黃土溝壑地形對(duì)地表移動(dòng)變形影響分析

王業(yè)顯，譚志祥，鄧喀中，劉 輝

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 江蘇省資源環(huán)境信息工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 國(guó)土環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測(cè)國(guó)家測(cè)繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116)

1 采動(dòng)引起的斜坡變形

黃土溝壑區(qū)包括平地、斜坡、陡崖等各種地形要素[1]。按斜坡與地表下沉盆地的相對(duì)位置關(guān)系分為正向坡和反向坡[2]，在開采移動(dòng)變形主斷面上，將高程下降方向指向開采沉陷盆地中央的斜坡稱為正向坡，相反，背向盆地中央的斜坡稱為反向坡。按斜坡的組合方式分為單面坡、凸形坡和凹形坡等。溝壑屬于典型的凹形坡，是黃土地區(qū)常見的、典型的地形地貌，由雨水長(zhǎng)期沖刷表面黃土形成。經(jīng)過長(zhǎng)期觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，黃土溝壑礦區(qū)的地表移動(dòng)規(guī)律表現(xiàn)出特殊性，在采動(dòng)條件下，受溝壑地形的影響，溝壑兩側(cè)的松散層向溝壑底部滑移，并且發(fā)現(xiàn)滑移量與地形坡度之間存在一定關(guān)系。

斜坡變形按照破壞程度可以分為滑移和滑坡。圖1是溝壑凹形坡變形示意圖，受采動(dòng)影響之前，土體單元在自重應(yīng)力場(chǎng)下任意方向上所受的剪應(yīng)力小于抗剪強(qiáng)度，坡體保持穩(wěn)定狀態(tài)。在采動(dòng)影響下，導(dǎo)致松散層單元體積變形和孔隙比的變化[3]，打破了溝壑兩側(cè)斜坡原有的平衡狀態(tài)，使斜坡在平地條件下的沉陷變形之上疊加了土體產(chǎn)生的塑性變形和局部剪切滑移。在斜坡的連續(xù)性尚未破壞或破壞不是特別明顯時(shí)，這種變形稱之為斜坡滑移變形；當(dāng)這種變形超過斜坡整體或局部平衡的極限時(shí)，坡體中形成連續(xù)的剪切面，剪切面上方的土體在自重應(yīng)力下沿著剪切面向下整體滑動(dòng)，這種采動(dòng)破壞稱為滑坡。由于開采沉陷變形與斜坡滑移變形是在采動(dòng)過程中同時(shí)發(fā)生的，實(shí)際變形中很難區(qū)分開采沉陷變形和斜坡滑移變形[4-5]。

圖1 溝壑斜坡滑移示意

為了進(jìn)一步研究溝壑對(duì)地表移動(dòng)變形的影響，本文以神華神東煤炭集團(tuán)公司大柳塔煤礦大柳塔井52304工作面地表移動(dòng)觀測(cè)站實(shí)測(cè)資料，具體分析并研究了在充分采動(dòng)條件下溝壑地形對(duì)盆地中央的移動(dòng)變形影響的變化規(guī)律。

2 黃土溝壑礦區(qū)地表移動(dòng)觀測(cè)

52304工作面位于陜西省榆林市神木縣大柳塔鎮(zhèn)境內(nèi)，平均埋深約230m，煤層傾角1～3°，工作面走向長(zhǎng)4547.6m，傾向?qū)?01m，采高6.45m，開采時(shí)間自2011年底至2013年3月25日。覆巖主要由頂板、基巖和地表松散層3層組成，頂板以粉砂巖、泥巖組成，平均厚度15.07m，基巖層以粉、細(xì)砂巖為主，夾有中、粗砂巖以及2，3，4煤，平均厚度189.7m，松散層由風(fēng)積沙、砂質(zhì)黏土等組成，平均厚度30m。

在工作面停采線一側(cè)的正上方有一條與工作面走向線基本一致但略有相交的溝壑，為了研究該溝壑對(duì)地表移動(dòng)變形的影響，并考慮到工作面過長(zhǎng)觀測(cè)困難等實(shí)際問題，在停采線一側(cè)布設(shè)半條走向觀測(cè)線，設(shè)有A1-A41共41個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，點(diǎn)間水平距離20m。將A1-A8點(diǎn)布設(shè)在工作面之外，A9-A17點(diǎn)布設(shè)在停采線至溝壑開始之間，A18-A41點(diǎn)與溝壑相交，A26及A27兩點(diǎn)位于溝谷，布設(shè)方案見圖2。在研究區(qū)范圍內(nèi)溝壑平均寬30m，深6.3m。

圖2 觀測(cè)點(diǎn)布設(shè)

數(shù)據(jù)采集使用上海華測(cè)GPS接收機(jī)(標(biāo)稱水平精度(±10+1)mm/km，垂直精度(±20+1)mm/km)進(jìn)行RTK實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)觀測(cè)，觀測(cè)時(shí)間自2012年11月10日至2013年7月13日，共觀測(cè)17期。

3 溝壑地形對(duì)地表移動(dòng)變形的影響分析

3.1 水平移動(dòng)分析

對(duì)于平坦地區(qū)，走向觀測(cè)線上點(diǎn)在垂直于觀測(cè)線方向上的移動(dòng)即橫向水平移動(dòng)理論值應(yīng)為零，實(shí)際上是在零左右波動(dòng)且隨機(jī)分布。52304工作面上的觀測(cè)點(diǎn)，由于溝壑的影響，其橫向水平移動(dòng)表現(xiàn)出特殊的規(guī)律性，圖3為各點(diǎn)橫向水平移動(dòng)曲線，圖4為最終下沉值與高程對(duì)照?qǐng)D。結(jié)合圖2、圖3、圖4分析可知，點(diǎn)A1-A6受采動(dòng)影響不大，其橫向水平移動(dòng)也很小；點(diǎn)A7-A15屬于移動(dòng)變形活躍區(qū)，由于地形比較平緩，其橫向水平移動(dòng)也不是很大，最大為0.095m；點(diǎn)A16-A41屬于超充分采動(dòng)區(qū)，A16和A17兩點(diǎn)在溝壑范圍之外或溝壑剛剛開始形成位置，其地形相對(duì)比較平緩，橫向水平移動(dòng)在0.1m左右，從點(diǎn)A18溝壑形成的位置開始，橫向水平移動(dòng)失去一般規(guī)律逐漸增大，向溝壑方向移動(dòng)，最大達(dá)0.306m，在溝壑和觀測(cè)線相交處，即在谷底A26-A27點(diǎn)處，觀測(cè)點(diǎn)的橫向水平移動(dòng)又趨于零，當(dāng)觀測(cè)線經(jīng)過溝壑后，水平移動(dòng)向相反的方向迅速變大，最大達(dá)0.398m，在點(diǎn)A37-A38處橫向水平移動(dòng)突然變小。具體數(shù)值見表1。

圖3 最終橫向水平移動(dòng)曲線

圖4 最終下沉值與高程對(duì)照

經(jīng)過以上分析可知，在溝壑外地形較平緩區(qū)橫向水平移動(dòng)較小，在溝壑影響范圍內(nèi)，受采動(dòng)影響溝壑兩側(cè)的松散層向溝壑滑移，產(chǎn)生了向溝壑方向的水平移動(dòng)分量，水平移動(dòng)表現(xiàn)出特殊規(guī)律性，且最大達(dá)0.398m，同時(shí)由點(diǎn)A37-A38突變可以推測(cè)此處溝壑的影響范圍大約在40m。

3.2 下沉分析

溝壑約在A26和A27號(hào)點(diǎn)位置，位于溝壑底部觀測(cè)點(diǎn)的下沉值明顯偏小，為3.547m，而溝壑外的點(diǎn)最大下沉達(dá)到4.354m，認(rèn)為此差值為滑移引起的垂直分量，可知最大垂直滑移分量為0.807m。

前面已經(jīng)分析確定了溝壑對(duì)地表移動(dòng)變形確有影響，從圖4可見受采動(dòng)影響溝壑兩側(cè)的松散層滑移變形對(duì)下沉也有影響，下沉曲線在盆地底部并非平緩，受滑移的影響有所波動(dòng)，表現(xiàn)出一定的規(guī)律性，具體表現(xiàn)為：受松散層滑移的影響，使得溝壑兩側(cè)的點(diǎn)向著溝壑的方向移動(dòng)，產(chǎn)生了一個(gè)垂直移動(dòng)分量，使得溝壑兩側(cè)點(diǎn)的下沉有所增大；溝壑底部受兩側(cè)滑移擠壓，下沉反而相對(duì)減小，總體表現(xiàn)為溝壑底部下沉小兩側(cè)下沉大。

圖4中可以看出A37和A38兩點(diǎn)的下沉相對(duì)又有所減小，而這兩點(diǎn)距溝壑的水平距離很大，結(jié)合圖2可以看出，兩點(diǎn)向溝壑方向的水平移動(dòng)量很小約100m，說明滑移量很小，這也進(jìn)一步證明了滑移對(duì)下沉的影響。另外，按上述規(guī)律在A18-A25之間點(diǎn)的下沉量值應(yīng)與A28-A33之間點(diǎn)相差不大，在實(shí)際觀測(cè)中發(fā)現(xiàn)，A18-A25之間點(diǎn)除了有向溝壑方向的水平移動(dòng)，還有向停采線方向的水平移動(dòng)，即向著高程增大的方向水平移動(dòng)，而且優(yōu)于溝壑方向，從而下沉值有所減小，但總體比溝壑底部的略大，推測(cè)其具體產(chǎn)生原因，可能在基巖與松散層接觸面上發(fā)生了滑移，使松散層產(chǎn)生壓縮向停采線方向移動(dòng)。

3.3 滑移與坡度關(guān)系

選取超充分采動(dòng)區(qū)的點(diǎn)A16-A41研究滑移與坡度之間的關(guān)系，因?yàn)榛仆瑫r(shí)產(chǎn)生了水平滑移分量和垂直滑移分量，因而應(yīng)該同時(shí)考慮兩個(gè)方向上的移動(dòng)分量。在超充分采動(dòng)區(qū)內(nèi)，認(rèn)為各點(diǎn)的下沉值與該區(qū)域內(nèi)最小下沉值之差為該點(diǎn)由滑移引起的在垂直方向上的分量，即垂直滑移分量。這里最小下沉值為3.547m，取整為3.5m，表1列出了受采動(dòng)影響前各點(diǎn)到溝谷水平距離l、高差h、高差與水平距離的比值i，以及受采動(dòng)影響達(dá)到穩(wěn)沉?xí)r水平滑移分量s、垂直滑移分量v、垂直分量與水平分量的比值p。

將坡度值i與滑移分量比值p進(jìn)行線性最小二乘擬合。由于點(diǎn)A26，A27位于溝壑底部，滑移引起的移動(dòng)分量很小，由于觀測(cè)誤差的存在，使得滑

表1 各點(diǎn)移動(dòng)前后數(shù)據(jù)

備注：表中水平移動(dòng)分量s取絕對(duì)值

移分量比值p失去真實(shí)性，故將其剔除，另外剔除偏差較大點(diǎn)A34，A35，A37，這些點(diǎn)可能受溝壑兩側(cè)沖擊溝影響。將剩下的21個(gè)點(diǎn)進(jìn)行擬合，結(jié)果如圖5，滿足如下公式：

p=v/s=-12.751i+4.7127，R2=0.8529

可見i與p存在很強(qiáng)線性相關(guān)性，其中R2表示線性相關(guān)程度。

圖5 坡度i與滑移分量p擬合效果

4 結(jié)論

受采動(dòng)影響，溝壑兩側(cè)的松散層向溝壑底部滑移，使地表移動(dòng)變形規(guī)律發(fā)生改變：

(1)盆地主剖面上水平移動(dòng)變形表現(xiàn)為溝壑底部地表點(diǎn)的水平移動(dòng)為零，溝壑兩側(cè)地表點(diǎn)向溝壑方向移動(dòng)，隨著溝壑的消失，這種水平移動(dòng)也慢慢趨于零，最大水平滑移達(dá)0.398m。

(2)溝壑兩側(cè)斜坡的滑移使兩側(cè)地表點(diǎn)的下沉量有所增加，溝壑底部下沉相對(duì)減小，垂直滑移分量最大達(dá)0.809m。

(3)滑移垂直分量與水平分量的比值p與地形坡度i之間存在很強(qiáng)的線性相關(guān)性，滿足公式p=v/s=-12.751i+4.7127。

(4)主要分析研究了溝壑位于工作面正上方、與走向線基本一致時(shí)，溝壑地形對(duì)地表移動(dòng)變形規(guī)律的影響，對(duì)于其他位置情況下的溝壑影響規(guī)律有待進(jìn)一步研究。

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