0 引 言
煤炭资源在我国国民经济发展中发挥了重要的作用，但同时，煤炭开采也给矿区生态环境造成了比较严重的影响[1-2]。早在20世纪初期煤炭开采沉陷现象就引起了国外学者的重视[3]，从20世纪30年代开始开采沉陷工程作为一门教学科目在德国成立[4]；同时在苏联波兰，把岩层与地表移动作为一项研究工作。作为一门学科，开采沉陷学形成于50年代，迅速发展于20世纪60年代[5-8]，并取得了可喜的成果[9-13]。特别是在我国东部矿区，60年来，通过大量现场观测[14-18]，获得了丰富的地表沉陷规律[19-23]，为保护矿区的地质环境起到了巨大作用[24-27]。
陕北侏罗纪煤田已探明煤炭资源总量1 460亿 t[28-32]，煤层总厚度15～20 m，单层厚度平均3～6 m，煤层稳定，构造简单，目前已成为全国最重要的煤炭生产基地之一。在强扰动条件下陕北矿区地表的破坏呈现出新的规律和问题，传统的开采沉陷预计技术和方法已经满足不了新问题的需要。近年来，榆树湾、张家峁等大型矿井开展了地表移动观测，取得了一定的成果，但在大区域地质条件下缺少系统的分析和总结，因此，开展陕北煤炭资源大规模开发开采沉陷规律研究，对地质环境保护、治理和煤炭资源有序开发规划具有重要的理论意义和社会价值。
1 典型地表移动观测站数据采集与分析
榆树湾煤矿20101工作面位于毛乌素沙漠西南边缘，属低缓的沙丘地貌单元，该工作面地表平坦，工作面上方为基岩和黄土层，地表为风积沙，该地质采矿条件在在陕北矿区具有一定的代表性，故选择该工作面观测站作为典型工作站。该工作面采高5 m，平均推进速度为4 m/d，采用综合机械化采煤自然垮落法管理顶板。
1.1 观测站布设
20101观测站建立在开切眼上方。20101工作面地面较为平坦，地面建筑物设施也较为简单，煤层埋深259.16～279.61 m，平均埋深269.69 m，上覆基岩厚度138.27～215.12 m、平均厚度162.30 m，松散沙层厚度14.8～35.21 m、平均厚度24.52 m，土层厚度44.04～109.29 m、平均厚度89 m，可采厚度11.52～11.98 m，平均厚度11.76 m(其中上分层可采厚度5.41～5.94 m，平均厚度5.68 m)。煤层中一般底部有1～2层夹矸，厚0.10～0.29 m，岩性为炭质泥岩、粉砂岩。煤岩成分以亮煤，暗煤为主，夹镜煤条带及透镜体。煤岩类型为半亮煤、半暗煤。煤层裂隙发育。本次观测站设计采用线性结构，即倾斜观测线和走向观测线的基本布设形式，如图1所示。
图1 地表移动观测站布设
Fig.1 Observation station of surface movement
1.2 观测站数据处理
1.2.1 地表移动变形曲线
对观测的各期数据分别求取了观测点的下沉量，获得了各种地表移动曲线如图2所示，随着开采的推进，地表下沉范围和下沉量均在增加，最大下沉值接近2.5 m。下沉曲线的分布形态在采空区边缘比较陡峭，曲线拐点(最大下沉值的0.5倍处)明显偏向采空区。体现这些曲线特点主要与黄土层和基岩的厚度分布有关，曲线形态对于分析地表移动规律有重要参考价值。
图2 观测站下沉曲线
Fig.2 Sinking curve of observation station
1.2.2 地表移动参数分析
通过求取的地表移动变形曲线，采用图解法和拟合法求取其角量参数和预计参数见表1，H0为采深。其中，①榆树湾煤矿平均开采深度190 m，工作面上覆基岩厚170 m，松散层厚20 m，采用全站仪观测；②韩家湾煤矿平均开采深度270 m，近水平煤层，工作面上覆基岩厚114 m，松散层厚与黄土层厚156 m，采用GPS和水准测量仪观测；③小纪汗煤矿平均开采深度135 m，松散层厚度65 m，基岩厚度70 m，采用GPS和水准测量仪观测；④柠条塔煤矿平均开采深度350 m，松散层厚度60 m，基岩厚度290 m，采用GPS-RTK观测；⑤哈拉沟煤矿平均开采深度50～170 m，黄土层厚度50～100 m，基岩厚度50～200 m，采用静态GPS观测；⑥冯家塔煤矿平均开采深度70～170 m，工作面上覆基岩厚35.0～98.5 m，松散层厚40～69 m，采用RTK观测；⑦大柳塔煤矿平均开采深度60 m，水平煤层，工作面上覆基岩厚29 m，松散层厚31 m，采用三等水准测量仪观测。
表1 煤矿地表移动参数
Table 1 Parameters of surface movement of coal mines
煤矿榆树湾韩家湾小纪汗柠条塔哈拉沟冯家塔大柳塔移动参数/(°)基岩边界角走向50.058.7—60.047.075.256.0上山43.059.0—58.044.0—56.0下山—57.2—58.044.0—56.0基岩移动角走向83.062.5—65.065.080.257.5上山84.062.5—71.060.0—57.5下山80.0——71.060.0—57.5松散层边界角—43.0—52.0———移动角———————
续表
煤矿榆树湾韩家湾小纪汗柠条塔哈拉沟冯家塔大柳塔移动参数/(°)综合边界角45.058.558.060.0/58.047.0/44.0——移动角83.0—63.065.0/71.065.0/60.0——最大下沉角θ90——————最大下沉速度滞后角Φ60.050.061.046.066.065.762.5超前影响角ω68.085.572.054.058.058.064.0预计参数下沉系数q0.5000.5600.6000.5130.6200.6000.590主要影响角正切tan β3.351.971.601.721.631.082.65开采影响传播角θ0/(°)90.072.790.082.089.061.090.0水平移动系数b0.350.280.300.240.240.260.29拐点偏移距S0.22H00.07H00.13H00.40H00.22H00.23H00.33H0
1.3 典型观测站地表移动规律分析
分析已经得到的岩层移动角量参数，主要表现为在本观测站地质采矿条件下，呈现出边界角偏小移动角偏大的规律。主要成因如下：
1)岩层硬度大，导致井下岩层垮断后悬顶距较大，地表移动外边缘区偏向采空区侧，地表3个临界变形位置也偏向采空区，导致移动角偏大。
2)风积沙黄土层厚度大，导致岩层移动向地表移动传递时受到风积沙黄土层缓冲，延缓了地表移动盆地边缘下沉曲线收敛速度，导致边界角偏小。
3)下沉系数偏小，主要影响角正切偏大主要原因为基岩偏硬，岩层及黄土层含水量少，岩层中离层裂缝大，导致下沉系数小。主要影响角正切值大主要原因为，基岩厚度在整个岩层中所占比例不大，岩层垮断后，立即通过黄土层传递到地表，导致主要影响半径偏小，进而引起主要影响正切值偏大。
2 多矿井地表移动观测结果综合分析
2.1 研究区域其他工作面地表移动实测参数
在分析榆树湾煤矿的开采沉陷参数同时，还收集了陕北矿区韩家湾煤矿、小纪汗煤矿、柠条塔煤矿、哈拉沟煤矿、冯家塔煤矿、大柳塔煤矿的开采沉陷研究数据，见表1，通过分析不同煤矿的地表移动参数来进一步揭示本区域的开采沉陷规律。
2.2 预计参数分布规律
根据研究区域的岩层分布情况，黄土层是本区域特色，在我国的其他矿区，例如两淮矿区、东北矿区、黔西南矿区、山东矿区、华北矿区、河南矿区等均没有这么明显的黄土覆盖。为了分析黄土层对开采沉陷参数的影响规律，将黄土层与表土层合并，统称为风积沙黄土层，其余的为岩石层。上述各个矿区的开采沉陷预计参数与风积沙黄土层以及岩层的分布情况见表2。
表2 岩层厚度与开采沉陷预计参数
Table 2 Parameters of rock thickness and mining subsidence prediction
工作面岩层厚度/m沉陷预计参数SSRSSS/RSqtan βθ0/(°)Sb冯家塔煤矿2201工作面201700.1180.61.08610.23H00.26小纪汗煤矿11203工作面602900.2070.61.60900.13H00.30柠条塔煤矿N1201工作面751500.5000.5131.72820.40H00.24哈拉沟煤矿22407工作面55700.7860.621.63890.22H00.24韩家湾煤矿2304工作面65700.9290.561.97730.07H00.28大柳塔煤矿1203工作面31291.0690.592.65900.33H00.29榆树湾煤矿20101工作面1561141.3680.53.35900.22H00.35
注：SS为风积沙黄土层厚度；RS为岩层厚度；SS/RS为风积沙黄土层厚度与岩层厚度之比；q为下沉系数；tan β为主要影响角正切；θ0为开采影响传播角；S为拐点偏移距；b为水平移动系数。
1)下沉系数q与SS/RS的关系(图3)。下沉系数的范围为0.50～0.65，而且该值分布较稳定，在不同的风积沙黄土层厚度与基岩厚度的组合情况下，变化不大。从矿区岩层的分布情况来看，岩层以砂岩为主，其物理力学性质为中硬偏硬，岩层在开采沉陷过程中能起到较好的控制作用，故下沉系数不大。这和建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程中列举的岩层硬度与开采沉陷参数相互关系较为吻合。
图3 下沉系数q与SS/RS的关系
Fig.3 Relationship between sinking coefficient and SS/RS
2)主要影响角正切tan β与SS/RS的关系。主要影响角正切与岩层的软硬程度有密切关系，一般情况下，煤层上覆岩层综合岩性为坚硬时其值为1.20～1.91，为中硬时其值为1.92～2.40，为软弱时其值为2.41～3.54。在本研究区域内，由于有大量风积沙与黄土层的存在，风积沙黄土层与岩石层的比例关系决定了煤层上覆岩层的综合岩性，故其比例关系和tan β值有着较大的相关性，如图4所示。由图4可知，tan β随着SS/RS的增大而增大，接近正比关系。
图4 主要影响角正切与SS/RS的关系
Fig.4 Relationship between tangent of main influenced angle and SS/RS
3)拐点偏移距S与SS/RS的关系。拐点偏移距的物理意义为在采空区边界靠内侧，上覆岩层会留下一段悬顶距不垮落，其数学意义为：在水平方向上，主断面下沉曲线拐点偏移采空区边界线的距离。一般情况，软弱、中硬和坚硬覆岩的拐点偏移距分别为(0～0.07)H0、(0.08～0.30)H0、(0.31～0.43)H0。本研究区域的拐点偏移距与SS/RS的相互关系如图5所示。
图5 拐点偏移距与SS/RS的关系
Fig.5 Relationship between the offset of turn point and SS/RS
从图5可知研究区域的拐点偏移距为(0.07～0.40)H0，其值偏大，可反推本研究区域基岩的岩性为中硬偏硬，和实际情况相符。
4)水平移动系数b与SS/RS的关系(图6)。水平移动系数的范围在0.24～0.35，和其他矿区表现接近，厚黄土层对其影响不大。
图6 水平移动系数与SS/RS的关系
Fig.6 Relationship between the coefficient of horizontal motion and SS/RS
5)开采影响传播角θ0与SS/RS的关系。开采影响传播角主要和煤层倾角有关，与SS/RS的关系不大。在本研究区域，煤层为水平或近水平，倾角变化不大，θ0的变化规律不突出。
3 结 论
笔者综合分析了榆树湾煤矿、韩家湾煤矿、小纪汗煤矿、柠条塔煤矿、哈拉沟煤矿、冯家塔煤矿、大柳塔煤矿等矿井的开采沉陷预计参数。
1)分析数据表明：本区域的下沉系数的范围为0.50～0.65，而且该值分布较稳定，在不同的风积沙黄土层厚度与基岩厚度的组合情况下，变化不大。
2)主要影响角正切值与风积沙与黄土层厚度与基岩厚度比值成正比关系。
3)拐点偏移距的范围为(0.07～0.40)H0，与本区域岩层硬度为中硬偏硬的规律硬吻合；其他参数值受到黄土层影响较小。
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