2024-03-12
（1）设计并实施了针对580m巨厚松散层的“光纤-电法”联合测试技术，构建了深度超过600m的裸孔全断面监测系统，实现了松散层内部变形的动态监测。该系统有效获取了煤层采动影响区域巨厚松散层内部应变、位移数据及监测钻孔周围电阻率变化信息，精准定位了巨厚松散层内部变形发育位置，揭示了工作面回采过程与松散层内部变形时空演变关系。（2）获得了采动过程中松散层内部变形并非整体移动的认识，揭示了在含隔水层界面会优先且具有差异性的形变规律。研究表明含水砂层上界面变形速率快，形变通常表现突跃形式，且影响范围大；而隔水层粘性土界面形变相对连续，变形持续时间较含水砂层更长，尤其厚粘性土隔水层表现“类关键层”滞后变形现象尤为显著，进一步证实了粘性土形变是导致沉陷周期边长的主要控制因素。（3）阐明了巨厚松散层内部变形过程表现显著的非线性变化趋势。基于工作面回采位置与松散层内部变形时空演变关系的细致刻画，将采动影响过程划分为四个阶段：超前影响期、弱采动影响期、强采动影响期、采后沉稳期，并揭示了超前影响变形表现“台阶状”形态与采动影响期的“反向3字型”移动变形特征，为理解和预测巨厚松散层覆盖矿区地表移动提供了全新的视角和量化依据。作者：张平松1 ， 许时昂1 ， 傅先杰2 ， 吴荣新1单位：1. 安徽理工大学 地球与环境学院; 2. 中煤新集能源股份有限公司煤炭在我国能源结构中占据重要的基础性地位， 在推动经济社会的高质量发展和确保能源安全与稳定性供给方面做出了巨大的历史性贡献。我国东 部矿区，进行巨厚松散层覆盖下煤炭资源开采时，地表下沉现象显著，表现出下沉量大于采高、沉陷范围大、沉稳时间长、活跃期集中且剧烈等现象。并且，由开采所引起的土地占用和地表沉陷治理成为限制矿区发展最严重的问题之一，这些问题在煤炭资源分布区与经济社会发展圈的重叠区以及高潜水位矿区显得更为突出。以两淮矿区为例，淮北采煤塌陷土地 2.77 万 ha，造成失地农民人数达到 27.6 万之 多;淮南矿区塌陷累计面积也近 3.33 万 ha，涉及搬迁人口也达到了 17.4 万余人。两地因搬迁及沉陷区生 态修复累计投入资金已达数百亿。其中淮南采煤沉 陷影响区域已占据了城市总面积的 10% 以上。随着煤炭开采的持续进行，矿区沉陷面积及影响范围还将进一步扩大。巨厚松散层矿区沉陷行为的特殊性，加上松散层土体在物理力学性质和赋存环境的复杂性，使得对其移动、变形等特征进行研究成为众多学者关注的焦点和难点，同时这也是煤矿企业在安全生产中高度重视的工程问题。地表稳沉的范围和时间的不确定性，除了直接影响工业广场和井筒的安全运行，还对矿区生态修复、安全生产和可持续发展提出了极大的挑战。 我国对于松散层变形研究起源于 20世纪50年代，此时研究多关注“三下”开采，通过建立地表移动观测站获得地表沉陷数据;至20世纪80年代，华东地区出现大面积的井筒破裂的问题，同时巨厚松散层下开采所导致的地表移动、工业广场建筑物损坏以及塌陷区异地搬迁等问题，对其细致研究逐渐兴起。一些学者研究了松散层与井筒之间的作用机制，并深入分析松散层内部变形机理;何国清等探讨了水平移动变形分布规律、预计和误差控制方法的优化，在一定程度上促进了地表沉陷预测、评价水平的提高;陈俊杰等探讨了应力演化分区对地表沉陷影响，分析了应力分布与地表移动的机理，研究提出将松散层与基岩分开评价，以松散层厚度与基岩厚度比来评定采动程度;李文平等通过室内试验研究了大埋深土与井壁相互作用，分析了砂、黏土互层组成的含水层组失水 变形及黏土层固结压缩变形相关机理，指出深部土层失水变形从深部开始，且深部的位移大于浅部;隋旺华等研究了采动作用下沉陷土体与孔隙水压之间作用关系，揭示厚松散含水层开采沉陷机制，发现应 力分区从采空区向上依次发育为双向拉应力、拉压应力区及双向压应力去，并表现出较为明显的分带性; 吴侃等以物理相似模拟试验为基础，分析了采动作用下竖向裂缝优先由地表发生的松散层变形破坏特征，认为土体内部非黏性土在变形过程中还充当滑动层的作用;许延春等研究了采矿引起厚松散层变形特征，发现厚松散层内部移动边界有明显的曲线特 征，得出松散层内部移动角参数存在分层差异，提出了依据埋深和沉积年代划分松散层中第四系、第三系地层进行分段确定角量参数用来设计保护煤柱的留设参数更为准确;戴华阳等提出了急倾斜煤层开采条件下地表变形特征，通过数值计算研究松散层软弱面非连续变形的形态和机理，讨论了地表移动及其变 形预计方法和极值的问题;张丁丁等采用相似松散 层沉降变形物理模型试验装置，探究了光纤光栅测试技术在注水和失水条件下厚松散层沉降观测中的应 用;左建平等在厚松散层水平煤层开采条件下，建立岩层移动与地表沉降内外“类双曲线”模型理论;汪锋等研究了关键层与松散层结构组合的形态特征， 提出了“关键层−松散层拱”模型分析其变形及内力分布，利用数值模拟，获得松散层内部变形发育松散层 拱的认识;刘义新等通过钻孔电视探测和多点位移 传感器对厚黄土层采动条件下沉陷进行实时监测，得 到厚黄土层近似整体下沉;刘世齐等研究了厚松散 层薄基岩条件下黏−岩协同变形及其结构失稳突变模 型，利用沉降仪和倾斜仪对姚桥煤矿 7267 工作面开 采后松散层内部移动变形进行了探测，同时还利用全 站仪对钻孔位置变形进行观测。基于前人的研究成 果，发现过去的研究主要集中在 300 m 以浅的松散层 变形现象，沉陷动态发育过程表征不够明确，变形传 递机理有待深入。而且现有观测手段多为点式测量， 无法提供精细的地层内部变形定位。同时，研究内容 多为变形后的结果，过程中的动态数据与长周期量化分析方面存在不足。淮南新集矿区的松散层覆盖厚度平均厚度超过 500 m，其内部变形研究难度大。笔者以淮南新集矿区某矿110801首采工作面为研究对象，构建了 600 m 深度全断面监测系统，完成煤层开采过程及停采后沉稳期间数据采集，探究煤层回采过程中巨厚松散层内部变形特征和移动规律，提出巨厚松散层变形多场可 测信息量化评价方法，揭示巨厚松散层立体空间变形机理与内部分区特征。研究结果能够为开采沉陷源头治理与过程控制提供基础数据。开采沉陷是煤炭资源井工开发利用所面临的主要环境地质问题，尤其对于我国东部高潜水位矿区而言，巨厚松散层的移动变形控制与采动减损评价备受关注。为了研究巨厚松散层内部移动机制，明确其对地表移动变形影响，以淮南新集矿区某井田为研究区，通过采用分布式光纤与 并行电法联合测试技术，构建超过600 m深度全断面钻孔监测系统，探究巨厚松散层变形特征和内部移动规律。全断面监测系统能够获取煤层采动区域巨厚松散层内部应变、位移信息及监测钻 孔周围电阻率变化情况，量化地层监测断面松散层内部移动变形时空关系和渗流场变化数据，分析松散层内地层变形特征与发育形态。研究结果表明:多参量联合测试技术的应用，显著提高了对巨厚松散层移动变形的监测效率和变形定位的准确性，获得了工作面回采位置与松散层内部变形时空演变关系。并根据松散层变形特征，将采动影响过程划分为超前影响期、弱采动影响期、 强采动影响期、采后沉稳期4个阶段，揭示了超前影响变形表现“台阶状”形态与采动影响期的“反向 3 字型”移动特征，同时分析了“反向 3 字型”移动模式的构成条件、影响因素。基于全断面监测数据，提出巨厚松散层变形多场可测信息量化评价方法，阐明了巨厚松散层在煤层开采过程中存在分层应力积累与释放的规律。研究内容为巨厚松散层内部移动变形的精细化监测分析提供 重要的技术支持。全断面监测技术的应用，也可为采动损害过程监测与评价、矿山生态源头减损 与减沉、沉陷区土地规划与复垦以及松散层内注浆改造等提供参考。
图 1 测试技术原理示意
图 2 巨厚松散层全断面监测系统构建
图 3 31−9 钻孔“四含三隔”巨厚松散层综合柱状
图 4 煤层开采松散层变形示意
图 5 隔水层界面附加应力分布示意
图 6 全断面监测系统布置与安装
图 7 工程场地监测钻孔平面位置
图 8 监测钻孔光纤数据应变分布时程曲线
图 9 地下水位变化与监测孔全地层变形量结果
图 10 监测钻孔应变分布与地层对应关系
图 11 巨厚松散层内部变形演化过程
图 12 松散层不同地层变形特征点拟合分析
图 13 松散层内部变形动态演化示意
图 14 工作面回采过程中松散层内部变形发育过程及形态
图 15 并行电法渗流场测试结果
张平松，男，1971年12月生，安徽六安人，博士，二级教授，博士生导师，安徽省学术和技术带头人，安徽省教学名师。主持国家重点研发计划项目课题任务、国家自然科学基金项目、安徽省科技重大专项及重点研发计划等纵、横向科研项目50余项；授权发明专利30余项；发表各类学术论文80余篇，其中SCI、Ei收录50余篇；出版教材、专著6部；软件著作权12项。兼任中国煤炭学会矿井地质专业委员会副主任、安徽省地质学会副理事长、安徽省地球物理学会副理事长等职务。
研究方向
综合地球物理方法与应用
主要成果
长期从事综合地球物理勘探、矿山透明地质及多灾害源探测监测等方向教研工作。围绕地质透明化技术及装备研发、矿井地球物理勘探技术与应用等取得多项创新性成果，负责并参与完成KDZ系列矿井地质探测仪，YCS40(A)型矿井瞬变电磁仪等多款仪器设备研发，以及震波自动解析系统、地球物理CT处理系统等多套软件开发；完成“智能开采“钻掘采”物探一体化技术与装备”等科技成果10余项，在矿井地质勘探中广泛应用；提出“光纤-电法”联合测试技术，创新深孔安装与封孔工艺，在矿井防灾、减灾探测、监测评价中得到推广应用，并取得显著经济效益。获得省部级科技进步奖一、二等奖6项，三等奖7项。
来源：
张平松,许时昂,傅先杰,等.煤层采动巨厚松散层全断面监测及内部变形特征[J/OL].煤炭学报,1-16[2024-03-12].https://doi.org/10.13225/j.cnki.jccs.YH23.1647.
责任编辑：宫在芹
