、下沉速度的影響情況，繪制了C1～C16 測(cè)點(diǎn)的下沉曲線圖，工作面走向中心線對(duì)稱分布的C12 與C6 點(diǎn)的下沉對(duì)比圖以及C6和C12點(diǎn)下沉速度對(duì)比圖，見圖3～圖5。

2.2 73下21（西）工作面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)處理

73下21（西）工作面上覆3上煤層已全部開采完畢。3下煤層開采方面，73下21（西）工作面南部為73下19工作面采空區(qū)。73下21 工作面地表沉陷受到3上煤層采空區(qū)、3下煤層采空區(qū)（73下19 工作面采空區(qū)）綜合影響。為研究一次重復(fù)采動(dòng)與二次重復(fù)采動(dòng)對(duì)工作面地表沉陷的影響特征，繪制了D29～D43測(cè)點(diǎn)的下沉分布圖、工作面走向中心線對(duì)稱分布的觀測(cè)點(diǎn)D29 和D35的下沉過程和下沉速度對(duì)比圖，見圖6～圖8。

3 同一煤層采空區(qū)對(duì)臨近工作面開采沉陷的影響分析

3.1 下沉曲線特征分析

由圖3～圖4可知，73上29工作面地表觀測(cè)點(diǎn)沉陷分布有如下特點(diǎn)：①隨著工作面逐步推進(jìn)，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)地表下沉量逐漸增大，最后趨于穩(wěn)定；②停采年份短的采空區(qū)對(duì)工作面開采沉陷影響更大，C11～C16測(cè)線上各點(diǎn)地表下沉值均大于與其對(duì)稱分布的C6～C1 測(cè)線上各點(diǎn)地表下沉值；③臨近采空區(qū)對(duì)工作面開采沉陷影響在順槽處達(dá)到最大，隨著測(cè)點(diǎn)距離順槽距離增加，逐步降低，C6 點(diǎn)和C12 點(diǎn)處地表下沉差值達(dá)到最大值，為224.5 mm，隨著測(cè)點(diǎn)與順槽距離增加，這一差值逐步減小趨近于零。

3.2 下沉速度特征分析

分析圖5可知，C6點(diǎn)和C12點(diǎn)的下沉速度都經(jīng)歷了由小到大、再由大到小直至最終逐漸穩(wěn)定的過程；C6 點(diǎn)最大下沉速度27.9 mm/d 略小于C12 點(diǎn)最大下沉速度29.7 mm/d；C12 點(diǎn)與C6 點(diǎn)最大下沉速度出現(xiàn)的時(shí)間段基本一致，為2018年4月18日—5月2日。

綜上所述，采空區(qū)停采年份對(duì)下沉速度發(fā)展的過程影響較小，停采年份短采空區(qū)側(cè)最大下沉速度較停采年份長(zhǎng)采空區(qū)側(cè)最大下沉速度大。

3.3 地表移動(dòng)持續(xù)時(shí)間

C6和C12點(diǎn)地表移動(dòng)持續(xù)時(shí)間如表1所示。

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由表1 可知，C12、C6 點(diǎn)的地表移動(dòng)持續(xù)時(shí)間相當(dāng)，表明采空區(qū)停采時(shí)間對(duì)地表移動(dòng)持續(xù)時(shí)間影響不顯著；比較而言，C6 點(diǎn)較C12 點(diǎn)地表移動(dòng)的初始期較長(zhǎng)、活躍期略短；結(jié)合2點(diǎn)的下沉速度分布曲線，可以認(rèn)為地表移動(dòng)速度曲線差異較小，不同停采時(shí)間采空區(qū)對(duì)地表移動(dòng)動(dòng)態(tài)過程影響較小。

4 多煤層采空區(qū)對(duì)回采工作面地表沉陷的影響分析

4.1 下沉曲線特征分析

由圖6～圖7 可知，73下21（西）工作面地表觀測(cè)點(diǎn)沉陷分布有如下特點(diǎn)：①隨著工作面不斷推進(jìn)，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)地表下沉量逐漸增大，最后趨于穩(wěn)定；②受73下19采空區(qū)影響的D29點(diǎn)下沉值比僅受3上煤層采空區(qū)影響的D35 點(diǎn)大；③隨著73下21（西）工作面逐步接近—推過觀測(cè)線，D29 點(diǎn)和D35 點(diǎn)的下沉差值逐漸增大，最終差值為180 mm。

綜上所述，工作面兩側(cè)承受重復(fù)采動(dòng)次數(shù)不同導(dǎo)致地表沉陷分布不對(duì)稱；二次重復(fù)采動(dòng)導(dǎo)致測(cè)點(diǎn)下沉量更大；隨著工作面接近—推過觀測(cè)線，二次重復(fù)采動(dòng)與一次重復(fù)采動(dòng)對(duì)測(cè)點(diǎn)下沉影響逐步增加，直至趨于穩(wěn)定。

4.2 下沉速度特征分析

分析圖8 可知：①D29 點(diǎn)和D35 點(diǎn)的下沉速度都經(jīng)歷了由小到大、再由大到小直至最終逐漸穩(wěn)定的過程；D29 點(diǎn)的移動(dòng)過程大約持續(xù)了9 個(gè)月，于2013年 5 月 28 日達(dá)到最大下沉速度 10.9 mm/d；D35 點(diǎn)的移動(dòng)過程也大約持續(xù)了9 個(gè)月，于2013 年5 月28 日達(dá)到最大下沉速度9.8 mm/d；②受3上、3下煤層采空區(qū)影響的D29 點(diǎn)與僅受3上煤層采空區(qū)影響的D35 點(diǎn)最大下沉速度出現(xiàn)的時(shí)間段一致，出現(xiàn)在2013 年5 月15日—28日。

綜上所述，一次重復(fù)采動(dòng)與二次重復(fù)采動(dòng)對(duì)地表點(diǎn)下沉過程影響較??；受到二次重復(fù)采動(dòng)影響點(diǎn)最大下沉速度較一次重復(fù)采動(dòng)最大下沉速度小，即多次重復(fù)采動(dòng)會(huì)導(dǎo)致地表點(diǎn)最大下沉速度增加。

4.3 地表移動(dòng)持續(xù)時(shí)間

73下21（西）工作面采空區(qū)兩側(cè)邊界地面監(jiān)測(cè)D29點(diǎn)和D35點(diǎn)的移動(dòng)持續(xù)時(shí)間及相關(guān)階段如表2所示。

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由表2 可知，在D29 點(diǎn)和D35 點(diǎn)整個(gè)移動(dòng)持續(xù)過程中，只有地表下沉活躍階段和下沉衰退階段，下沉衰退階段所占時(shí)間比下沉活躍階段要長(zhǎng)，且2點(diǎn)各階段占比相同。首次監(jiān)測(cè)D6點(diǎn)和D35點(diǎn)就處于地表下沉活躍階段，說明重復(fù)采動(dòng)工作面比初次采動(dòng)工作面對(duì)地下開采響應(yīng)更加迅速；與73上29 工作面地表移動(dòng)持續(xù)時(shí)間相比，多次重復(fù)采動(dòng)地表移動(dòng)持續(xù)時(shí)間短，衰退期占比大。

綜上所述，多次重復(fù)采動(dòng)導(dǎo)致地表點(diǎn)對(duì)采動(dòng)響應(yīng)迅速，地表點(diǎn)僅發(fā)育活躍期，移動(dòng)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，衰退期占比大。

5 結(jié) 論

（1）重復(fù)采動(dòng)改變了下沉的分布特征；停采時(shí)間短的采空區(qū)比停采時(shí)間長(zhǎng)的采空區(qū)對(duì)下沉分布影響更為顯著，停采時(shí)間短采空區(qū)側(cè)下沉值、下沉范圍、下沉速度均偏大；停采時(shí)間長(zhǎng)短對(duì)下沉速度發(fā)展過程影響小。

（2）受多煤層采空區(qū)影響，二次重復(fù)采動(dòng)側(cè)地表點(diǎn)下沉值、下沉速度均偏大；地表移動(dòng)持續(xù)時(shí)間受重復(fù)采動(dòng)次數(shù)影響較小。

（3）受多次重復(fù)采動(dòng)影響，地表點(diǎn)對(duì)采動(dòng)響應(yīng)更為迅速，表現(xiàn)為地表移動(dòng)僅有活躍期和衰退期；與一次重復(fù)采動(dòng)相比，地表移動(dòng)持續(xù)時(shí)間顯著縮短。