重复采动对地表沉陷分布影响研究

张 伟 任振群 李 阳 杨默含

（1.兖矿能源集团有限公司；2.中国矿业大学环境与测绘学院）

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，再次开采使岩层和地表又受到采动破坏，这种采动称为重复采动［1］，一般可分为同一煤层重复采动、多煤层重复采动两大类［2］。重复采动时，由于临近工作面或上层煤采空区的影响，导致开采工作面的地表沉陷特征具有特殊性，比如移动变形值增大、破坏强度增加、影响范围增大等［3-5］。国内外学者围绕这一问题开展了研究工作，陈盼等［6］通过现场实测，对比有采空区与无采空区影响时地表移动盆地角值参数的差异，解释了重复采动下地表移动规律存在差异的原因；汤伏全等［7］通过GNSS 连续变形监测系统获取各监测点的实时坐标数据，结合FLAC3D数值模拟软件分析地下开采引起的地表及岩体内部移动变形机理，揭示了采空区影响下相邻回采工作面动态非对称沉陷规律；孙学阳等［8］采用FLAC3D软件对非充分采动和充分采动2 类模型进行数值模拟，对同一煤层重复采动条件下地表移动变形进行研究，通过对比初次采动，揭示了重复采动时下沉系数、地表沉陷盆地范围和形状的变化。

本研究以南屯煤矿73上29、73下21（西）工作面开采沉陷为研究背景，以现场实测资料为基础，从下沉值、下沉速度和地表移动持续时间3个方面研究同一煤层重复采动、多煤层重复采动对地表沉陷分布的影响。

1 试验区地表移动观测站设计

南屯煤矿主要开采3上和3下煤层，煤层层间距约15 m。为研究重复采动对地表沉陷分布的影响，选定南屯煤矿七采区73上29 工作面和73下21（西）工作面为试验区。

73上29 工作面开采3上煤层，工作面走向长约192.6 m，倾向长约713.9 m，煤层倾角平均为3°，平均采高为6.1 m。该工作面重复采动类型为同一煤层重复采动，工作面西部为73上28 工作面采空区，东部为73上15、73上17、73上19、73上24、73上26 工作面采空区，南部为73上13工作面采空区。

73下21（西）工作面开采3下煤层，工作面走向长214.7 m，煤层倾向长776.3 m，煤层倾角为2°，煤层厚度平均为3.2 m。73下21（西）工作面重复采动类型为多煤层重复采动，工作面上覆3上煤层已全部开采完毕，为73上21（东）、73上23 及73上21 工作面采空区；73下21（西）工作面东部为73下21（东）采空区，南部为73下19工作面采空区。

为研究同一煤层重复采动的沉陷分布规律，选择位于73上29 工作面倾向主断面的新济邹路上布设地表移动观测站，共布设16 个测点，测点C1～C16关于走向主断面对称分布，地表移动观测站布设情况如图1 所示。观测站自2017 年10 月9 日—2018年11 月28 日共计观测32 次，采用四等水准测量观测。

为研究多煤层重复采动的沉陷分布规律，选择位于73下21（西）工作面倾向主断面的公路上布设地表移动观测站，布置测点14个，测点D29～D43沿公路均匀分布，地表移动观测站布设情况如图2所示。观测站自 2013 年 2 月 22 日—12 月 3 日共计观测 27 次 ，采用四等水准测量观测。

2 地表移动观测站观测结果

2.1 73上29工作面实测数据处理

73上29 工作面地表移动观测线西部为已停采1 a的73上28工作面采空区，东部为停采时间超过15 a的73上15、73上17 工作面采空区。为了研究工作面两侧不同停采年份采空区对地表点下沉、下沉速度的影响情况，绘制了C1～C16 测点的下沉曲线图，工作面走向中心线对称分布的C12 与C6 点的下沉对比图以及C6和C12点下沉速度对比图，见图3～图5。

2.2 73下21（西）工作面实测数据处理

73下21（西）工作面上覆3上煤层已全部开采完毕。3下煤层开采方面，73下21（西）工作面南部为73下19工作面采空区。73下21 工作面地表沉陷受到3上煤层采空区、3下煤层采空区（73下19 工作面采空区）综合影响。为研究一次重复采动与二次重复采动对工作面地表沉陷的影响特征，绘制了D29～D43测点的下沉分布图、工作面走向中心线对称分布的观测点D29 和D35的下沉过程和下沉速度对比图，见图6～图8。

3 同一煤层采空区对临近工作面开采沉陷的影响分析

3.1 下沉曲线特征分析

由图3～图4可知，73上29工作面地表观测点沉陷分布有如下特点：①随着工作面逐步推进，各监测点地表下沉量逐渐增大，最后趋于稳定；②停采年份短的采空区对工作面开采沉陷影响更大，C11～C16测线上各点地表下沉值均大于与其对称分布的C6～C1 测线上各点地表下沉值；③临近采空区对工作面开采沉陷影响在顺槽处达到最大，随着测点距离顺槽距离增加，逐步降低，C6 点和C12 点处地表下沉差值达到最大值，为224.5 mm，随着测点与顺槽距离增加，这一差值逐步减小趋近于零。

3.2 下沉速度特征分析

分析图5可知，C6点和C12点的下沉速度都经历了由小到大、再由大到小直至最终逐渐稳定的过程；C6 点最大下沉速度27.9 mm/d 略小于C12 点最大下沉速度29.7 mm/d；C12 点与C6 点最大下沉速度出现的时间段基本一致，为2018年4月18日—5月2日。

综上所述，采空区停采年份对下沉速度发展的过程影响较小，停采年份短采空区侧最大下沉速度较停采年份长采空区侧最大下沉速度大。

3.3 地表移动持续时间

C6和C12点地表移动持续时间如表1所示。

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由表1 可知，C12、C6 点的地表移动持续时间相当，表明采空区停采时间对地表移动持续时间影响不显著；比较而言，C6 点较C12 点地表移动的初始期较长、活跃期略短；结合2点的下沉速度分布曲线，可以认为地表移动速度曲线差异较小，不同停采时间采空区对地表移动动态过程影响较小。

4 多煤层采空区对回采工作面地表沉陷的影响分析

4.1 下沉曲线特征分析

由图6～图7 可知，73下21（西）工作面地表观测点沉陷分布有如下特点：①随着工作面不断推进，各监测点地表下沉量逐渐增大，最后趋于稳定；②受73下19采空区影响的D29点下沉值比仅受3上煤层采空区影响的D35 点大；③随着73下21（西）工作面逐步接近—推过观测线，D29 点和D35 点的下沉差值逐渐增大，最终差值为180 mm。

综上所述，工作面两侧承受重复采动次数不同导致地表沉陷分布不对称；二次重复采动导致测点下沉量更大；随着工作面接近—推过观测线，二次重复采动与一次重复采动对测点下沉影响逐步增加，直至趋于稳定。

4.2 下沉速度特征分析

分析图8 可知：①D29 点和D35 点的下沉速度都经历了由小到大、再由大到小直至最终逐渐稳定的过程；D29 点的移动过程大约持续了9 个月，于2013年 5 月 28 日达到最大下沉速度 10.9 mm/d；D35 点的移动过程也大约持续了9 个月，于2013 年5 月28 日达到最大下沉速度9.8 mm/d；②受3上、3下煤层采空区影响的D29 点与仅受3上煤层采空区影响的D35 点最大下沉速度出现的时间段一致，出现在2013 年5 月15日—28日。

综上所述，一次重复采动与二次重复采动对地表点下沉过程影响较小；受到二次重复采动影响点最大下沉速度较一次重复采动最大下沉速度小，即多次重复采动会导致地表点最大下沉速度增加。

4.3 地表移动持续时间

73下21（西）工作面采空区两侧边界地面监测D29点和D35点的移动持续时间及相关阶段如表2所示。

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由表2 可知，在D29 点和D35 点整个移动持续过程中，只有地表下沉活跃阶段和下沉衰退阶段，下沉衰退阶段所占时间比下沉活跃阶段要长，且2点各阶段占比相同。首次监测D6点和D35点就处于地表下沉活跃阶段，说明重复采动工作面比初次采动工作面对地下开采响应更加迅速；与73上29 工作面地表移动持续时间相比，多次重复采动地表移动持续时间短，衰退期占比大。

综上所述，多次重复采动导致地表点对采动响应迅速，地表点仅发育活跃期，移动持续时间长，衰退期占比大。

5 结 论

（1）重复采动改变了下沉的分布特征；停采时间短的采空区比停采时间长的采空区对下沉分布影响更为显著，停采时间短采空区侧下沉值、下沉范围、下沉速度均偏大；停采时间长短对下沉速度发展过程影响小。

（2）受多煤层采空区影响，二次重复采动侧地表点下沉值、下沉速度均偏大；地表移动持续时间受重复采动次数影响较小。

（3）受多次重复采动影响，地表点对采动响应更为迅速，表现为地表移动仅有活跃期和衰退期；与一次重复采动相比，地表移动持续时间显著缩短。