重復(fù)采動地表移動變形規(guī)律分析

葉 偉 徐良驥

（1.安徽理工大學(xué)空間信息與測繪工程學(xué)院，安徽 淮南 232000；2.深部煤礦采動響應(yīng)與災(zāi)害防控國家重點實驗室，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后會形成沉陷水域，尤其對重復(fù)采動工作面地表移動變形監(jiān)測會產(chǎn)生很大影響。重復(fù)采動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、變形和破壞之后，再一次經(jīng)受開采（開采下部煤層或下分層或同一煤層的下一個工作面）的影響，使得巖層和地表又一次受到采動影響［2］。重復(fù)采動條件下工作面正上方地表會出現(xiàn)大面積沉陷積水區(qū)，給觀測站建立造成了較大困難。在煤炭開采地表移動變形信息提取方面，傳統(tǒng)方法是通過布設(shè)觀測站，進行水準(zhǔn)測量和CORS RTK測量［3-7］。目前，較為先進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（Multiple Aperture Interferometry，MAI）技術(shù)，可獲取地表三維信息［8］。D-InSAR會因為自身局限性受到一些應(yīng)用限制，如大面積水域會造成D-InSAR圖像干涉的低相干、對南北方向的形變具有不敏感性［9］。目前，InSAR技術(shù)的形變測量精度基本采用實地測量數(shù)據(jù)（如水準(zhǔn)測量、GPS測量等）進行檢核［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)觀測站。為了研究重復(fù)采動條件下地表移動變形規(guī)律，需要結(jié)合實際工作面地表環(huán)境和地質(zhì)采礦條件進行觀測站布設(shè)和數(shù)據(jù)采集，并對數(shù)據(jù)進行處理和分析。

本研究以淮南礦區(qū)某礦11123工作面（以下簡稱“11123工作面”）為例，詳細分析重復(fù)采動條件下觀測站的設(shè)計與觀測方法，為國內(nèi)具有類似開采條件和地表水文條件的工作面建立地表觀測站提供參考。全面觀測的目的是將觀測站數(shù)十千米以外的礦區(qū)高等級控制點高程和坐標(biāo)與工作面觀測站的高程、平面控制網(wǎng)進行聯(lián)測，從而建立相對的控制網(wǎng)坐標(biāo)系統(tǒng)［10-12］。全面觀測數(shù)據(jù)處理成果質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到后續(xù)觀測的精度和開采沉陷規(guī)律的準(zhǔn)確研究［13］。觀測站的日常觀測工作是指首次和末次全面觀測之間適當(dāng)增加的水準(zhǔn)測量工作，還包括對監(jiān)測點在采動過程中的位移和地面出現(xiàn)裂縫、塌陷的形態(tài)以及時間的記錄和分析。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變形特征，將地表移動變形影響區(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度計算判斷采動拉伸區(qū)裂縫發(fā)育的方法；錢鳴高等［15］利用塊體結(jié)構(gòu)模型對煤層采動后覆巖運動和地表沉陷規(guī)律進行了研究，取得較好的效果；郭惟嘉等［16］采用現(xiàn)場觀測、理論分析等手段，對翟鎮(zhèn)煤礦重復(fù)采動條件下的地表非連續(xù)變形現(xiàn)象進行了研究；陳超等［17］通過總結(jié)前人有關(guān)裂縫的現(xiàn)場實測成果，分析認為現(xiàn)場實測能較為直觀地了解巖土體內(nèi)裂隙演變情況。本研究通過對11123工作面3號傾向觀測線地表裂縫的實際發(fā)育情況進行現(xiàn)場調(diào)查并實測裂縫發(fā)育數(shù)據(jù)，對3號傾向觀測線的拐點位置進行計算，并根據(jù)拐點位置的動態(tài)移動情況，驗證根據(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號傾向觀測線地表裂縫的動態(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1 320m，傾向長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11123工作面采動后巖層運動方式和地表移動變形程度影響很大。工作面開切眼地表向東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)采動地表移動變形觀測站設(shè)計

2.1 觀測站設(shè)計方案確定

為了研究11123工作面重復(fù)采動地表移動變形規(guī)律、求解主要地表移動角量參數(shù)和預(yù)計參數(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，根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采指南》中對地表移動觀測站設(shè)計的規(guī)定，并綜合考慮該工作面地質(zhì)采礦條件（重復(fù)采動）、地表水文條件、控制點和監(jiān)測點的長期保存等因素，設(shè)計的地表移動變形觀測站類型為剖面線型的3條傾向觀測線，由此構(gòu)成了11123工作面地表移動變形觀測站?？紤]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條觀測線的設(shè)計有別于常規(guī)傾向觀測線。表現(xiàn)在其長度是計算出來的整條觀測線長度，但控制點只布設(shè)在工作面南側(cè)，并且監(jiān)測點止于工作面正上方北側(cè)邊界。

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

2.2 傾向觀測線長度及測點密度確定

傾斜觀測線長度計算公式為［2］

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

地表移動觀測站監(jiān)測點一般為等間距布設(shè)［10-11］，監(jiān)測點數(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、3號傾向觀測線遠離南風(fēng)井，故測點間距設(shè)定為30m，1號傾向觀測線位于南風(fēng)井附近，為了更好地反映工作面傾向移動變形對南風(fēng)井重要構(gòu)（建）筑物的影響，需要對監(jiān)測點進行加密［12］，故設(shè)計1號觀測線的點間距為25m?？刂泣c應(yīng)埋設(shè)在觀測線兩端［2］，由于該工作面現(xiàn)場條件所限，僅在每條觀測線遠離工作面的南端布置了3個控制點，控制點間距為50 m。為保證控制點穩(wěn)定性，首個與監(jiān)測點相鄰的控制點與該監(jiān)測點的間距設(shè)置為200 m。觀測站布設(shè)如圖1所示。

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

3.1 全面觀測與日常觀測

3.1.1 全面觀測數(shù)據(jù)采集與處理方法

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

（1）高程全面觀測。從觀測站數(shù)十千米以外的高等級水準(zhǔn)點（國家二等水準(zhǔn)點）出發(fā)，通過二等水準(zhǔn)測量將高程傳遞到觀測站各控制點，采用單程雙轉(zhuǎn)點法進行高程誤差檢核，并構(gòu)建水準(zhǔn)監(jiān)測網(wǎng)，進而對采集的數(shù)據(jù)進行網(wǎng)平差計算。利用平差軟件（AdjustS）進行高程控制網(wǎng)平差解算，并將兩次獨立的高程全面觀測點位平差結(jié)果的平均值作為觀測站各個監(jiān)測點的初始高程值。

（2）平面全面觀測。將觀測站數(shù)十千米以外的高等級GPS控制點（D級GPS控制點）與觀測站設(shè)計的控制點組成平面坐標(biāo)聯(lián)測點。根據(jù)高等級GPS控制點的點位分布情況設(shè)計平面觀測網(wǎng)，采用靜態(tài)測量方法采集平面全面觀測數(shù)據(jù)。對于平面觀測原始數(shù)據(jù)，利用中海達HGO軟件進行基線解算后，再利用最小二乘方法進行坐標(biāo)聯(lián)測點之間的兼容性估計［13］，結(jié)果顯示，各聯(lián)測點均通過了顯著性檢驗。在此基礎(chǔ)上，對解算結(jié)果進行空間約束和空間無約束平差，求解坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)，進而獲得精確的觀測站控制點平面坐標(biāo)，為后續(xù)日常平面觀測提供等級坐標(biāo)和參數(shù)基礎(chǔ)。

本研究采用虛擬CORS參考站技術(shù)結(jié)合三腳架固定對中桿法［5］進行多次觀測，并計算坐標(biāo)平均值作為測站各監(jiān)測點的初始坐標(biāo)。

3.1.2 日常觀測數(shù)據(jù)采集

日常觀測中的水準(zhǔn)測量采用三等水準(zhǔn)，以確保所采集的高程數(shù)據(jù)精度，并對重復(fù)采動過程中出現(xiàn)的地表裂縫進行了現(xiàn)場調(diào)查和實測。

3.2 裂縫動態(tài)發(fā)育規(guī)律實測數(shù)據(jù)分析

3.2.1 裂縫發(fā)育情況現(xiàn)場調(diào)查

3.2.1.1 第1階段調(diào)查與實測

由于11123工作面正上方地表出現(xiàn)了大量積水，無法對完整工作面的地面裂縫和隆起現(xiàn)象進行調(diào)查。故選取11123工作面觀測站3號傾向觀測線上MS44監(jiān)測點到MS59監(jiān)測點之間地帶進行分析。通過現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，11123工作面觀測站3號傾向觀測線2019年4月26日監(jiān)測點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)育長度和寬度信息。根據(jù)文獻［21-22］的地裂縫現(xiàn)場實測方法，考慮到石灰漿容易滲透到表土層中，易造成測量誤差，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，再進行開挖實測。

3.2.1.2 第2階段調(diào)查與實測

隨著工作面繼續(xù)推進，于2019年6月26日，對現(xiàn)場裂縫進行了第2次調(diào)查和裂縫發(fā)育情況實測。第1條裂縫長度為30.1 m，平行于工作面并經(jīng)過3號傾向觀測線MS56監(jiān)測點，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方向一致方向上的3條裂縫分支，呈現(xiàn)一定弧度，長度分別為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)測點北側(cè)15.3 m，裂縫長度為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)場發(fā)育特征如圖2所示。

3.2.1.3 第3階段調(diào)查與實測

2019年11月20日，本研究對11123工作面3號傾向觀測線地表裂縫進行了第3次調(diào)查，并進行了裂縫發(fā)育情況實測。此時，只剩下平行于工作面經(jīng)過MS56監(jiān)測點的第1條裂縫，該裂縫長度繼續(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)了裂縫臺階，落差為2～3 cm。MS56點與MS59點之間的其他裂縫都已經(jīng)閉合（圖3）。

3.2.2 拐點位置移動分析裂縫發(fā)育

拐點是地表移動盆地的特征點之一，是內(nèi)外邊緣區(qū)分界點，也是拉伸區(qū)和壓縮區(qū)分界點。本研究通過分析拐點移動特征來驗證裂縫的動態(tài)發(fā)育規(guī)律。根據(jù)11123工作面觀測站實測數(shù)據(jù)分別計算了3號傾向觀測線各監(jiān)測點的傾斜變形和曲率變形，并繪制了裂縫發(fā)育期間3號傾向觀測線的變形曲線，如圖4所示。根據(jù)傾斜變形最大的點和曲率變形在達到最大值后降為0的點綜合確定拐點位置，分析從裂縫出現(xiàn)到閉合期間3號傾向觀測線的拐點移動情況，從而動態(tài)分析裂縫的移動和發(fā)育特征。

結(jié)合11123工作面開采進度（圖1）和圖4可知：2019年3月21日—2019年4月26日，3號觀測線拐點位于MS58～MS59點之間，說明MS59點以南區(qū)域為拉伸區(qū)；2019年4月27日—2019年7月26日，3號傾向觀測線拐點逐漸移動到MS57～MS58點之間，說明MS58點以南區(qū)域為拉伸區(qū)；隨著工作面進一步推進，采空區(qū)變大以及多個正斷層和逆斷層受采動影響，導(dǎo)致覆巖運動損傷加劇，使得地表裂縫進一步發(fā)育，2019年7月27日—2019年10月23日，3號傾向觀測線拐點逐漸移動到MS57點，說明原先MS57～MS59點之間的拉伸區(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號傾向觀測線拐點逐漸移動到MS56點附近，說明原先MS56～MS59點之間的拉伸區(qū)已全部轉(zhuǎn)變?yōu)閴嚎s區(qū)。3號傾向觀測線的拐點移動規(guī)律與11123工作面地表拉伸—壓縮變形分區(qū)較為吻合，同時驗證了3號傾向觀測線上裂縫的動態(tài)發(fā)育規(guī)律。

4 結(jié)論

（1）綜合11123工作面重復(fù)采動地質(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觀測站，為類似開采條件和地表地形環(huán)境的礦區(qū)工作面地表觀測站設(shè)計提供了參考，同時為研究重復(fù)采動條件下地表移動變形規(guī)律提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源。

（2）對前人裂縫深度實測方法進行了改進，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量誤差。

（3）綜合11123工作面3號傾向觀測線的傾斜變形曲線特征點（傾斜變形最大點）和曲率變形特征點（曲率變形達到最大值后降為0的點），確定了拐點位置。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，拐點位置經(jīng)歷了由最初位于MS58～MS59點之間移動到MS57～MS58點之間，隨后移動到MS57點，最后拐點停留在MS56點，說明過MS56點作平行于工作面的直線，以南區(qū)域為拉伸區(qū)，以北至工作面下山開采邊界區(qū)域為先拉伸后壓縮區(qū)。結(jié)合3個階段現(xiàn)場調(diào)查和實測的3號線附近裂縫發(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)育是一個從產(chǎn)生到發(fā)育再到閉合的動態(tài)演變過程。