重复采动地表移动变形规律分析_叶伟.pdf

收稿日期2019-11-10 收稿日期国家自然科学基金项目 （编号 41472323） ， 安徽省对外科技合作计划项目 （编号 201904b11020015） ， 2018年淮南市科技计划项目 （编 号 2018A05） 。 作者简介叶伟 （1995） ， 男， 硕士研究生。通讯作者徐良骥 （1978） ， 男， 教授， 博士， 博士研究生导师。 重复采动地表移动变形规律分析 叶伟 1， 2 徐良骥 1， 21 （1. 安徽理工大学空间信息与测绘工程学院， 安徽 淮南 232000； 2. 深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室， 安徽 淮南 232000） 摘要淮南矿区某矿11123工作面位于高潜水位矿区， 因重复采动影响地表形成了大面积沉陷水域， 给地表 移动变形观测站的建立造成较大困难， 并且地表移动变形较初采工作面复杂。综合分析了11123工作面地表水文 环境和地质采矿条件， 建立了重复采动条件下工作面地表移动变形观测站。通过全面观测建立了观测站与矿区的 相对控制网系统， 准确获取了观测站控制点的高程和平面坐标， 为后期进行日常观测提供了精准的点位三维信息 平差基准。根据日常观测中每一期观测站数据计算了 11123工作面观测站 3号倾向观测线的倾斜变形和曲率变 形， 从而根据两种变形曲线的特征点获取不同时期的拐点位置。并对日常观测中发现的地表采动裂缝进行了3个 阶段的实测， 采用钢尺量距法测量裂缝长度和宽度， 通过改进前人采用的石灰浆作为追踪剂， 采用石灰喷雾作为追 踪剂开挖实测裂缝深度。利用拐点位置动态移动规律验证了地表实际调查裂缝的动态发育规律。研究表明 采用 石灰喷雾作为追踪剂实测裂缝深度， 可以防止开挖中石灰浆发生渗透造成测量误差大的问题； 根据3号倾向观测 线拐点从最初位于MS59点附近逐渐转移到MS56点， 可知MS56～MS59点之间的拉伸变形区逐渐变为压缩变形区， 位于先拉伸后压缩变形区间的裂缝也呈现出由产生到发育再到闭合的动态演变过程。 关键词开采沉陷重复采动观测站裂缝动态发育拐点 中图分类号TD325文献标志码A文章编号1001-1250 （2020） -08-188-07 DOI10.19614/ki.jsks.202008030 Analysis of Surface Movement and Deation Regularity under Repeated Mining Ye Wei1， 2Xu Liangji1， 22 （1. School of Spatial Ination and Geomatics Engineering， Anhui University of Science Technology， Huainan 232000， China； 2. State Key Laboratory of Mining Response and Disaster Prevention and Control in Deep Coal Mines， Huainan 232000， China） AbstractIn response to the problems that 11123 working face of a mine in Huainan mining area located in the high underground water coal mining area due to repeated mining，resulting the ground to a large subsidence water area，in⁃ creasing the difficulty to establish the surface movement and deation observatory，and that the surface movement defor⁃ mation was more complicated than the initial mining working face． Based on the comprehensive analysis of the hydrological environment and geological mining conditions on the surface of the 11123 working face，a surface movement and deation observatory of the 11123 working face under repeated mining conditions was established． The relative control network system between the observatory and the coal mine area through comprehensive measurement was constructed，so as to accurately ob⁃ tain the elevation and plane coordinates of control points of the observatory． It provides an accurate reference for adjustment of three-dimensional point position ination for daily observation． The inclination deation and curvature deation of the No．3 inclination observation line of the observatory of 11123 working face were calculated according to the data acquired from daily observatory measurement at each time，so as to obtain the position of the inflection point in different periods according to the characteristic points of the two types of deation curves． The surface mining cracks found in daily observations were measured respectively in three stages． The length and width of the cracks were measured by using the steel ruler ． Through improving the of adapting lime slurry as a tracer，lime spray was used as a tracer in the pro⁃ 总第 530 期 2020 年第 8 期 金属矿山 METAL MINE Series No． 530 August2020 188 ChaoXing cess of excavating and measuring the depth of cracks． The regularity of dynamic movement of the position of the inflection point was used to verify the dynamic development of cracks actually surveyed on the surface． The study results show that us⁃ ing lime spray as a tracer to measure crack depth can prevent the problem of enlarging measurement errors caused by the in⁃ filtration of lime slurry during excavation． The inflection point of the No．3 observation line was gradually shifted from the orig⁃ inal location near point MS59 to point MS56，it can be inferred that the tensile deation zone between point MS56 and point MS59 gradually changes into the compression deation zone，and that the cracks located in the tensile-compression zone showed a dynamic evolution process from generation to development and then to closure． KeywordsMining subsidence， Repeated mining， Observatory， Cracks， Dynamic development， Inflection point 淮南矿区属于高潜水位矿区 ［1］。高潜水位矿区 的典型特征是地表在采动后会形成沉陷水域， 尤其 对重复采动工作面地表移动变形监测会产生很大影 响。重复采动是指岩层和地表已经受过一次开采的 影响而产生移动、 变形和破坏之后， 再一次经受开采 （开采下部煤层或下分层或同一煤层的下一个工作 面） 的影响， 使得岩层和地表又一次受到采动影响 ［2］。 重复采动条件下工作面正上方地表会出现大面积沉 陷积水区， 给观测站建立造成了较大困难。在煤炭 开采地表移动变形信息提取方面， 传统方法是通过 布设观测站， 进行水准测量和 CORS RTK 测量 ［3-7］。 目前， 较为先进的变形信息提取方法包括D-InSAR结 合 GPS 技术、 多轨 D-InSAR 结合多孔径合成雷达 （Multiple Aperture Interferometry， MAI） 技术， 可获取 地表三维信息 ［8］。D-InSAR会因为自身局限性受到 一些应用限制， 如大面积水域会造成D-InSAR图像 干涉的低相干、 对南北方向的形变具有不敏感性 ［9］。 目前， InSAR技术的形变测量精度基本采用实地测量 数据 （如水准测量、 GPS测量等） 进行检核 ［9］。因此， 即使采用D-InSAR技术提取地表形变量， 也需要布 设观测站。为了研究重复采动条件下地表移动变形 规律， 需要结合实际工作面地表环境和地质采矿条 件进行观测站布设和数据采集， 并对数据进行处理 和分析。 本研究以淮南矿区某矿11123工作面 （以下简称 “11123工作面” ） 为例， 详细分析重复采动条件下观 测站的设计与观测方法， 为国内具有类似开采条件 和地表水文条件的工作面建立地表观测站提供参 考。全面观测的目的是将观测站数十千米以外的矿 区高等级控制点高程和坐标与工作面观测站的高 程、 平面控制网进行联测， 从而建立相对的控制网坐 标系统 ［10-12］。全面观测数据处理成果质量的好坏直 接关系到后续观测的精度和开采沉陷规律的准确研 究 ［13］。观测站的日常观测工作是指首次和末次全面 观测之间适当增加的水准测量工作， 还包括对监测 点在采动过程中的位移和地面出现裂缝、 塌陷的形 态以及时间的记录和分析。关于裂缝发育规律的研 究， 王云广等 ［14］根据沉陷盆地主断面的移动变形特 征， 将地表移动变形影响区划分为拉伸区、 压缩区和 先拉伸后压缩区， 并分析了各区的裂缝发育特征， 提 出一种基于下沉曲线长度计算判断采动拉伸区裂缝 发育的方法； 钱鸣高等 ［15］利用块体结构模型对煤层 采动后覆岩运动和地表沉陷规律进行了研究， 取得 较好的效果； 郭惟嘉等 ［16］采用现场观测、 理论分析等 手段， 对翟镇煤矿重复采动条件下的地表非连续变 形现象进行了研究； 陈超等 ［17］通过总结前人有关裂 缝的现场实测成果， 分析认为现场实测能较为直观 地了解岩土体内裂隙演变情况。本研究通过对 11123工作面3号倾向观测线地表裂缝的实际发育情 况进行现场调查并实测裂缝发育数据， 对3号倾向观 测线的拐点位置进行计算， 并根据拐点位置的动态 移动情况， 验证根据11123工作面地质采矿条件划分 的拉伸压缩变形分区以及3号倾向观测线地表裂 缝的动态发育规律。 1研究区概况 11123工作面下顺槽位于该矿东一采区， 走向长 1 320m， 倾向长155m， 上顺槽标高-437～-456m， 下 顺槽标高-463～-488 m。11123工作面平均采厚为 4.8m， 煤层倾角为10， 平均采深483.5m， 松散层厚度 为255m。11123工作面下顺槽的地质构造复杂， 巷 道 将 揭 露 较 多 断 层 ， 其 中 F11223-4、 F11223-5、 F11223-7、 F11223-24上、F11223-15、 F11223-17等正断层和 F11223-12逆断层对 11123工作面采动后岩层运动方式和地表移动变形 程度影响很大。工作面开切眼地表向东215 m以南 300 m以内是大面积沉陷水域， 被用于网箱养鱼和光 伏发电。11123工作面地表以南约400 m处分布有某 发电厂和村庄。 2重复采动地表移动变形观测站设计 2. 1观测站设计方案确定 为了研究11123工作面重复采动地表移动变形 规律、 求解主要地表移动角量参数和预计参数以及 为工作面附近的地表重要构 （建） 筑物的变形提供预 警防护， 根据 建筑物、 水体、 铁路及主要井巷煤柱留 设与压煤开采指南 中对地表移动观测站设计的规 2020年第8期叶伟等 重复采动地表移动变形规律分析 189 ChaoXing 定， 并综合考虑该工作面地质采矿条件 （重复采动） 、 地表水文条件、 控制点和监测点的长期保存等因素， 设计的地表移动变形观测站类型为剖面线型的3条 倾向观测线， 由此构成了11123工作面地表移动变形 观测站。考虑到村庄和某发电厂均位于11123工作 面南侧， 11123工作面北侧都是沉陷水域， 故3条观测 线的设计有别于常规倾向观测线。表现在其长度是 计算出来的整条观测线长度， 但控制点只布设在工 作面南侧， 并且监测点止于工作面正上方北侧边界。 1 号倾向观测线布设在距工作面开切眼 350 m 处， 与工作面倾斜方向的夹角α为22； 2号倾向观测 线距离工作面开切眼730m， 与工作面倾斜方向的夹 角α为 16； 3号倾向观测线距离工作面开切眼 139 m， 与工作面倾斜方向的夹角α为21。 2. 2倾向观测线长度及测点密度确定 倾斜观测线长度计算公式为 ［2］ SH - h ⋅cotγ - Δγ h⋅cotϕ L⋅cosα 3s，（1） Si S cosδi，（2） 式中，S为倾向观测线的工作面长度， m；H为上、 下开 采边界平均采深， m；h为松散层厚度， m；γ为上山、 下 山平均移动角，（） ；Δγ为上山、 下山平均移动角修正 值， （） ；ϕ为松散层移动角， （） ；L为工作面倾斜宽 度， m；α为煤层倾角，（） ；s为相邻控制点间距， m；Si 为倾向观测线地面长度， m；δi为倾向观测线与工作 面倾斜方向的夹角，（） 。 地表移动观测站监测点一般为等间距布设 ［10-11］， 监测点数目及密度与采深之间的关系如表 1所示。 11123工作面平均采深为483.5 m， 由于2号、 3号倾向 观测线远离南风井， 故测点间距设定为30m， 1号倾 向观测线位于南风井附近， 为了更好地反映工作面 倾向移动变形对南风井重要构 （建） 筑物的影响， 需 要对监测点进行加密 ［12］， 故设计1号观测线的点间距 为25m。控制点应埋设在观测线两端 ［2］， 由于该工作 面现场条件所限， 仅在每条观测线远离工作面的南 端布置了3个控制点， 控制点间距为50 m。为保证控 制点稳定性， 首个与监测点相邻的控制点与该监测 点的间距设置为200 m。观测站布设如图1所示。 金属矿山2020年第8期总第530期 190 ChaoXing 3重复采动地表移动变形数据采集与规律分 析 3. 1全面观测与日常观测 3. 1. 1全面观测数据采集与处理方法 全面观测数据处理包括高程全面观测数据处理 和平面全面观测数据处理。 （1） 高程全面观测。从观测站数十千米以外的 高等级水准点 （国家二等水准点） 出发， 通过二等水 准测量将高程传递到观测站各控制点， 采用单程双 转点法进行高程误差检核， 并构建水准监测网， 进 而对采集的数据进行网平差计算。利用平差软件 （AdjustS） 进行高程控制网平差解算， 并将两次独立 的高程全面观测点位平差结果的平均值作为观测站 各个监测点的初始高程值。 （2） 平面全面观测。将观测站数十千米以外的 高等级GPS控制点 （D级GPS控制点） 与观测站设计 的控制点组成平面坐标联测点。根据高等级GPS控 制点的点位分布情况设计平面观测网， 采用静态测 量方法采集平面全面观测数据。对于平面观测原始 数据， 利用中海达HGO软件进行基线解算后， 再利用 最小二乘方法进行坐标联测点之间的兼容性估 计 ［13］， 结果显示， 各联测点均通过了显著性检验。在 此基础上， 对解算结果进行空间约束和空间无约束 平差， 求解坐标转换参数， 进而获得精确的观测站控 制点平面坐标， 为后续日常平面观测提供等级坐标 和参数基础。 本研究采用虚拟CORS参考站技术结合三脚架 固定对中杆法 ［5］进行多次观测， 并计算坐标平均值作 为测站各监测点的初始坐标。 3. 1. 2日常观测数据采集 日常观测中的水准测量采用三等水准， 以确保 所采集的高程数据精度， 并对重复采动过程中出现 的地表裂缝进行了现场调查和实测。 3. 2裂缝动态发育规律实测数据分析 3. 2. 1裂缝发育情况现场调查 3. 2. 1. 1第1阶段调查与实测 由于11123工作面正上方地表出现了大量积水， 无法对完整工作面的地面裂缝和隆起现象进行调 查。故选取 11123工作面观测站 3号倾向观测线上 MS44监测点到MS59监测点之间地带进行分析。通 过现场调查发现， 11123工作面观测站3号倾向观测 线2019年4月26日监测点MS56到MS58之间地表首 次出现6条裂缝， 裂缝大致与工作面推进方向平行或 向工作面一侧稍有弯曲。本研究采用钢尺量距法获 取裂缝的发育长度和宽度信息。根据文献 ［21-22］ 的地裂缝现场实测方法， 考虑到石灰浆容易渗透到 表土层中， 易造成测量误差， 故而本研究裂缝发育深 度采用石灰粉作为追踪剂， 利用喷头将石灰粉沿裂 缝口喷入裂缝中， 再进行开挖实测。 3. 2. 1. 2第2阶段调查与实测 随着工作面继续推进， 于2019年6月26日， 对现 场裂缝进行了第2次调查和裂缝发育情况实测。第1 条裂缝长度为30.1 m， 平行于工作面并经过3号倾向 观测线MS56监测点， 裂缝深度为18～29.5 cm， 宽度为 1.3～2 cm。第 2 条裂缝位于第 1 条裂缝北侧 25.6 m 处， 近似平行于工作面走向， 长度为60.4 m， 深度为6.8 ～10 cm， 裂缝宽度平均为1 cm。第3～5条裂缝为第2 条裂缝在与工作面推进方向一致方向上的3条裂缝分 支， 呈现一定弧度， 长度分别为15.3、 12.8、 13.4 m， 宽度 分别为0.5～3.5 cm、 1～2.5 cm、 4～7 cm， 裂缝平均深度分 别为15.9、 16.1、 15.7 cm。第6条裂缝位于第5条裂缝 北侧34.6 m位置， 距离MS57监测点北侧15.3 m， 裂缝 长度为 30.8 m， 平均深度为 19.3 cm， 平均宽度为 0.9 cm。前两期裂缝现场发育特征如图2所示。 3. 2. 1. 3第3阶段调查与实测 2019年 11月 20日， 本研究对 11123工作面 3号 倾向观测线地表裂缝进行了第3次调查， 并进行了裂 缝发育情况实测。此时， 只剩下平行于工作面经过 MS56监测点的第1条裂缝， 该裂缝长度继续增大到 42.2 m， 裂缝深度为15.7～22.1 cm， 宽度为1.2～1.4 cm， 田野内出现了裂缝台阶， 落差为2～3 cm。MS56点与 MS59点之间的其他裂缝都已经闭合 （图3） 。 3. 2. 2拐点位置移动分析裂缝发育 拐点是地表移动盆地的特征点之一， 是内外边 缘区分界点， 也是拉伸区和压缩区分界点。本研究 通过分析拐点移动特征来验证裂缝的动态发育规 律。根据11123工作面观测站实测数据分别计算了3 号倾向观测线各监测点的倾斜变形和曲率变形， 并 绘制了裂缝发育期间3号倾向观测线的变形曲线， 如 图4所示。根据倾斜变形最大的点和曲率变形在达 到最大值后降为0的点综合确定拐点位置， 分析从裂 缝出现到闭合期间3号倾向观测线的拐点移动情况， 从而动态分析裂缝的移动和发育特征。 结合11123工作面开采进度 （图1） 和图4可知 2019年3月21日2019年4月26日， 3号观测线拐点 位于MS58～MS59点之间， 说明MS59点以南区域为拉 伸区； 2019年4月27日2019年7月26日， 3号倾向观 测线拐点逐渐移动到MS57～MS58点之间， 说明MS58 点以南区域为拉伸区； 随着工作面进一步推进， 采空 区变大以及多个正断层和逆断层受采动影响， 导致覆 2020年第8期叶伟等 重复采动地表移动变形规律分析 191 ChaoXing 岩运动损伤加剧， 使得地表裂缝进一步发育， 2019年7 月27日2019年10月23日， 3号倾向观测线拐点逐 渐移动到MS57点， 说明原先MS57～MS59点之间的拉 伸区逐渐转变为压缩区； 2019年10月24日2019年 12月24日， 3号倾向观测线拐点逐渐移动到MS56点 附近， 说明原先MS56～MS59点之间的拉伸区已全部 转变为压缩区。3号倾向观测线的拐点移动规律与 11123工作面地表拉伸压缩变形分区较为吻合， 同 时验证了3号倾向观测线上裂缝的动态发育规律。 4结论 （1） 综合11123工作面重复采动地质采矿条件以 及工作面地表水文地质条件， 建立了工作面地表移 动观测站， 为类似开采条件和地表地形环境的矿区工 作面地表观测站设计提供了参考， 同时为研究重复采 动条件下地表移动变形规律提供了基础数据来源。 （2） 对前人裂缝深度实测方法进行了改进， 使用 石灰粉代替石灰浆作为追踪剂， 有效避免了石灰水 灌入裂缝中发生渗流造成一定的测量误差。 （3） 综合11123工作面3号倾向观测线的倾斜变 形曲线特征点 （倾斜变形最大点） 和曲率变形特征点 （曲率变形达到最大值后降为0的点） ， 确定了拐点位 置。根据2019年3月21日2019年12月24日期间 绘制的6期倾斜变形曲线和曲率变形曲线可知， 拐点 位置经历了由最初位于 MS58～MS59 点之间移动到 MS57～MS58点之间， 随后移动到MS57点， 最后拐点 停留在 MS56点， 说明过 MS56点作平行于工作面的 直线， 以南区域为拉伸区， 以北至工作面下山开采边 界区域为先拉伸后压缩区。结合3个阶段现场调查 和实测的3号线附近裂缝发育情况可知， 在该矿地质 采矿条件及重复采动条件下， 地表产生的位于先拉 伸后压缩区间的裂缝发育是一个从产生到发育再到 闭合的动态演变过程。 参 考 文 献 肖武， 陈佳乐， 胡振琪， 等．高潜水位采煤沉陷地构建平原水 库可行性分析与实践 ［J］ ．煤炭科学技术， 2017， 45 （7） 184-189． Xiao Wu，Chen Jiale，Hu Zhenqi，et al． Feasibility analysis and practice of constructing plain 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