韩城矿区山区地表滑移规律分析

某矿井21306观测站，属高山地形，地形起伏极大，陡崖林立。松散层厚度变化不均，平均厚度不超过45 m，上覆岩层主要是砂质泥岩、粉砂岩及粗、中、细各种砂岩构成。设站地区可采煤层有三层，本工作面属于3#煤的开采，对观测站而言，属于初次采动的影响，煤层厚度约为1.5 m，倾角约2°，属近水平煤层[1]。

1 地表观测站布置

21306地表移动观测站的观测线沿走向方向布置I-I观测线，布置工作测点30 个，编号为Z1-Z30。沿倾向布置II-II倾向观测线，与走向方向线垂直，布置工作测点33个，编号为Q1-Q33，共布置观测点63个，测点间距30 m，观测起止时间为2013年4月～2014年5月。观测站布设如图1所示。

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图1 21306工作面地表移动观测站布设图

2 观测成果分析与处理

韩城矿区地表高低起伏，沟壑纵横。地表的黄土覆盖从南到北、从东到西，厚度逐渐增加；岩层以砂岩和泥岩为主，岩性偏软；地层自东南向西北倾斜，倾角不大，大约5°左右，因此各矿井开采的深度越来越大。这些特点与渭北煤田等其它矿区相比有明显的区别，既有符合山区地下开采引起地表移动变形的一般规律，也形成了韩城矿区自己的特点。根据21306工作面观测站的地表移动变形值的计算和变形曲线图的绘制来分析，韩城矿区地表移动变形的规律如下：

2.1 山区地表的滑移规律分析

① 下坡地表或坡底产生隆起

任一项工作开展都需要一个准确的理念，而在目前企业中存在一种相当普遍的现象，那就是企业各部门甚至财务部门自己也认为业务管理与财务管理是二个独立的管理活动，管理好企业，只要各部门管理好自己就行了，这种理念严重影响了企业业财融合的展开。

要做到“两个过程”的合理性，即从数学知识发生发展过程的合理性、学生认知过程的合理性上加强思考，这是落实数学核心素养的关键点.前一个是数学的学科思想问题，后一个是学生的思维规律、认知特点问题.

  

图2 21306工作面开采后下坡方向地表面的上升现象

根据21306工作面地表移动变形观测计算值作其倾向线下沉、倾斜、曲率和水平移动、水平变形曲线及地表面，如下图3所示。

② 顺坡方向产生较大的水平移动

由于地形起伏的影响，在山体应力的作用下地表产生朝下坡方面的滑移，形成挤压作用，位于山谷或下坡的地表面可能产生上升现象21306工作面开采后引起山体的滑移造成了下坡方向上各变形监测点的上升，如图2所示。

大量研究表明，协作是获得群体智慧的重要途径，但是目前关于产品创新设计领域的群体协作的相关研究还很少，也没有统一的结论。本文基于第一手实验数据研究了异步协作模式下的设计师创新行为特征以及团队创新产出结果，并结合对照组进行了对比分析，得出以下结论：

  

图3 21306工作面倾向线移动变形曲线

根据水平移动曲线分析，当地表倾向和煤层的倾向相同时，如图4所示，顺坡方向半移动盆地水平移动的数值全是正值，数值比通常平地情况下的数值大的多，且水平移动的正向最大值处于坡底，盆地的中心处不再为零。

③ 逆坡方向受到明显的挤压

没有强度标记的深凹槽型螺栓是六角头上有减重凹槽的法兰螺栓，是按法兰外径进行的分类(图8)，它们的法兰外径比带有法兰头的标准螺栓的直径要大。安装这类螺栓应小心地装在正确的位置并施加规定的扭矩。

移动角值比较稳定，虽然山区地形条件下移动范围可能扩大，但一般坡度不是特别巨大时，地表的变形未达到临界破坏值。可取各观测站的平均值，δ=75.4°。

④ 山体出现显著的滑移

绘制21306观测站倾向线不同时期地表水平移动曲线图。从图上明显看出，在开采引起的水平移动后，山体发生明显的移动现象，水平移动值显著增加，测点位置均向下坡方向产生明显的偏移。

  

图4 21306工作面倾向线不同时期水平移动曲线对比图

2.2 开采稳定后移动盆地角值参数分析

根据专家学者的研究成果，在渭北煤田，一般情况下，地表移动下沉盆地的各边界角值参数，如边界角，移动角、裂缝角等，与上覆岩层的岩性、开采深度、黄土覆盖的厚度等有直接的关系[2-3]。将韩城矿区各观测站的相关参数和计算的移动变形盆地稳定后的角值参数(以走向线变形参数为主要研究对象)列于下表1。

 

表1 韩城矿区观测站稳定后的角值参数统计表

  

观测站名称煤层倾角/°开采厚度/m开采深度H/m黄土厚度h/mh/H走向长/m倾向宽/m采煤方法边界角/°移动角/°裂缝角/°最大下沉角/°充分采动角/°213062.11.7589.088.10.1501800220综采76.678.483.588.759.3

从表1的结果可以看出，边界角、充分采动角的变化较大，移动角基本上保持在一个小范围内变动，而裂缝角与开采深度和黄土层厚度，最大下沉角与煤层倾角有非常直接的关系，基本上存在线性的比例关系。

(3)裂缝角

(1)边界角

边界角值不太稳定，这是与山区地形条件密切相关的；另外，山区地形条件下的观测值也可能存在较大的误差，21306明显偏大，从整体上看，取其平均值较为合理，边界角δ=64.1°。

(2)移动角

一般分析认为，最大下沉角与煤层的倾角存在线性的比例关系，采用一元线性回归分析法，可求出最大下沉角与煤层倾角关系的一元线性回归方程为：θ=90°-0.57×α,这与韩城地区前期的研究结论0.6的相关系数是基本一致的。

当地表倾向和煤层的倾向相反时，半移动盆地水平移动的数值全是负值，且越朝盆地的中心其负值绝对值越大。

通过大量搜集、分析和研究韩城矿区过往的观测资料和研究成果，并以此为基础建立韩城矿区21306地表移动观测站，综合各矿井的观测资料，对山区地表的移动变形和深部煤层开采影响作了比较分析，来计算和分析矿区因采动引起的地表移动和变形规律。为韩城矿区后续开采沉陷的应用提出了较为可靠的经验数据，为保安煤柱的留设提供了依据。获得了开采稳定后的移动盆地边界角、移动角、裂缝角、最大下沉角和充分采动角等角值参数[4]。

根据专家的研究结论，裂缝角与开采深度和黄土层厚度密切相关，采用一元线性回归分析法，可求出裂缝角与土深比(黄土层厚度与采深的比值)的一元线性回归方程为：δ′=68.5+99.0h/H

1.实验操作更简单，可以测100 mL任意温度下的空气中氧气的体积分数，气密性好，现象更明显（白磷燃烧时产生大量白烟，注射器内空气膨胀；冷却后气体减少约五分之一，产生白色固体）。

(4)最大下沉角

Third, locals may also forecast the change of weather according to characters of weather in certain month or season. Just as proverbs go:

(5)充分采动角

在现有的开采设计和采深条件下，一般情况下倾向线是无法达到充分采动的，只有走向线的长度较长，可以达到充分采动。充分采动角与边界角一样，受到地形起伏条件的影响较大，很难取得一个稳定的数值或一个可靠的数学模型，从现有的观测数据来分析，采用其平均值较为准确，取ψ3=63.9°。

2.3 地表移动概率积分法模型相关参数计算

根据21306观测站的沿倾向方向观测结果，利用MATLAB编写数据拟合程序及地表移动概率积分法模型，对数据进行处理可以得到概率积分法模型参数[5-6]，如表2如下。

人质即以人为质的制度产生于西周，这种现象最晚在春秋时已存在，如《国语·吴语》载句践嫡子赴吴，服侍夫差。至战国时发生了一些新特点，其中一点就是“国与国之间出质的主要对象是诸侯的公子”[3]，即质子。张守节《史记正义》的“国弱惧其侵伐，令子及贵臣往为质”[4]，点明出具质子一方的国家，主要是弱国。至于为何选取公子与贵臣，则主要是取其砝码贵重之义，因为他们可能是未来的国君。

 

表2 概率积分法模型参数

  

地表移动观测站名采深/m水平移动系数主要影响角正切拐点偏移距下沉系数21306589.00.342.100.08H0.720

注：H为煤层开采深度。

根据上述结果可以得出如下结论：

① 韩城矿区地下开采引起的地表水平移动较大，其最大值可达到最大下沉值的30%～40%，与地形的起伏成正比，地形的倾角越大，水平移动越大。

② 韩城矿区地下开采引起的地表下沉较大，其下沉系数能达到开采厚度的70%以上，采深越大，下沉系数越大，说明韩城矿区煤层上覆岩层的岩性较软，以砂岩和泥岩为主，开采后下沉量普遍偏大。

2.4 地表移动的持续时间分析

利用MATLAB绘制出21306地表移动观测站最大下沉点Z28的下沉速度曲线和下沉曲线，从图5中可以看出21306地表移动观测的持续总时间共约310天。其中从工作面开始回采到地表开始移动阶段共约55天，地表开始移动阶段共约11天，活跃阶段共约67天，衰退阶段约175天。进而可得地表移动持续时间总计252天[7]。根据观测资料计算并分析出地表移动观测点Z28不同下沉期的下沉速度、下沉量、时间等参数：

(1)韩城矿区深部与浅部的下沉持续时间基本相当，均约为250天，其中深部为252天，浅部为249天。下沉初始阶段约为10天；下沉活跃阶段深部为60天左右，而浅部为近4个月，下沉衰退阶段深部为近6个月，而浅部为4个月左右。说明采深较大时，由于岩性较软，下沉速度较快；而后期地表的稳定时间却很长。

(2)深部地表点移动的初始阶段下沉量占总下沉量的百分比为浅部的3倍；活跃阶段深部与浅部占总下沉量的百分比相当，均为90%左右；衰退阶段浅部占总下沉量的百分比约为深部的2.5倍。

(3)从现场调查的有关情况来看，韩城矿区开采后地表的稳定是短暂的，实际时间是相对较长的，有的达到4～5年以上，因为地形起伏较大且地下岩层中有较多的泥岩有，在雨水和裂缝的作用下，地表稳定后又发生蠕动作用。

  

图5 地表最大下沉点Z28的下沉速度曲线及下沉曲线

3 结 论

利用大量调查资料的分析，实测矿区因采动引起的地裂缝、滑移、崩塌和滑坡等损害的相关数据，进而得出开采损害的基本规律，最后分析得到韩城矿区地表移动和变形的规律，得出以下主要结论：山体出现显著的滑移；下坡地表或坡底产生隆起；顺坡方向产生较大的水平移动，可达到最大下沉值的30～40%； 逆坡方向受到明显的挤压；深部变形明显小于浅部变形；地表下沉较大，其下沉系数能达到开采厚度的70%以上；地表移动变形的基本稳定时间大约在250天左右，其中活跃期220天以上。由于地形起伏、上覆岩层岩性较软弱及地面工程建设等因素的影响，实际地表的稳定会持续更长的时间[8]。

参考文献：

[1] 林斌,赵法锁,石碧波.陕西韩城市地质灾害空间分布规律与防治[J].灾害学,2004,19(4):35-39.

[2] 何国清,杨伦.矿山开采沉陷学[M].北京:中国矿业大学出版社,1991.

[3] 刘宝琛,廖国华,颜荣贵，等.采煤岩层及地表移动的基本规律[R].长沙岩石力学工程技术咨询公司,1987.

[4] 余学义,张恩强.开采损害学[M].北京:煤炭工业出版社,2004.

[5] 王金庄.开采沉陷若干理论与技术问题研究[J].矿山测量,2003(3):1-5，70.

[6] 毛明楷，贾宝，梁晓莉，等.MATLAB在开采沉陷预计参数求取中的应用[J].河南城建学院学报,2013,22(5):45-49.

[7] 马荷雯,刘长星. 深埋煤层采动山区地表移动规律实测研究[J]. 煤炭技术,2015，34(12)：104-106.

[8] 朱庆伟,姬文斌,孙学阳.黄土覆岩浅埋深大采高矿区沉陷数值模拟[J].煤矿安全,2016，47(7)：230-233.