毛乌素沙漠区煤层开采地表移动变形规律研究

郭庆彪 郭广礼 陈龙浩 吕 鑫

(1.中国矿业大学环境与测绘学院，江苏 徐州 221008；2.国土环境与灾害监测国家测绘地理信息局重点实验室，江苏 徐州 221008；3.江苏省资源环境信息工程重点实验室，江苏 徐州 221008)

毛乌素沙漠区煤层开采地表移动变形规律研究

郭庆彪1,2,3郭广礼1,2,3陈龙浩1,2,3吕 鑫1,2,3

(1.中国矿业大学环境与测绘学院，江苏 徐州 221008；2.国土环境与灾害监测国家测绘地理信息局重点实验室，江苏 徐州 221008；3.江苏省资源环境信息工程重点实验室，江苏 徐州 221008)

我国西部矿区生态脆弱，煤炭资源开采引起的地表移动变形是破坏生态环境的重要因素。为了研究毛乌素沙漠矿区采煤引起的地表移动变形规律，在某矿首采面上方建立了地表移动观测站，利用球心空间拟合RTK测量技术进行了地表移动变形定期监测。通过对实测数据进行分析，得到了以下结论：①地表移动过程是连续渐变的，地表移动盆地边界角为58°，移动角为63°，裂缝角为79°；②地表下沉速度快，实测最大下沉速为110 mm/d，最大下沉速度系数为3.14，明显大于我国东部矿区类似深厚比条件下中厚煤层综采的下沉速度；③地表楔形裂缝发育，主要位于采区边界和工作面前方，拐角处呈现弧形状态；④地表移动分布规律基本符合概率积分法模型，利用遗传算法反演得到了概率积分法模型参数。上述研究成果将为类似矿区合理留设各类保护煤柱、地表沉陷预测以及设计“三下”采煤方案提供参考。

毛乌素沙漠区 开采沉陷 移动变形规律 球心空间拟合RTK测量技术

我国西部地区生态环境脆弱，采煤引起的地表移动变形无疑使得原本脆弱的生态环境雪上加霜，研究区域地处毛乌素沙漠内，位于陕西省榆林地区和内蒙古自治区鄂尔多斯市之间，毛乌素沙漠矿区地表在天然状态下为松散状态，具有透水性强，抗拉、压强度低等特点[1-2]，煤炭资源综放开采势必引起该区地表产生剧烈的移动变形，容易衍生地裂缝、损毁建(构)筑物等二次灾害，弱化矿区周边生态环境[3-7]。本文依据某矿首采面地表实测数据，研究了毛乌素沙漠区采煤引起的地表移动变形的动、静态规律，得到了该区采煤地裂缝的发育规律，并基于遗传算法获得了概率积分法模型预计参数。

1 地质采矿条件

研究区位于毛乌素沙漠地带，地表新月形沙丘遍布，地形有一定起伏，平均高程为1 215 m，低洼地段有积水。首采面位于井田首采区北翼东北部，工作面走向长度为2 438 m，倾向长度为250 m。工作面上覆地层自上而下依次为第四系、白垩系、侏罗系中统安定组、侏罗系中统直罗组、侏罗系中统延安组。开采煤层为延安组第四段下旋回顶部的2号煤层，煤层倾角约0.5°。煤质以不黏煤为主，次为长焰煤，个别弱黏煤，煤质变化小，煤层平均厚度约2.67 m，属稳定型中厚煤层，平均埋深350 m。采用走向长壁后退式综合机械化采煤工艺，全部垮落法管理顶板，推进速度为12 m/d。

2 观测站布设及监测方法

经实地踏勘，结合工作面上方地形特点和地物分布情况，实际布设的地表移动观测线为曲线状(沿路布设)，半条走向观测线和半条倾向，如图1所示，平均测点间距为25 m。利用球心空间拟合RTK测量技术进行定期监测，该技术可以避免出现对中杆倾斜引起的测量误差，提高RTK测量精度[8]。观测成果符合《煤矿测量规程》精度要求[9]，可靠性强。

图1 研究区地表移动观测站布设

3 地表移动变形规律研究

3.1 地表移动盆地特征及相关角量参数

通过对末期观测数据进行分析处理，得到了地表移动盆地特征，见图2、图3。

图2 走向观测线下沉和倾斜曲线

图3 倾向观测线下沉和倾斜曲线

基于最小二乘准则进行曲面拟合，得到采区地表局部三维下沉图，见图4，实测地表最大下沉值为1 019 mm，由于倾向方向开采尺寸较小，未达到充分采动，预计未来相邻工作面开采后地表最大下沉值将会进一步增加。地表倾斜从边界至拐点间渐增，拐点至采空区中央逐渐减小，拐点处达到最大，约为4 mm/m，如图2、图3所示；地表水平变形基本符合近水平煤层开采的一般规律：盆地边缘为拉伸区域，实测最大拉伸变形为3.4 mm/m，中央为压缩区域，实测最大压缩变形为7.3 mm/m，拐点处水平变形为0。但该区地表水平变形具有突变的特性(见图5)，水平变形达到最大值前，拉伸变形缓慢增加，增加幅值很小，几乎为0，而在接近煤壁上方时突变至最大，在拐点处又瞬间减小为0，而后呈现压缩变形。

利用图解法获取实测地表移动盆地边界角为58°、移动角为63°、裂缝角为79°，如图6、图7所示。其中裂缝角略大于相似深厚比条件下的东部矿区的裂缝角。考虑到采区高强度开采导致采动岩体裂隙发育以高度角为主[10]；加之毛乌素沙漠区地表呈天然松散状态，具有削弱地表水平移动、抑制水平变形传播、抗拉、压强度低等特点，从而导致该区采煤引起的水平变形具有突变性，且裂缝角略大。

图4 采区地表局部下沉示意

图5 倾向方向水平移动变形曲线

图6 地表移动盆地边界角示意

图7 地表移动盆地裂缝角示意

3.2 动态地表移动规律及参数分析

实测工作面推进过程中的地表移动超前影响距为110 m，超前影响角为72°。工作面推进到不同位置时走向观测线各测点的下沉速度分布情况见图8。

图8 工作面推进过程中的下沉速度曲线

由图8可知，工作面从A点(推进463 m)推进到B点(推进660 m)，采空区面积逐渐增大，地表各点的下沉速度逐渐增大，下沉速度曲线从曲线1变化为曲线2；当工作面由B点推至C点(推进700 m)时，地表下沉速度曲线形状基本不变，最大下沉速度也不再增大，且最大下沉速度点有规律地向前移动，表明此时工作面走向方向已达到充分采动，下沉速度曲线从曲线2变化至曲线3，最大下沉速度滞后角最终稳定在61°左右，实测地表最大下沉速度为110 mm/d，利用经验公式[11-12]，计算得最大下沉速度系数为3.14，明显大于类似深厚比条件下我国东部矿区中厚煤层综采的下沉速度[13-15]。

此外，影响工作面下沉速度的因素还有：①工作面推进速度过快，达12 m/d；②采区覆岩岩性偏软，具有含水层，开采扰动含水层致使潜水位下降，产生附加变形；③采区地表为毛乌素沙漠覆盖，在天然状态下为松散状态，具有工程性能差，承载力低，透水性强，抗拉、压强度低等特点。

3.3 地裂缝发育特征

首采面推进到475 m时，地表首次出现裂缝，此时地表裂缝处水平拉伸变形约为2.0 mm/m。裂缝主要发育在切眼和开采边界上方，拐角处呈弧形状态；推进过程中垂直于推进方向的裂缝逐渐消失，而平行于工作面顺槽方向的地裂缝延伸长度不断增大，最终表现为永久性裂缝，基本为楔形，开口宽度为2～4 cm，具体深度不详，符合水平煤层地裂缝发育的一般规律。同时毛乌素沙漠地区位于我国高纬度地区，采区的冻胀裂缝与采煤地裂缝相互联系，见图9。

3.4 概率积分法模型预计参数的确定

经过上述分析，毛乌素沙漠矿区中厚煤层综采条件下的地表移动变形分布规律基本符合概率积分法模型。利用遗传算法[16]对最终下沉和水平移动数据进行求解寻优，求取了概率积分法模型的预计参数，结果见表1。各测点实测下沉值与拟合下沉值对比见图10。

图9 地裂缝发育情况

表1 基于遗传算法反演的概率积分法预计参数

图10 地表观测点实测下沉值与拟合值对比

由图10可知，利用概率积分法预计的下沉值与实测地表下沉值变化趋势一致，最大差值为84 mm，位于盆地边界处，最小差值为1 mm，位移盆地中央，假定实测数据为真值，利用中误差公式，求得预计差值中误差为52 mm。综合考虑采区地质条件(平均煤厚为2.67 m，平均埋深为350 m，毛乌素沙漠地表工程性能差、抗拉、压强度低)和实际开采情况(走向长壁后退式综合机械化采煤工艺，全部垮落法管理顶板，推进速度为12 m/d，走向方向达到超充分采动)，该区煤层将导致地表产生较大地移动变形，即便上述最大预测差值达到84 mm，也仅相当于最大下沉值的5.4%，完全满足工程需求。

4 结 论

(1)对毛乌素矿区某矿首采面地表的实测数据分析结果表明：倾向方向未达到充分采动，实测地表最大下沉值为1 019 mm，利用图解法得到边界角为58°，移动角为63°，裂缝角为79°。其中裂缝角略大于相似深厚比条件下的东部矿区的地裂缝角。

(2)由于工作面推进速度过快，加之采区特有的地质采矿条件，地表最大下沉速度为110 mm/d，最大下沉速度系数为3.14，明显大于类似深厚比条件下我国东部矿区中厚煤层综采的下沉速度。

(3)利用遗传算法反演得到概率积分法预计参数：下沉系数为0.58，水平移动系数为0.3，拐点偏移距为45 m，主要影响角正切值为1.6，开采影响传播角为90°。预计相邻多个工作面开采后，高位厚硬岩层弯曲变形将进一步增加，现有的水平离层裂隙将闭合、压密，下沉系数将有可能增大。

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(责任编辑 王小兵)

ResearchonSurfaceMovementandDeformationLawofCoalSeamMininginMuUsDesert

Guo Qingbiao1,2,3Guo Guangli1,2,3Chen Longhao1,2,3Lu Xin1,2,3

(1.SchoolofEnvironmentScience&SpatialInformatics，ChinaUniversityofMiningandTechnology，Xuzhou221008，China;2.NASGKeyLaboratoryofLandEnvironmentandDisasterMonitoring，Xuzhou221008，China;3.JiangsuKeyLaboratoryofResourcesandEnvironmentInformationEngineering，Xuzhou221008，China)

The ecological environment is very poor in the western area of China，and the surface movement deformation induced by coal seam mining is an important factor that weakens the ecological environment.In order to obtain the surface movement and deformation law of the coal mining in Mu Us Desert，the surface movement observation stations are built above the first mining face of a mine，and the space fitting RTK measurement technology is adopted to conduct surface movement deformation monitoring on a regular basis.Then the conclusions are obtained by analyzing the measurement data，showing as follows:①the surface deformation process is continuous gradient，and the boundary angle，movement angle and crack angle of surface movement basin are 58°，63°，79°respectively；②the surface subsidence velocity is faster than that of the similar geological conditions in the eastern area，with the maximum subsidence velocity 110 mm/d，and the maximum subsidence velocity coefficient value is 3.14；③the surface wedge appears as fracture，and most of them are located at the mining boundary and the area in front of mining area，the corner of ground fissures present the state of arc；④The distribution of surface movement deformation law can meet the model of the probability integration basically，and the parameters of probability integration model are obtained by using genetic algorithm.All the results above can provide some reference for setting all kind of protective coal pillars，pre-warning of surface subsidence and designing of the “three-under” coal mining.

Mu Us desert，Mining subsidence，Movement and deformation law，Space fitting RTK measurement technology

2014-09-21

“十二五”国家科技支撑计划项目(编号：2012BAB13B03)，国家自然科学基金青年基金项目(编号：41104011)，江苏省高效优势学科建设工程项目(编号：SZBF2011-6-B35)。

郭庆彪(1990—)男，博士研究生。

郭广礼(1965—)，男，教授，博士研究生导师。

TD325，TD327

A

1001-1250(2014)-12-147-05