徐飛亞 ，郭文兵 ，王 晨

（1.黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 河南 開(kāi)封 475004；2.河南理工大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院, 河南 焦作 454003；3.河南佰利聯(lián)新材料有限公司, 河南 焦作 454003）

0 引 言

在“壓縮限制中東部、優(yōu)化西部”全國(guó)煤炭開(kāi)發(fā)總體布局實(shí)施背景下，新疆、陜西、內(nèi)蒙古、寧夏等西北部礦區(qū)礦產(chǎn)儲(chǔ)量豐富可觀(guān)、礦產(chǎn)種類(lèi)多樣齊全、煤質(zhì)優(yōu)良易于開(kāi)采，今后仍會(huì)作為我國(guó)能源供應(yīng)的主要基地[1-2]。但是，西北部礦區(qū)由于煤層埋深較淺、大采高、關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)單一、推進(jìn)速度快等特點(diǎn)，在進(jìn)行大規(guī)模長(zhǎng)壁高強(qiáng)度開(kāi)采的同時(shí)，其頂板運(yùn)動(dòng)劇烈、采場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)明顯[3-7]，對(duì)上覆巖層與地表造成的破壞也更為嚴(yán)重。

越來(lái)越多的學(xué)者對(duì)西部淺埋深高強(qiáng)度開(kāi)采引起的地表沉陷規(guī)律進(jìn)行了深入的研究，取得了豐碩的成果[8-11]。王志山[12]、譚志祥等[13]、徐乃忠等[14]、孫慶先[15]通過(guò)綜放高強(qiáng)度開(kāi)采工作面地表觀(guān)測(cè)實(shí)測(cè)資料得出，地表沉陷規(guī)律表現(xiàn)為地表最終下沉盆地呈陡峭趨勢(shì)，地表沉陷變形集中且動(dòng)態(tài)移動(dòng)變形值大而劇烈，地裂縫發(fā)育密集。郭文兵等[16]、陳俊杰等[17]認(rèn)為在淺埋厚煤層高強(qiáng)度開(kāi)采條件下，地表下沉比較劇烈，地表最大下沉速度大，移動(dòng)變形比較集中。李德海等[18]、余學(xué)義等[19]認(rèn)為，在厚松散層地區(qū)煤層開(kāi)采，上覆巖層破壞嚴(yán)重，地表呈現(xiàn)受采動(dòng)影響敏感、下沉速度大、下沉劇烈、下沉系數(shù)大和地表移動(dòng)衰退時(shí)間長(zhǎng)等特征。任永強(qiáng)等[20]總結(jié)得出，在淺埋煤層快速推進(jìn)條件下，工作面雙向（走向和傾向）均達(dá)到超充分采動(dòng)狀態(tài)，地表移動(dòng)變形連續(xù)漸變，移動(dòng)過(guò)程極其劇烈。張安兵等[21-22]根據(jù)大量采空區(qū)上方地表實(shí)測(cè)資料，提出了一種基于最大 Lyapunov 指數(shù)法及混沌最小二乘支持向量機(jī)法的地表沉陷預(yù)測(cè)模型。胡青峰等[23]指出，厚煤層開(kāi)采引起的地裂縫在走向方向上呈周期性向前發(fā)育規(guī)律，其裂縫間距與直接頂來(lái)壓步距基本都為15 m，說(shuō)明直接頂?shù)闹芷谛云茢嘁鸬亓芽p的周期性發(fā)育。黃慶享等[24]、張沛等[25]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀(guān)測(cè)和室內(nèi)相似模擬試驗(yàn)，研究分析了西部神東礦區(qū)、陜北礦區(qū)等高強(qiáng)度開(kāi)采造成的地裂縫發(fā)育特征和形成規(guī)律，認(rèn)為當(dāng)?shù)乇頌楹裆巴翆訒r(shí)，會(huì)形成貫通型地裂縫，并建立“拱梁”結(jié)構(gòu)和“弧形巖柱”結(jié)構(gòu)模型，分析了地表厚砂土層的初次和周期垮落對(duì)貫通型裂縫的影響。然而，在工作面開(kāi)采強(qiáng)度大、推進(jìn)速度快的開(kāi)采條件下，厚關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)單一且賦存層位低的巖性條件下的地表沉陷規(guī)律研究方面較少。鑒于西北部礦區(qū)高強(qiáng)度開(kāi)采地表移動(dòng)變形規(guī)律具有明顯的特殊性，以及開(kāi)采引起的地裂縫災(zāi)害破壞嚴(yán)重，需進(jìn)一步的完善這部分的研究?；谖鞑可駯|礦區(qū)大柳塔煤礦52307 工作面的實(shí)測(cè)資料，采用多種觀(guān)測(cè)技術(shù)相互驗(yàn)證分析，研究了在厚關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)單一且賦存層位低的巖性條件下，淺埋深厚煤層高強(qiáng)度開(kāi)采條件下地表移動(dòng)變形的靜、動(dòng)態(tài)規(guī)律和地表裂縫發(fā)育規(guī)律等問(wèn)題。研究成果進(jìn)一步完善補(bǔ)充了西北部礦區(qū)高強(qiáng)度開(kāi)采地表沉陷規(guī)律的研究?jī)?nèi)容，并對(duì)相似礦區(qū)開(kāi)采引起的地裂縫災(zāi)害問(wèn)題提供了一定的借鑒意義。

1 工作面概況及觀(guān)測(cè)站的建立

1.1 工作面概況

大柳塔煤礦位于陜西省神木縣大柳塔鎮(zhèn)，是神華神東煤炭集團(tuán)最早規(guī)劃建成、我國(guó)首個(gè)千萬(wàn)噸級(jí)別的特大型現(xiàn)代化礦井。礦井分為大柳塔井（簡(jiǎn)稱(chēng)“大井”）和活雞兔井（簡(jiǎn)稱(chēng)“活井”）2 部分，其中52307 工作面屬于大井主要可采煤層5-2 煤層三盤(pán)區(qū)。煤層傾角較小，1°～3°，為近水平煤層；工作面走向和傾向長(zhǎng)度分別為4 462.6 m 和301 m；煤層平均埋深約為190 m，實(shí)際采高為6.7 m。采煤方法為走向長(zhǎng)壁后退式一次采全高。工作面兩側(cè)各有一個(gè)工作面，南側(cè)52306 工作面已回采結(jié)束，北側(cè)52501 工作面還未開(kāi)始回采。工作面兩側(cè)巷道為運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷，兩巷寬度6 m，相鄰工作面留有煤柱，寬度20 m。工作面基本頂主要為厚度很大的細(xì)粒砂巖，直接頂為粉砂巖，厚度為3.7 m，直接底以粉砂巖為主。52307 工面布置如圖1 所示。

圖1 大柳塔52307 工作面布置Fig.1 Layout of panel No.52307 of Daliuta Coal Mine

1.2 觀(guān)測(cè)站的建立

根據(jù)圖1 可知，52307 工作面有一相鄰且回采結(jié)束的52306 工作面。該工作面于2014 年8 月開(kāi)始進(jìn)行回采工作，2015 年6 月回采結(jié)束，2015 年4 月建立地表移動(dòng)觀(guān)測(cè)站開(kāi)始進(jìn)行巖移觀(guān)測(cè)。52306 工作面開(kāi)采期間，在4 月25 日和6 月6 日之間（工作面推進(jìn)290 m，即達(dá)到充分采動(dòng)時(shí)）共監(jiān)測(cè)25 次，并在回采結(jié)束后進(jìn)行了殘余變形監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，52306 工作面最大殘余下沉值在中部為26 mm、在兩側(cè)及端部小于10 mm，殘余變形影響范圍很小，對(duì)本次52307 工作面觀(guān)測(cè)結(jié)果沒(méi)有影響，確保了本次觀(guān)測(cè)結(jié)果的真實(shí)性和準(zhǔn)確性。

結(jié)合工作面上方實(shí)際地形地貌特點(diǎn)，本次觀(guān)測(cè)站布站方式為剖面線(xiàn)形狀觀(guān)測(cè)線(xiàn)，即在52307 工作面地表上方沿工作面推進(jìn)方向和垂直于工作面推進(jìn)方向各布置了1 條測(cè)線(xiàn)。其中，沿工作面推進(jìn)方向上（走向方向），在工作面中央布置一條A線(xiàn)，共18個(gè)觀(guān)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)編號(hào)分別為A1～A18，測(cè)點(diǎn)間距為20 m，長(zhǎng)度為358 m。在垂直于工作面推進(jìn)方向上（傾向方向）布置一條B線(xiàn)，距離工作面開(kāi)切眼288 m，共20個(gè)觀(guān)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)編號(hào)分別為B1～B20，測(cè)點(diǎn)間距為20 m，長(zhǎng)度為380 m。為了避免相鄰52306 工作面殘余變形的影響，在開(kāi)切眼以外地表一落差為34.6 m 的溝谷內(nèi)設(shè)置2 個(gè)控制點(diǎn)，分別為G1、G2。其中，G1、G2控制點(diǎn)距離鄰近52306 工作面開(kāi)切眼端部分別為428.5、381.4 m。觀(guān)測(cè)站主要設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1，觀(guān)測(cè)站布置如圖2 所示。

表1 地表移動(dòng)觀(guān)測(cè)站設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Design parameters of observation station for surface movement

圖2 地表移動(dòng)觀(guān)測(cè)站布置設(shè)計(jì)Fig.2 Design layout of observation station for surface movement

1.3 觀(guān)測(cè)儀器及觀(guān)測(cè)方案

為準(zhǔn)確獲得地表觀(guān)測(cè)點(diǎn)的高程坐標(biāo)和平面坐標(biāo)，以及工作面開(kāi)采后引起的地表下沉盆地，采用RTK技術(shù)與三維激光掃描相結(jié)合的手段進(jìn)行觀(guān)測(cè)。其中，高程坐標(biāo)采和平面坐標(biāo)采用中海達(dá)H32 全能型GNSS RTK 系統(tǒng)測(cè)量，地表下沉盆地采用RIEGL VZ-400 三維激光掃描系統(tǒng)測(cè)量，如圖3 所示。

圖3 工作面地表現(xiàn)場(chǎng)觀(guān)測(cè)Fig.3 Site observation on the surface of the panel

高程坐標(biāo)和平面坐標(biāo)監(jiān)測(cè)方案如下：在工作面回采前布置地面觀(guān)測(cè)點(diǎn)，并進(jìn)行首次測(cè)量；由于大柳塔煤礦52307 工作面屬于典型的淺埋高強(qiáng)度開(kāi)采，工作面推進(jìn)過(guò)程中地表變形和沉陷速度較大，因此在工作面開(kāi)始回采至達(dá)到充分采動(dòng)時(shí)（工作面推進(jìn)290 m），每天觀(guān)測(cè)1 次；當(dāng)工作面推過(guò)290 m 后，每2～3 d 觀(guān)測(cè)1 次。

三維激光掃描監(jiān)測(cè)方案如下：在工作面還未開(kāi)始回采，地表也未產(chǎn)生移動(dòng)變形時(shí)觀(guān)測(cè)1 次，建立地表初始數(shù)字模型；工作面回采過(guò)程中地表還未達(dá)到充分采動(dòng)、地表達(dá)到充分采動(dòng)時(shí)和地表達(dá)到超充分采動(dòng)時(shí)各觀(guān)測(cè)1 次，獲得地表最終下沉盆地。

大柳塔52307 工作面于2016 年2 月24 日開(kāi)始進(jìn)行回采工作。2016 年2 月14 日，工作人員在回采前進(jìn)行了第1 次全面觀(guān)測(cè)，得到地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)的初始平面和高程坐標(biāo)。2016-02-14—05-21（工作面從開(kāi)切眼推進(jìn)到500 m），采用RTK 技術(shù)累計(jì)對(duì)觀(guān)測(cè)線(xiàn)A線(xiàn)測(cè)量了28 次，B線(xiàn)測(cè)量了4 次；采用三維激光掃描技術(shù)對(duì)工作面地表累計(jì)測(cè)量了4 次。

2 地表移動(dòng)變形觀(guān)測(cè)結(jié)果分析

2.1 地表下沉特征分析

52307 工作面平均埋深為190 m，當(dāng)工作面推進(jìn)到500 m 時(shí)（大于1.4 倍的采深），地表在走向和傾向方向上均已達(dá)到充分采動(dòng)。根據(jù)地表移動(dòng)觀(guān)測(cè)站實(shí)測(cè)結(jié)果，圖4 給出了走向方向上A測(cè)線(xiàn)地表下沉曲線(xiàn)，表2 給出了工作面達(dá)到充分采動(dòng)后地表最大移動(dòng)變形值。

表2 大柳塔52307 工作面地表不同巖移角值參數(shù)Table 2 Different angular value parameters of surface movement of panel No.52307 in Daliuta

圖4 走向方向上A 測(cè)線(xiàn)地表下沉曲線(xiàn)Fig.4 Surface subsidence curve of survey line A in strike direction

從圖4 中得出，在走向方向上，隨著工作面的推進(jìn)，地表下沉值逐漸增大，地表下沉范圍也會(huì)相應(yīng)變大，地表最大下沉值點(diǎn)隨之前移。由圖4 中曲線(xiàn)1～2 可知，2 次觀(guān)測(cè)時(shí)間相隔3 d，地表下沉值達(dá)到1 324.6 mm，地表移動(dòng)變形很快進(jìn)入到開(kāi)始階段；由曲線(xiàn)3～7 可知，地表移動(dòng)變形達(dá)到活躍階段，此時(shí)地表測(cè)點(diǎn)隨著工作面的推進(jìn)，在開(kāi)切眼位置，地表下沉值較小，之后突然增大，下沉曲線(xiàn)急劇變陡，當(dāng)達(dá)到最大下沉值時(shí)，下沉曲線(xiàn)開(kāi)始逐漸變緩。最后一次觀(guān)測(cè)結(jié)束時(shí)，工作面回采至500 m，此時(shí)地表已達(dá)到超充分采動(dòng)狀態(tài)，最大下沉值不再變化，下沉曲線(xiàn)呈“碗底”形狀，如圖4 中曲線(xiàn)8 所示。

觀(guān)測(cè)結(jié)果表明，地表最大下沉值點(diǎn)為A9測(cè)點(diǎn)，最大下沉值為3 560 mm，下沉系數(shù)為0.53?；陉P(guān)鍵層原理[26]可知，隨著煤層的開(kāi)采，基巖內(nèi)會(huì)存在一層或數(shù)層對(duì)其上覆巖層活動(dòng)直至地表破壞起主要控制作用的厚硬巖層，即關(guān)鍵層。關(guān)鍵層呈周期性的破斷失穩(wěn)會(huì)直接影響到采場(chǎng)上覆巖層的斷裂失穩(wěn)運(yùn)動(dòng)，從而波及到地表，引起地表沉陷、破壞，形成地裂縫等地質(zhì)災(zāi)害。根據(jù)對(duì)52307 工作面鉆孔柱狀圖分析可知，其上覆巖層只有一層關(guān)鍵層，為第2 層細(xì)粒砂巖，厚度為30.87 m，距離煤層3.7 m，屬于單一近場(chǎng)厚關(guān)鍵層。在煤層開(kāi)采過(guò)程中，由于采高大、工作面推進(jìn)速度快，關(guān)鍵層和直接頂隨著工作面推進(jìn)位置“隨采隨垮”，繼而影響到地表，地表移動(dòng)變形劇烈，地表下沉增大。由于上覆巖層中能夠控制巖層移動(dòng)變形的關(guān)鍵層厚度大、距離開(kāi)采煤層較近，在工作面推進(jìn)過(guò)程中厚關(guān)鍵層形成了分層垮落。此時(shí)，采空區(qū)空間范圍大，垮落頂板對(duì)采空區(qū)充填不充分，導(dǎo)致厚關(guān)鍵層在分層垮落時(shí)，其下位破斷塊體回轉(zhuǎn)角過(guò)大，無(wú)法形成鉸接結(jié)構(gòu)而隨著直接頂垮落；其上位破斷塊體回轉(zhuǎn)空間較小，形成穩(wěn)定的“砌體梁”結(jié)構(gòu)。因此，原屬于垮落帶的關(guān)鍵層上位巖層轉(zhuǎn)變成為了裂隙帶，有效抑制了上覆巖層移動(dòng)變形繼續(xù)向上傳遞，減緩地表下沉劇烈，使得地表最大下沉值變小，下沉系數(shù)比一般的大采高工作面較小。文獻(xiàn)[27]指出濟(jì)寧三號(hào)煤礦6.8 m 大采高工作面地表下沉系數(shù)達(dá)到0.675，但是由于埋深很大（560 m 以上），上覆巖層中存在多層關(guān)鍵層，覆巖破斷后塊體逐漸壓實(shí)，地表移動(dòng)持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，從而使得地表下沉值較大，地表下沉系數(shù)較大。

綜上所述，在厚煤層高強(qiáng)度開(kāi)采條件下，由于大采高開(kāi)采造成大開(kāi)采空間，上覆巖層形成“隨采隨垮”的特點(diǎn)，地表下沉速度急劇變大，地表移動(dòng)變形劇烈；由于厚關(guān)鍵層分層垮落復(fù)合破斷的影響，覆巖破斷后巖層之間存有大量細(xì)小裂隙，導(dǎo)致地表最大下沉值變小，下沉系數(shù)變?。坏乇碓诠ぷ髅嫠闹荛_(kāi)采邊界下沉較小，地表移動(dòng)影響范圍小。

2.2 地表巖移角值參數(shù)分析

在礦井實(shí)際生產(chǎn)活動(dòng)過(guò)程中，地表建構(gòu)（筑）物保護(hù)煤柱、防水煤巖柱的留設(shè)都要基于地表巖移角值參數(shù)的選取。圖5 給出了走向主斷面上不同巖移角值參數(shù)的相對(duì)位置關(guān)系。

圖5 走向方向上主斷面地表巖移角量參數(shù)Fig.5 Surface movement angular parameters on major section along the mining direction

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)采規(guī)范》（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“規(guī)范”）規(guī)定[28]，地表巖移角值參數(shù)是描述地表移動(dòng)盆地范圍和大小的重要參數(shù)，主要分為邊界角、移動(dòng)角、裂縫角和充分采動(dòng)角。

邊界角、移動(dòng)角和裂縫角分別都是以地表移動(dòng)盆地主斷面上某一個(gè)點(diǎn)為特征點(diǎn)，該特征點(diǎn)與采空區(qū)邊界連線(xiàn)和水平線(xiàn)在煤柱一側(cè)的夾角。

其中邊界角是以下沉值為10 mm 的點(diǎn)為特征點(diǎn)，稱(chēng)為邊界點(diǎn)，如圖5 中的角3；移動(dòng)角是以?xún)A斜值值±2 mm/m 和曲率值±0.2×10-3/m 三個(gè)值中最外一個(gè)變形值點(diǎn)為特征點(diǎn)，稱(chēng)為危險(xiǎn)移動(dòng)邊界點(diǎn)；裂縫角是以最外側(cè)地表裂縫為特征點(diǎn)，稱(chēng)為裂縫點(diǎn)。

充分采動(dòng)角是取地表移動(dòng)盆地平底最外側(cè)邊緣點(diǎn)在地表水平線(xiàn)上的投影點(diǎn)為特征點(diǎn)，該點(diǎn)和同側(cè)采空區(qū)邊界之間的連線(xiàn)與煤層在采空區(qū)一側(cè)的夾角。根據(jù)地表實(shí)測(cè)結(jié)果，經(jīng)過(guò)計(jì)算得到大柳塔52307 工作面地表不同巖移角值參數(shù)，見(jiàn)表2。

從表2 中看出，在西部淺埋深厚煤層高強(qiáng)度開(kāi)采條件下，地表巖移角值參數(shù)要比一般的中東部礦區(qū)偏大，在走向方向上邊界角達(dá)到81°，移動(dòng)角達(dá)到85°。說(shuō)明隨著工作面的快速推進(jìn)，地表移動(dòng)過(guò)程劇烈，主要集中在工作面中部，而四周邊界位置移動(dòng)變形值較小，造成邊界角和移動(dòng)角偏大，使得地表移動(dòng)影響范圍偏小，地表出現(xiàn)“中部破壞嚴(yán)重，四周破壞輕微”的現(xiàn)象。

2.3 三維激光掃描結(jié)果分析

三維激光掃描技術(shù)作為現(xiàn)代測(cè)量學(xué)中一種高新測(cè)量技術(shù)，逐漸廣泛地應(yīng)用在煤礦開(kāi)采沉陷區(qū)的監(jiān)測(cè)中[29-30]。為了能夠得到整個(gè)工作面開(kāi)采后地表的下沉盆地，采用三維激光掃描技術(shù)對(duì)工作面上方地表進(jìn)行了4 次掃描，分別是：①工作面還未開(kāi)始回采，地表也未產(chǎn)生移動(dòng)變形；②工作面回采距離為144.7 m，地表還未達(dá)到充分采動(dòng)；③工作面回采距離為290 m，地表達(dá)到充分采動(dòng)；④工作面回采距離為500 m，地表達(dá)到超充分采動(dòng)。通過(guò)后處理軟件對(duì)每次掃描結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)配準(zhǔn)、點(diǎn)云濾波和簡(jiǎn)化，最終構(gòu)建每一期的地表DEM 數(shù)字模型。經(jīng)過(guò)對(duì)比分析得到工作面動(dòng)態(tài)地表下沉盆地和最終下沉盆地云圖。在最后一次掃描結(jié)束后，即工作面推進(jìn)到500 m 時(shí)，地表最終下沉全盆地云圖如圖6 所示。

圖6 三維激光掃描地表最終下沉全盆地云圖Fig.6 Cloud image of the final surface subsidence basin with 3D laser scanning technology

由圖6 得出，最后一次掃描結(jié)束后，地表沿走向和傾向均已達(dá)到超充分采動(dòng)狀態(tài)，地表最終下沉全盆地呈類(lèi)似“碗底”形狀。圖6 右側(cè)為下沉值色帶，顏色越深表明下沉值越大，反之越小。下沉盆地中部顏色較深，下沉值較大，說(shuō)明地表移動(dòng)變形主要集中在工作面中部；下沉盆地最外側(cè)為紅色區(qū)域，說(shuō)明在工作面開(kāi)采范圍以外下沉值較小，與2.1 節(jié)地表巖移實(shí)際觀(guān)測(cè)分析結(jié)果保持一致。受到地表地形原因的影響，下沉盆地中間沉陷區(qū)域顏色出現(xiàn)漸變現(xiàn)象，在溝谷區(qū)域下沉值變大，如圖6 中區(qū)域2 和3 下沉值色帶顏色略深；在地裂縫密集發(fā)育區(qū)域，色帶顏色明顯加深，說(shuō)明最大下沉值發(fā)生在這一區(qū)域，最大值為3 592.1 mm。

根據(jù)上述分析可知，三維激光掃描技術(shù)在煤礦開(kāi)采沉陷區(qū)的應(yīng)用能夠全面直觀(guān)地體現(xiàn)工作面開(kāi)采后地表移動(dòng)變形特征，獲得地表下沉全盆地形貌和大小，對(duì)山區(qū)溝谷地形的下沉特征及地裂縫的分布、預(yù)測(cè)和采取相應(yīng)的治理措施也具有一定的指導(dǎo)意義。

2.4 CISPM 地表開(kāi)采沉陷預(yù)計(jì)分析

地表開(kāi)采沉陷預(yù)計(jì)是指在具體地質(zhì)采礦條件下，選取相應(yīng)的預(yù)計(jì)參數(shù)、預(yù)計(jì)模型和預(yù)計(jì)函數(shù)，對(duì)一個(gè)或多個(gè)工作面開(kāi)采后研究分析地表移動(dòng)變形值在時(shí)間和空間上的分布規(guī)律。該結(jié)果對(duì)開(kāi)采沉陷的理論研究和礦區(qū)的實(shí)踐生產(chǎn)都具有重要的指導(dǎo)意義。為驗(yàn)證上述地表實(shí)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，采用一種綜合地表沉陷預(yù)測(cè)模型軟件-CISPM 軟件[31]進(jìn)行地表開(kāi)采沉陷預(yù)計(jì)，并將預(yù)計(jì)結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。該軟件是在美國(guó)長(zhǎng)壁開(kāi)采工作面大量地表實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，利用影響函數(shù)法預(yù)計(jì)方法開(kāi)發(fā)的一款預(yù)計(jì)軟件，最早是在1991 年由美國(guó)工程院院士Syd S.Peng 和美國(guó)西弗吉尼亞大學(xué)Luo Yi 教授共同提出，主要應(yīng)用于近水平煤層大規(guī)模長(zhǎng)壁開(kāi)采工作面。軟件分為6 個(gè)板塊，分別為：LWSUB（最終下沉盆地的預(yù)計(jì)）、DYNSUB（動(dòng)態(tài)下沉的盆地的預(yù)計(jì)）、SUBSDNC（不規(guī)則工作面下沉盆地的預(yù)計(jì)），SURVEY（實(shí)際觀(guān)測(cè)資料的處理）、SUBDED（通過(guò)實(shí)際觀(guān)測(cè)資料得到最終的地表移動(dòng)預(yù)計(jì)參數(shù)）、CONSULT 程序（無(wú)實(shí)際觀(guān)測(cè)資料推導(dǎo)出最終的地表移動(dòng)預(yù)計(jì)參數(shù)）。

2.4.1 地表移動(dòng)變形預(yù)計(jì)參數(shù)的選取

通過(guò)實(shí)測(cè)資料的分析可得大柳塔52307 工作面地表實(shí)測(cè)最大下沉值為3 560 mm，最大水平移動(dòng)值為750 mm。由此可得，52307 工作面下沉系數(shù)q為0.53，水平移動(dòng)系數(shù)為0.21。其余參數(shù)（拐點(diǎn)偏移距、主要影響角、主要影響半徑）根據(jù)軟件中SUBDED模塊確定，即將大柳塔52307 工作面傾向觀(guān)測(cè)線(xiàn)B線(xiàn)實(shí)測(cè)下沉值點(diǎn)依次輸入軟件模塊，通過(guò)回歸分析得出其擬合下沉曲線(xiàn)以及預(yù)計(jì)參數(shù)擬合值，并與實(shí)測(cè)下沉曲線(xiàn)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，曲線(xiàn)擬合和回歸結(jié)果如圖7所示。

圖7 大柳塔煤礦52307 工作面預(yù)計(jì)參數(shù)回歸值Fig.7 Regression of predicted parameters of panel 52307 in Daliuta Coal Mine

根據(jù)圖7 可知，擬合曲線(xiàn)最大下沉值為3 502.2 mm，與實(shí)測(cè)最大下沉值3 560 mm 誤差很小，回歸系數(shù)大于75%，表明回歸結(jié)果可靠，其中拐點(diǎn)偏移距為61.2 m、主要影響角為74.8°、主要影響半徑為51.4 m。

綜上分析，大柳塔52307 工作面地表移動(dòng)變形預(yù)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 地表移動(dòng)變形預(yù)計(jì)參數(shù)Table 3 Predicted parameters of surface movement and deformation

2.4.2 地表移動(dòng)變形預(yù)計(jì)結(jié)果及分析

根據(jù)表3 所得到的預(yù)計(jì)參數(shù)，利用軟件中的LWSUB 模塊進(jìn)行計(jì)算分析，得到大柳塔52307 工作面回采到500 m 時(shí)地表任意點(diǎn)的移動(dòng)變形值。其中，地表下沉等值線(xiàn)如圖8 所示。

根據(jù)圖8 得出，下沉等值線(xiàn)整體呈圓角矩形形狀，說(shuō)明在工作面回采結(jié)束后，地表下沉盆地整體呈“碗底”形狀。地表最大下沉值發(fā)生在采空區(qū)中部區(qū)域，最大值為3 556 mm。圖中最外側(cè)下沉值為10 mm等值線(xiàn)分布在工作面開(kāi)采邊界，說(shuō)明邊界角較大，地表影響范圍很小，與三維激光掃描儀得到的地表下沉盆地形貌和實(shí)測(cè)結(jié)果相符。下沉等值線(xiàn)靠近工作面中部數(shù)據(jù)急劇增大，下沉速度變大，當(dāng)在A9測(cè)點(diǎn)達(dá)到最大下沉值時(shí)，不再變化，趨于一條直線(xiàn)，說(shuō)明地表已達(dá)到超充分采動(dòng)狀態(tài)，與實(shí)測(cè)下沉曲線(xiàn)相符。

根據(jù)上述分析，將地表巖移觀(guān)測(cè)實(shí)測(cè)結(jié)果、三維激光掃描結(jié)果和地表移動(dòng)變形預(yù)計(jì)結(jié)果三者所得到地表移動(dòng)變形值進(jìn)行對(duì)比分析，見(jiàn)表4。

表4 地表移動(dòng)變形最大值對(duì)比Table 4 Results comparison of the maximum values of surface movement and deformation

由表4 可知，3 種方法得到的地表移動(dòng)變形值誤差很小，證明所測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確。

3 地裂縫分布發(fā)育特征分析

3.1 地裂縫分布特征分析

地裂縫的形成從直觀(guān)來(lái)講，在井下開(kāi)采過(guò)程中，當(dāng)?shù)乇硎艿酵鈦?lái)或自身的應(yīng)力大于其本身所能承受的最大應(yīng)力（拉伸或擠壓）時(shí)，會(huì)產(chǎn)生不同程度的破壞，如地表的拉伸張開(kāi)、擠壓隆起或塌陷等現(xiàn)象。根據(jù)上述分析可知，大柳塔52307 工作面由于埋深淺、采高大、工作面推進(jìn)速度較快，工作面中部上方地表移動(dòng)變形劇烈，從而形成大量的地裂縫。通過(guò)對(duì)大柳塔52307 工作面不同類(lèi)型地裂縫的現(xiàn)場(chǎng)觀(guān)測(cè)、記錄，結(jié)合礦井井上下對(duì)照?qǐng)D和采掘工程平面圖，給出了工作面在回采結(jié)束后地裂縫分布素描圖，如圖9所示。

圖9 大柳塔52307 工作面地裂縫空間分布Fig.9 Spatial distribution of ground fissures of panel 52307 in Daliuta Coal Mine

由圖9 得出大柳塔52307 工作面地裂縫空間分布有以下特征：

1）地裂縫發(fā)育密集，主要集中分布在采空區(qū)中部，兩側(cè)巷道裂縫多為拉伸型張開(kāi)裂縫。

2）工作面達(dá)到充分采動(dòng)以后，地裂縫整體呈“C”字形狀分布在工作面中部；隨著工作面的繼續(xù)推進(jìn)，地裂縫從開(kāi)切眼位置開(kāi)始繼續(xù)向回風(fēng)巷一側(cè)緩慢延伸、發(fā)育并逐漸閉合，最終形成連續(xù)包圍“漏斗”型形狀分布在整個(gè)工作面。其中，漏斗右側(cè)距工作面開(kāi)切眼距離基本一致，約為24.1 m，相鄰2 個(gè)漏斗左側(cè)間距平均為28.4 m。

3）拉伸型地裂縫長(zhǎng)度最大可達(dá)到 155.2 m，寬度最大為0.3 m；臺(tái)階型裂縫最大落差高度達(dá)到0.5 m。相鄰兩條裂縫間距最大為16.1 m，平均間距為5.2 m。

3.2 地裂縫發(fā)育與工作面推進(jìn)速度的關(guān)系

通過(guò)分析地裂縫的現(xiàn)場(chǎng)觀(guān)測(cè)記錄和工作面的推進(jìn)距離的關(guān)系得出，大柳塔52307 工作面拉伸型地裂縫總是滯后于工作面推進(jìn)位置一段距離出現(xiàn)，該距離記為裂縫滯后距d；地裂縫和工作面推進(jìn)位置的連線(xiàn)與水平線(xiàn)在采空區(qū)一側(cè)的夾角記為拉伸型裂縫滯后角δ，圖10 給出了地裂縫與工作面推進(jìn)位置相對(duì)位置示意。圖10 中h為采高，H為平均采深，s為工作面推進(jìn)度。

圖10 地裂縫與工作面推進(jìn)位置相對(duì)位置Fig.10 Relative location of surface cracks and the working face advancing position

基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)記錄，對(duì)拉伸型裂縫滯后距dL、臺(tái)階型裂縫滯后距dT分別與地裂縫發(fā)育當(dāng)日的工作面推進(jìn)速度v之間的關(guān)系進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 不同類(lèi)型地裂縫滯后距與開(kāi)采速度統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 5 Statistics of different surface cracks lag distance and mining speed

采用Matlab 對(duì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得到了拉伸型和臺(tái)階型地裂縫滯后距與工作面推進(jìn)速度之間的關(guān)系式，分別見(jiàn)式（1）、（2），回歸關(guān)系圖如圖11所示。

圖11 不同類(lèi)型地裂縫滯后距與工作面推進(jìn)速度之間的關(guān)系Fig.11 Relationship between lag distance of different kind of surface cracks and mining speed

由式（1）、（2）和圖11 得出：

1）大柳塔52307 工作面開(kāi)采引起的拉伸型和臺(tái)階型地裂縫滯后距與工作面推進(jìn)速度均呈線(xiàn)性增大的關(guān)系。由于井下開(kāi)采引起的巖層裂隙向地表發(fā)育需要經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間，在工作面開(kāi)采速度過(guò)快條件下，覆巖破斷及圍巖應(yīng)力的傳遞會(huì)滯后于工作面推進(jìn)距離，地表在工作面后方才開(kāi)始出現(xiàn)破壞產(chǎn)生地裂縫。

2）拉伸型地裂縫滯后距主要分布在15～25 m，平均為21 m。

3）通過(guò)對(duì)地裂縫滯后距與工作面推進(jìn)速度之間的關(guān)系分析，能預(yù)測(cè)不同類(lèi)型地裂縫出現(xiàn)的位置，進(jìn)而及時(shí)采取相應(yīng)的補(bǔ)填措施。

4 結(jié) 論

1）在淺埋深厚煤層高強(qiáng)度開(kāi)采條件下，上覆巖層形成“隨采隨垮”的特點(diǎn)，巖層破壞帶來(lái)的擾動(dòng)迅速波及至地表，使得地表移動(dòng)變形劇烈，很快達(dá)到最大下沉值。之后下沉曲線(xiàn)開(kāi)始逐漸變緩，下沉速度減小。

2）地表巖移角值參數(shù)比一般的中東部礦區(qū)偏大，其中移動(dòng)角為85°，邊界角為81°。說(shuō)明地表移動(dòng)變形主要集中在工作面中部，工作面四周及開(kāi)采范圍以外地表下沉較小。當(dāng)工作面回采結(jié)束后，地表下沉盆地呈現(xiàn)四周收斂快、中部破壞嚴(yán)重的現(xiàn)象。

3）不同類(lèi)型的地裂縫大量發(fā)育，整體呈“C”字型集中分布在工作面中間。地裂縫總是滯后于工作面一段距離出現(xiàn)，且拉伸型和臺(tái)階型地裂縫滯后距與工作面推進(jìn)速度均呈線(xiàn)性增大的關(guān)系。