厚松散層底含直覆薄基巖開采地表沉陷預(yù)計(jì)及特征研究

彭世龍，程 樺，姚直書，榮傳新，蔡海兵，張亮亮

(1.安徽建筑大學(xué) 建筑結(jié)構(gòu)與地下工程安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230601；2.安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001；3.安徽省礦山生態(tài)修復(fù)工程實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230601)

近年來，隨著我國煤炭資源逐步進(jìn)入深部開采，兩淮及巨野等礦區(qū)相繼出現(xiàn)厚松散層薄基巖賦存條件煤炭開采礦井[1-3]。大量觀測資料表明[4-7]，該類地層采煤活動引起的地表下沉系數(shù)明顯偏大，部分采區(qū)甚至出現(xiàn)大于1的情況，且地表沉陷和水平移動范圍相對采區(qū)延伸較遠(yuǎn)。按照常規(guī)開采沉陷理論已無法對此現(xiàn)象進(jìn)行合理解釋。如山東巨野礦區(qū)某礦厚松散層(500 m以深)薄基巖地層井筒出現(xiàn)井筒偏斜與豎向壓縮變形共存的新破損形態(tài)，嚴(yán)重威脅礦井安全生產(chǎn)[8-13]。按現(xiàn)行《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》[14](2017版)計(jì)算，開采沉陷對其并沒影響，無法解釋造成井筒偏斜的機(jī)理與原因。

國內(nèi)學(xué)者針對厚松散層薄基巖下采煤活動造成的覆巖移動方面開展了一些研究。趙啟峰等[15]根據(jù)巖層移動分層傳遞觀點(diǎn)，結(jié)合厚松散層下開采地表移動特征，建立了厚松散層下煤層開采沉陷預(yù)測模型；許延春等[16]通過離散元模擬了不同采礦條件和不同松散層條件下厚松散層、地表移動變形特征；王金莊等[17-18]以邢臺礦區(qū)東龐礦實(shí)測資料為基礎(chǔ)，闡述了地表下沉系數(shù)偏大和地表移動劇烈等問題，并提出了巨厚松散層下開采的雙層介質(zhì)模型；韓奎峰等[19]以淮南新礦區(qū)地表移動觀測資料為基礎(chǔ)，揭示了概率積分法在厚沖積層礦區(qū)應(yīng)用的主要缺陷，提出了概率積分法預(yù)計(jì)模型的修正方法；李德海等[20]根據(jù)豫東永夏礦區(qū)的實(shí)測資料，分析了巨厚松散層下開采引起的地表移動特征，闡述了地表采動穩(wěn)定的判別方法及預(yù)計(jì)的雙重介質(zhì)模型，得出了厚松散層下開采的地表移動參數(shù)與松散層厚度的定量關(guān)系以及地表移動期的量化特征。上述研究雖在一定程度上注意到厚松散層移動變形特征，提出了多種地表沉陷預(yù)計(jì)方法，但未考慮厚松散層底部含水層(以下簡稱“底含”)直接覆蓋于(以下簡稱“直覆”)薄基巖條件開采疏水沉陷變形中的水土耦合作用，無法深刻揭示該類特殊地層下開采地表沉陷規(guī)律。

在開采引起松散層疏水沉降研究方面，國內(nèi)學(xué)者姜巖[21]、劉寶琛[22]、施成華等[23-24]，分別對抽取地下水引起的地層疏水沉降、露天礦開挖引起的邊坡疏水沉降、基坑和隧道開挖引起的地層疏水問題進(jìn)行了大量研究；狄乾生等[25]總結(jié)了礦區(qū)厚含水松散層下開采引起飽和土體固結(jié)變形的原因和因素，土體在應(yīng)力、變形變化情況下超靜孔隙水壓力的消散問題；陳允芳[26]在煤礦開采沉陷研究中考慮了地層疏水作用，并提出了采煤與地下水疏降共同作用下的地表沉陷計(jì)算模型與控制理論，但上述研究中所考慮的地層疏水沉降多限于淺部潛水地層疏水，對深部高承壓水的疏水沉降研究較少[27-28]。

綜上可見，針對厚松散層薄基巖且底部含水層直覆基巖開采條件，分析開采引起的底含疏水與固結(jié)受力變形機(jī)制，構(gòu)建厚松散層薄基巖開采地表沉陷預(yù)計(jì)模型，開展厚松散層底部承壓含水層滲流-力場耦合作用下，開采工作面覆巖移動與底含疏水固結(jié)沉降雙介質(zhì)上覆地層沉降移動規(guī)律研究，對科學(xué)留設(shè)類似條件工廣保護(hù)煤柱，確保工廣立井井筒與建筑(構(gòu))物安全，具有重要理論意義與應(yīng)用價(jià)值。

1 厚松散層底含直覆薄基巖開采地表沉陷預(yù)計(jì)模型

1.1 厚松散層底含直覆薄基巖開采覆巖移動機(jī)理

理論研究和生產(chǎn)實(shí)踐表明，煤層開采引起的地表沉陷是一個極其復(fù)雜的地層移動過程，主要取決于煤層厚度、開采方式、上覆巖層特性等條件。對于薄松散層條件開采，地表沉陷主要由工作面上覆基巖移動造成，可視為單一介質(zhì)開采沉陷問題，煤層開采引起的上覆基巖移動是地表沉陷的惟一控制源函數(shù)。

厚松散層底含直覆薄基巖條件煤層開采，底含承壓水易通過斷層、原(次)生裂隙向采空區(qū)上覆巖層中離層空間或井下疏排，形成以采空區(qū)為中心的水位降落漏斗，進(jìn)而導(dǎo)致厚松散層底含發(fā)生壓縮沉降。因此，該類條件下的地表沉降，是采區(qū)覆巖移動和厚松散層底含疏水固結(jié)沉降共同作用的結(jié)果，也是其主控源函數(shù)的最主要的2個影響因素(圖1)。

圖1 厚松散層底含直覆薄基巖開采覆巖移動機(jī)理示意Fig.1 Schematic diagram of overburden movement mechanism in mining when the bottom aquifer of thick loose layer directly covers thin bedrock

1.2 基本假設(shè)

為建立該地質(zhì)條件下開采沉陷預(yù)計(jì)模型，將厚松散層薄基巖開采地表沉陷模型分為煤層開采沉陷和底含水疏降固結(jié)沉陷2部分，并作出如下假設(shè)：

(1)煤層開采滿足傳統(tǒng)概率積分法沉陷模型；

(2)底含為水平均質(zhì)、各向同性的固液兩相隨機(jī)介質(zhì)，疏降造成的孔隙壓縮僅沿z向發(fā)生；

(3)地表沉降與底含降落漏斗、單獨(dú)采煤作用地層下沉中心在地表水平面投影重合。

1.3 采煤和底含疏降水共同作用地表沉陷預(yù)計(jì)模型

由模型基本假設(shè)，建立的厚松散層底含直覆薄基巖開采地表沉陷模型如圖2所示。選擇走向采空區(qū)中央正上方的地表點(diǎn)O作為橫坐標(biāo)軸x的原點(diǎn)，由原點(diǎn)沿水平面指向煤層走向方向?yàn)閤軸正向；地表橫坐標(biāo)為x的任意點(diǎn)下沉量W(x)和水平移動量U(x)分別由原點(diǎn)O豎直向下和豎直向上。

Wc(x)，Ww(x)分別為采煤和底含疏降水時(shí)的地表下沉量圖2 采煤與底含疏降水共同作用地表沉陷模型Fig.2 Surface subsidence model under combined action of coal mining and dewatering of bottom aquifer

同時(shí)，分別設(shè)置一個煤層坐標(biāo)系統(tǒng)和底含疏水固結(jié)坐標(biāo)系統(tǒng)，其坐標(biāo)原點(diǎn)分別在走向采空區(qū)底板中點(diǎn)O2和走向采空區(qū)底板中點(diǎn)正上方的厚松散層底含底部O1，橫坐標(biāo)ξ1和ξ2與x軸方向相同，縱坐標(biāo)η1和η2豎直向上，3個坐標(biāo)系統(tǒng)的比例尺相同，相應(yīng)三維坐標(biāo)系統(tǒng)與圖2坐標(biāo)系符合右手定則。由此，采煤和底含承壓水疏降引起的地表沉陷為2個沉陷事件線性疊加的結(jié)果，即

(1)

2 地表沉陷預(yù)計(jì)模型求解

2.1 底含疏水固結(jié)引起的地表移動及變形求解

2.1.1 底含疏水固結(jié)沉降機(jī)理

底含承壓水發(fā)生疏降后，底含中原先由孔隙承壓水所分擔(dān)的應(yīng)力向固相土粒轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致有效應(yīng)力增加，底含發(fā)生固結(jié)壓密。由于底含在疏水范圍內(nèi)不同位置處的水頭下降不同，其孔壓消散速度和消散量各異，進(jìn)而引起上覆松散層發(fā)生非均勻沉降。

由工程滲流力學(xué)可知，底含水疏降引發(fā)的地表下沉量Ww(x)可表示為

(2)

式中，Qw(ξ1,η1)為底含下沉源函數(shù)；Fw(x,ξ1,η1)為下沉傳播分布函數(shù)；Ω1為底含水疏降區(qū)域；dS為面積積分符號。

2.1.2 底含疏水固結(jié)求解

由模型基本假設(shè)(2)，設(shè)(H-h)為疏水前底含土體中地下水水位(圖3)，其底含各點(diǎn)水頭均為h(以底含底部為水頭基準(zhǔn)面，并忽略地下水流動產(chǎn)生的流速水頭)，并將η1=M以上多層含、隔水層松散層土體等效為均質(zhì)土體，η1=M以下為飽和承壓均質(zhì)土體。

圖3 底含疏水固結(jié)Fig.3 Drainage consolidation of bottom aquifer

考慮位于深度(H-η1)處的二維平面單元dξ1dη1，單元所受總應(yīng)力為p，內(nèi)部孔隙水壓力為pw，固相土粒間的有效應(yīng)力為σ，則底含疏水前各應(yīng)力表達(dá)式為

p=(H-M)γ0+(M-η1)γf

(3)

pw=(h-η1)γw

(4)

σ=(H-M)γ0+(M-η1)γf-(h-η1)γw

(5)

式中，γ0為底含上覆地層平均容重，kN/m3；γf為底含飽和土體容重，kN/m3；γw為孔隙水容重，kN/m3。

由土力學(xué)有效應(yīng)力基本原理可知，底含的壓縮變形與孔隙度的變化主要受有效應(yīng)力σ影響，pw屬于各向等壓應(yīng)力，當(dāng)p恒定時(shí)，pw的變化將直接引起σ的改變。若底含底部發(fā)生疏降水，水頭下降Δh，由于上覆總應(yīng)力保持恒定，孔隙水壓力降低的部分轉(zhuǎn)化為由固相土粒承擔(dān)，故有

p=(pw-Δhγw)+(σ+Δhγw)

(6)

由土的壓密系數(shù)公式和固結(jié)公式，可得位于深度(H-η1)處的二維平面單元dξ1dη1在Δσ作用下產(chǎn)生的微元固結(jié)壓縮量ds，其壓縮量函數(shù)即二維平面模型的下沉源函數(shù)Qw(ξ1,η1)，可表示為

(7)

式中，e0為底含初始孔隙比；Δe為底含孔隙比的變化；av為底含壓密系數(shù)。

當(dāng)Δσ相當(dāng)大時(shí)，壓密曲線e-lgσ近似為一直線，壓縮指數(shù)Cc可表示為

(8)

一般認(rèn)為，Cc≤0.2時(shí)為低壓縮土；0.2

因此下沉源函數(shù)Qw(ξ1,η1)可表示為

(9)

可寫成

Qw(ξ1,η1)=ds=C(η1)dη1

(10)

其中，

2.1.3 底含疏水固結(jié)引起的地表移動求解

圖4為煤層走向主斷面上覆厚松散層底含水疏降引起的地表沉降二維平面模型。由圖4可見，疏水前底含承壓水水位為(H-h)，疏水后水位下降Δh，其疏水后底含水水位曲線為f(ξ1)，影響半徑為Rw。

圖4 底含疏降引起的地表沉降模型Fig.4 Surface subsidence model caused by bottom aquifer dewatering

由模型基本假設(shè)(2)可知，底含疏水固結(jié)壓縮ds，可等效為深度(H-η1)處dξ1×ds(寬度×厚度)的煤層開采。由于底含及其上覆松散層滿足隨機(jī)介質(zhì)理論，在底含疏水固結(jié)壓縮ds的影響下，η1水平以上的地層將依次下沉，最終在地表形成單元下沉盆地Wwe(x)，由底含虛擬降落漏斗范圍內(nèi)疏水固結(jié)引起的地表下沉為底含不同位置處單元疏水固結(jié)壓縮下沉的傳播疊加。

根據(jù)隨機(jī)介質(zhì)理論，二維平面問題中底含單元疏水固結(jié)壓縮下沉引起的地表下沉即底含疏降水造成的地表下沉傳播分布函數(shù)，即

(11)

式中，r(η1)為η1水平上底含疏水固結(jié)對地表沉降的主要影響范圍。

(12)

式中，β1為底含疏水沉降的主要影響范圍角。

在底含頂部η1=M與底含底部η1=0之間的整個底含疏水影響半徑范圍±Rw內(nèi)，任何疏水固結(jié)單元均產(chǎn)生微小體積壓縮dξ1ds，由式(10)得

dξ1ds=C(η1)dξ1dη1

(13)

將底含虛擬降落漏斗范圍內(nèi)疏水引起的地層壓縮看作變厚開采，地表由于底含疏水固結(jié)產(chǎn)生的最終下沉量Ww(x)即上述微元體影響的疊加：

(14)

將式(10)～(13)代入式(14)，可得底含疏水引起的地表沉降為

(15)

圖4中底含疏水后水位降落漏斗分布特征曲線f(ξ1)一般可通過水文孔水位監(jiān)測或裘布依公式計(jì)算獲得。

根據(jù)采煤工作面上覆松散層水文觀測孔底含水位疏降規(guī)律，在實(shí)際應(yīng)用中可用分段函數(shù)代替疏水后底含水水位曲線f(ξ1)。其中，工作面正上方基巖頂面水頭下降相同，等效為一水平直線；工作面邊界±L/2至疏水影響邊界±Rw之間水頭線性降低，等效為一斜直線。這樣底含水頭下降分布就變成等腰梯形。故此可得到走向主斷面上各點(diǎn)的水頭下降值為

(16)

式中，Δhm為底含降落漏斗中心處最大水頭下降值。

綜合上述推導(dǎo)，可得底含走向主斷面疏降水造成的地表沉降最終表示為

Ww(x)=Ww1(x)+Ww2(x)+Ww3(x)

(17)

式中，

圖5 底含疏水沉降引起的地表三維沉降坐標(biāo)系Fig.5 Three dimensional coordinate system of surface subsidence caused by hydrophobic settlement of bottom aquifer

(18)

則底含η1水平處某一三維單元B(ξ1,ζ1,η1)的疏水固結(jié)引起地表任意點(diǎn)A(x,y)的下沉Wwe(x,y)可表示為

(19)

則在底含頂部η1=M與底含底部η1=0之間的整個底含疏水影響半徑范圍±Rw內(nèi)，任何疏水固結(jié)單元均產(chǎn)生微小體積壓縮dξ1dζ1ds，地表因底含疏水產(chǎn)生的最終下沉量Ww(x,y)即上述微元體影響的疊加：

(20)

將微元固結(jié)壓縮量ds=C(η1)dη1代入式(20)，即可得到地表任意點(diǎn)因底含疏水產(chǎn)生的最終沉降表達(dá)式：

(21)

2.2 采煤引起的厚松散層薄基巖沉降計(jì)算

由文獻(xiàn)[29]，二維情況下單元煤層開采引起地表任意點(diǎn)A(x,y)的下沉Wce(x)為

(22)

式中，r為煤層開采沉陷主要開采影響半徑。

同樣，將二維坐標(biāo)系統(tǒng)擴(kuò)展為三維坐標(biāo)系統(tǒng)，若煤層是水平的，煤層坐標(biāo)系ξ，o2，ζ和地表坐標(biāo)系x，o，y水平投影重合，則單元煤層B(ξ,ζ)的開采引起地表任意點(diǎn)A(x,y)的下沉Wce(x,y)為

(23)

在傾斜煤層中，煤層頂板最大下沉量為W0=mqcosα，即采厚按照W0計(jì)算，則在整個開采范圍Ω內(nèi)采煤引起地表A(x,y)點(diǎn)的下沉為

(24)

3 模型驗(yàn)證

3.1 工程背景

以郭屯煤礦1301，1303，1305工作面為工程背景，驗(yàn)證上節(jié)提出的采煤和底含疏降水共同作用地表沉陷預(yù)計(jì)模型的正確性。該礦上述3個工作面上覆新生界第三系和第四系松散層平均厚度585 m左右，基巖段以泥巖、粉砂巖為主，平均厚度260 m，屬典型厚松散層薄基巖地質(zhì)條件。區(qū)域內(nèi)新生界含水層自上而下分為3個含水層(組)和2個隔水層(組)。第三含水層又稱“底含”，其厚度為35～120 m(圖6)。

(1)僅使用基本的角點(diǎn)探測器是不夠的。例如,與圖像之間的跟蹤和匹配相比,角點(diǎn)的“種類”并不是很重要,對角點(diǎn)探測器影響較大的因素主要由建筑物的邊緣形狀和紋理角。

圖6 郭屯煤礦松散層底含厚度[30]Fig.6 Bottom aquifer thickness of loose layer in Guotun Coal Mine[30]

該底含下部無隔水層，直接覆蓋在基巖風(fēng)氧化帶之上，底含與二疊系石盒子組砂巖裂隙含水層存在水力聯(lián)系，為基巖裂隙含水層的主要補(bǔ)給水源[10]。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，郭屯煤礦自建井至2016年7月，礦井水疏放量從50 ～ 60 m3/h 增至500 ～ 600 m3/h；至2017年底，底含水位已由-6.35 m降至-203.45 m(圖7)。該礦在多個采煤工作面上方地表共建立了15條觀測線。其中，觀測線中L線點(diǎn)L1～L70橫跨1301，1303，1305，1307工作面，從2012年1月14日開始沉降監(jiān)測到2015年10月20日，獲取了1301，1303，1305工作面接近充分采動引起的地表動態(tài)沉陷數(shù)據(jù)，其開采情況見表1、圖8。

圖8 L線監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)示意Fig.8 Layout of L-line monitoring points

表1 1301，1303，1305工作面開采情況Table 1 Mining conditions of working faces 1301,1303 and 1305

圖7 礦區(qū)涌水量統(tǒng)計(jì)柱狀圖Fig.7 Statistical column chart of water inflow in mining area

根據(jù)1301，1303，1305工作面上覆地層鉆孔資料、水文孔監(jiān)測數(shù)據(jù)及首采1302工作面開采沉陷預(yù)計(jì)參數(shù)反演結(jié)果，可得3個工作面開采及其上覆底含疏水沉降綜合計(jì)算參數(shù)：煤層平均厚度3.02 m，開采深度840 m，上覆松散層厚度587.4 m，底含厚45.4 m，工作面沿測點(diǎn)L1～L63(傾向)長644 m；煤層開采下沉系數(shù)q=0.8，主要影響角正切tanβ=2.5；底含水疏降前水位為-300 m，疏水固結(jié)主要影響角正切tanβ1=1，初始孔隙比e0=0.55，底含承壓水以上土體平均容重γ0=17 kN/m3，底含承壓水中飽和土體容重γf=19 kN/m3，孔隙水容重γw=9.81 kN/m3。

3.2 模型驗(yàn)證

為簡化計(jì)算，將1301，1303，1305三個工作面開采對底含疏水影響效應(yīng)簡化為一個等效降落漏斗。根據(jù)該礦及其鄰近類似礦井底含疏水資料，取底含疏水影響半徑Rw=1 000 m，工作面上覆底含最大水頭下降值Δhm=100 m，綜合走向長取600 m，可得底含主斷面上疏水影響半徑內(nèi)各點(diǎn)的水頭下降值為

(25)

根據(jù)上述參數(shù)及本文推導(dǎo)的地表沉陷預(yù)計(jì)模型，采用Matlab數(shù)值計(jì)算軟件編程計(jì)算，可得該礦1301，1303，1305工作面開采及其上覆底含疏水固結(jié)共同作用下沿煤層傾向地表沉陷結(jié)果，如圖9所示。

圖9 地表沉陷實(shí)測值與本模型理論值對比Fig.9 Comparison between the measured value of surface subsidence and the theoretical value calculated by this model

由表2可知，本文推導(dǎo)的地表沉陷預(yù)計(jì)模型理論計(jì)算所得地表最大下沉量、下沉系數(shù)、地表下沉100 mm的邊界點(diǎn)距離分別為3.35，1.109，961.4 m；與實(shí)測值相對誤差分別為2.3%，0.09%，5.6%。由圖10可見，采用采煤與疏水共同作用的煤層開采地表沉陷預(yù)計(jì)模型計(jì)算繪制的沉陷曲線與實(shí)測資料高度吻合，由此驗(yàn)證了第2節(jié)提出的預(yù)計(jì)模型的正確性。

表2 地表沉陷實(shí)測值與本模型理論值對比結(jié)果Table 2 Comparison results between the measured value of surface subsidence and the theoretical value calculated by this model

圖10 采煤和底含疏降水共同作用地表沉陷特征曲線Fig.10 Characteristic curve of surface subsidence under combined action of coal mining and dewatering of bottom aquifer

4 討 論

以郭屯礦為案例，采用第1節(jié)提出的采煤和底含疏降水共同作用地表沉陷預(yù)計(jì)模型，分析采煤和底含疏降水共同作用地表沉陷特征及其主要影響因素。

4.1 沉降特征

分析圖10底含水位疏降100 m時(shí)采區(qū)傾向和走向地表沉陷特征曲線可知，厚松散層薄基巖且“底含”直覆基巖條件下，采煤和底含疏降水共同作用地表沉陷特征與單獨(dú)開采沉降有較大區(qū)別。

底含疏水沉降后，地表下沉盆地中心處沉降量顯著增加，導(dǎo)致下沉系數(shù)大于1，且地表下沉10 mm邊界點(diǎn)明顯向采區(qū)外側(cè)延伸。

以采區(qū)走向充分開采沉陷為例，單獨(dú)煤層開采產(chǎn)生的地表沉陷曲線呈典型“小開口盆地”型。由于底含的疏水固結(jié)作用，增加了盆地中心位置的地表下沉量，減緩了盆地邊緣的收斂速度，使得采煤與疏水共同作用下地表下沉盆地呈明顯“中間小開口深，兩側(cè)大開口淺盆地”復(fù)合型特征，下稱“復(fù)合盆地”。究其原因，厚松散層薄基巖底含疏水固結(jié)沉降，一方面加大了沉陷盆地中部的沉降量，另一方面也大幅增加了地表下沉和水平移動范圍。

圖11 地表移動盆地邊界角Fig.11 Boundary angle of ground subsidence trough

(26)

式中，r1為采煤作用地表沉陷范圍；Hbr為基巖層厚度；δ0為采煤作用地表移動盆地邊界角，其值一般大于45°[14]。

由圖11可得，受底含疏水固結(jié)沉降作用，地表移動范圍顯著增加，下沉盆地邊緣收斂速度降低，疏水沉降盆地邊界角δ1為

(27)

其中，r2為開采與底含疏水共同作用地表沉陷范圍。由圖10可知，采煤和底含疏降水共同作用地表沉陷范圍常與底含疏水沉陷范圍相近，據(jù)此，共同作用下地表移動盆地邊界角δ滿足：

(28)

分析可得，該工況下單獨(dú)煤層開采時(shí)地表移動盆地邊界角δ0=66.9°，共同作用下邊界角δ=39.7°，底含疏水固結(jié)作用大幅增加了地表下沉范圍。

4.2 主要影響因素

為探討該模型參數(shù)體系下厚松散層底含疏水對地表沉陷變形的影響，以采區(qū)走向充分開采沉陷為例，分別對底含最大水頭下降值Δhm、疏水影響半徑Rw和底含厚度M三個因素在不同工況下分析底含疏水對地表沉陷變形的影響。

4.2.1 底含水位下降

最大水頭下降值Δhm分別取5，10，20，30，40，50，100 m時(shí)地表沉陷特征曲線，如圖12所示。

圖12 地表沉陷與最大水頭下降值的關(guān)系Fig.12 Relationship between surface subsidence and maximum waterhead drop value

由圖12分析可知，Rw和M恒定時(shí)，Δhm主要影響地表沉陷程度，地表下沉10 mm的邊界點(diǎn)向采區(qū)外側(cè)延伸不明顯。隨著Δhm增加，底含疏水作用產(chǎn)生的地表“大開口盆地”型沉陷曲線逐漸由“大開口淺盆地”型演化為“大開口深盆地”型，其開口尺寸變化較小，“盆地”型深度逐漸增加；采煤與疏水共同作用下地表沉陷曲線形態(tài)逐漸由“淺復(fù)合盆地”型演化為“深復(fù)合盆地”型。

具體的，疏水作用產(chǎn)生的地表最大下沉量以及共同作用下最大下沉量均與Δhm呈較高線性增長關(guān)系(R2>0.999)，表明開采工作面上覆底含水頭下降程度直接影響地表最大下沉量。

底含水頭下降100 m引起地表附加下沉0.611 m，導(dǎo)致地表最大下沉量增加近21.7%，顯著增大了地表下沉變形量。Rw=1 000 m時(shí)，共同作用下的地表下沉邊界與單獨(dú)疏水作用下的地表下沉邊界相同，其值隨Δhm近似滿足對數(shù)增長規(guī)律(R2>0.97)，底含疏水增加了地表下沉范圍，但最大水頭下降值Δhm的增加對地表下沉范圍的增加影響較小，如圖13所示。

圖13 地表沉陷與最大水頭下降值的關(guān)系曲線Fig.13 Relationship curve between surface subsidence and maximum waterhead drop value

4.2.2 底含疏水影響半徑

底含疏水影響半徑Rw分別取1 200，1 400，1 600，1 800，2 000 m，可得不同Rw時(shí)地表沉陷特征曲線，如圖14所示。

由圖14分析可知，M和Δhm恒定時(shí)，Rw主要影響地表沉陷范圍，地表最大下沉量保持不變。隨著Rw增加，底含疏水作用產(chǎn)生的地表“盆地”型沉陷曲線開口尺寸不斷增加，而“盆地”型深度不變，其形態(tài)逐漸由“小開口淺盆地”型演化為“大開口淺盆地”型；采煤與疏水共同作用下地表沉陷曲線形態(tài)逐漸由“小開口深復(fù)合盆地”型演化為“大開口深復(fù)合盆地”型，表現(xiàn)為地表最大下沉量保持不變，而其下沉10 mm的邊界點(diǎn)向采區(qū)外側(cè)急劇延伸。

圖14 地表沉陷與疏水影響半徑的關(guān)系Fig.14 Relationship between surface subsidence and hydrophobic influence radius

具體的，當(dāng)Rw=1 000 m時(shí)，地表下沉邊界受底含疏水和采煤共同影響；當(dāng)Rw>1 200 m時(shí)，地表下沉邊界僅受底含疏水影響，其下沉邊界與底含疏水引起的地表下沉邊界相同，且其值隨Rw呈線性增長關(guān)系。當(dāng)Rw=0(底含不疏水)時(shí)，地表下沉10 mm邊界為1 359 m；當(dāng)Rw=1 000 m時(shí)，下沉邊界增加至1 485 m；當(dāng)Rw=2 000 m時(shí)，增加至2 248 m，相對Rw=0時(shí)增加了65.4%，相對于Rw=1 000 m時(shí)增加了51.4%，表明底含疏水增加了地表下沉范圍，且隨著Rw增加而急劇增加。在厚松散層底含疏水作用下，地表沉陷范圍遠(yuǎn)大于一般單獨(dú)采煤地表沉陷范圍(圖15)。

圖15 地表沉陷與疏水影響半徑的關(guān)系曲線Fig.15 Relationship curves between surface subsidence and hydrophobic influence radius

4.2.3 底含厚度

底含厚度M分別取20，40，60，80，100 m，可得不同M時(shí)地表沉陷特征，如圖16所示。

圖16 地表沉陷與底含厚度的關(guān)系Fig.16 Relationship between surface subsidence and bottom aquifer thickness

由圖16，17分析可知，Rw和Δhm恒定時(shí)，底含厚度M對地表沉陷的影響規(guī)律與Δhm對地表沉陷的影響規(guī)律相似，M主要影響地表沉陷程度，地表下沉10 mm的邊界點(diǎn)向采區(qū)外側(cè)延伸不明顯。隨著M增加，底含疏水作用產(chǎn)生的地表“大開口盆地”型沉陷曲線逐漸由“大開口淺盆地”型演化為“大開口深盆地”型，其開口尺寸變化較小，“盆地”型深度逐漸增加；采煤與疏水共同作用下地表沉陷曲線形態(tài)逐漸由“淺復(fù)合盆地”型演化為“深復(fù)合盆地”型。

圖17 地表沉陷與底含厚度的關(guān)系曲線Fig.17 Relationship curve between surface subsidence and bottom aquifer thickness

4.3 厚松散層地表沉陷模型適用性分析

我國目前大多數(shù)礦區(qū)均采用由劉寶琛、廖國華教授在J·李特威尼申提出的隨機(jī)介質(zhì)理論基礎(chǔ)上建立的概率積分法來預(yù)計(jì)采動地表沉降，該預(yù)計(jì)模型因模型參數(shù)易確定、預(yù)測精度高和能與計(jì)算機(jī)編程軟件有機(jī)結(jié)合等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用，但隨著我國淺部煤炭資源逐漸枯竭，開采逐漸向深部進(jìn)行，該模型預(yù)測精度及實(shí)用性逐漸降低。究其原因，是由于概率積分法將上覆松散層和基巖層視為同一介質(zhì)，不能考慮2種介質(zhì)物理力學(xué)參數(shù)差異，致使預(yù)測值和實(shí)際監(jiān)測值之間出現(xiàn)誤差，當(dāng)松散層厚度逐漸增大時(shí)，這種誤差也被放大，尤其是厚松散層開采地表沉降盆地邊緣區(qū)域的預(yù)測精度差。因此，傳統(tǒng)概率積分法主要適用于薄(無)松散層厚基巖地質(zhì)條件下的采動地表沉陷預(yù)計(jì)。

針對厚松散層采動地表沉陷預(yù)計(jì)問題，國內(nèi)外專家學(xué)者在傳統(tǒng)概率積分法基礎(chǔ)上，提出了改進(jìn)的預(yù)計(jì)模型，主要有基于巖層控制關(guān)鍵層理論的“類雙曲線”移動模型[31]、上位松散層隨機(jī)介質(zhì)—下位基巖均質(zhì)連續(xù)各向同性彈性體(梁彎曲)的雙層介質(zhì)力學(xué)模型[17，32]、基于關(guān)鍵層托板理論的上位巖土層—巨厚松散層的隨機(jī)介質(zhì)和下位巖層—關(guān)鍵層層狀介質(zhì)的復(fù)合介質(zhì)模型[33]、上部松散隨機(jī)介質(zhì)—中部彈性薄板—下部離散介質(zhì)的復(fù)合介質(zhì)耦合模型[34]等，這類模型綜合考慮了松散層和基巖層之間力學(xué)特性、變形特性及地層厚度的差異，并將兩者視為不同的介質(zhì)，同時(shí)考慮了關(guān)鍵層對地表沉降的影響，針對厚松散層采動地表沉陷預(yù)測精度相對于傳統(tǒng)概率積分法有了較大提高。但由于改進(jìn)的預(yù)計(jì)模型主要是從力學(xué)角度建立的，尚未考慮松散層底部含水層疏水固結(jié)影響，因此針對厚松散層底含直覆薄基巖采動條件下的地表沉降預(yù)計(jì)，上述模型的適用性需進(jìn)一步研究探討。鑒于此，筆者綜合考慮煤層開采和底含疏水固結(jié)對地層移動變形的綜合影響，根據(jù)疊加原理建立厚松散層底含直覆薄基巖采動地表沉降預(yù)計(jì)模型，在沉陷盆地中部及邊緣區(qū)域預(yù)測精度均得到較大提升，且模型適用性更加廣泛。

5 結(jié) 論

(1)厚松散層底含直覆薄基巖條件下，開采產(chǎn)生的裂隙帶會波及至松散層與基巖交界面，形成底含疏水通道，引發(fā)其疏水固結(jié)沉降。針對該類地質(zhì)條件，提出的開采沉陷預(yù)計(jì)模型考慮了松散層底含疏水固結(jié)沉降對開采沉陷特征的重要影響，并得到工程驗(yàn)證。

(2)由于厚松散層薄基巖底含疏水固結(jié)沉降作用，加大了沉陷盆地中部的沉降量，大幅增加了地表下沉和水平移動的范圍，出現(xiàn)下沉系數(shù)大于1，且地表下沉10 mm邊界點(diǎn)明顯向采區(qū)外側(cè)延伸現(xiàn)象。其地表沉陷曲線呈“中間小開口深盆地，兩側(cè)大開口淺盆地”型。

(3)采區(qū)走向充分開采沉陷時(shí)，最大水頭下降值Δhm與地表最大下沉量呈正相關(guān)，但對沉陷范圍影響較?。坏缀杷绊懓霃絉w主要影響地表沉陷范圍，對地表最大下沉量無影響；底含厚度M主要影響地表沉陷程度，對沉陷范圍影響不大。

(4)厚松散層底含直覆薄基巖條件下，煤層開采易發(fā)生“底含”疏水固結(jié)沉降，大幅加大地表沉降量和沉陷范圍。建議針對該類地層，適時(shí)修改現(xiàn)行的《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》(2017版)有關(guān)條款，以確保地面及工廣內(nèi)建(構(gòu))物，特別是井筒安全。