煤層采動巨厚松散層全斷面監測及內部變形特征

張平松 ， 許時昂 ， 傅先杰 ， 吳榮新

(1.安徽理工大學 地球與環境學院, 安徽 淮南 232001；2.中煤新集能源股份有限公司, 安徽 淮南 232170)

煤炭在我國能源結構中占據重要的基礎性地位，在推動經濟社會的高質量發展和確保能源安全與穩定性供給方面做出了巨大的歷史性貢獻[1-5]。我國東部礦區，進行巨厚松散層覆蓋下煤炭資源開采時，地表下沉現象顯著，表現出下沉量大于采高、沉陷范圍大、沉穩時間長、活躍期集中且劇烈等現象[6-11]。并且，由開采所引起的土地占用和地表沉陷治理成為限制礦區發展最嚴重的問題之一，這些問題在煤炭資源分布區與經濟社會發展圈的重疊區以及高潛水位礦區顯得更為突出[12-13]。以兩淮礦區為例，淮北采煤塌陷土地2.77 萬ha，造成失地農民人數達到27.6 萬之多；淮南礦區塌陷累計面積也近3.33 萬ha，涉及搬遷人口也達到了17.4 萬余人。兩地因搬遷及沉陷區生態修復累計投入資金已達數百億。其中淮南采煤沉陷影響區域已占據了城市總面積的10%以上。隨著煤炭開采的持續進行，礦區沉陷面積及影響范圍還將進一步擴大[14]。

巨厚松散層礦區沉陷行為的特殊性，加上松散層土體在物理力學性質和賦存環境的復雜性，使得對其移動、變形等特征進行研究成為眾多學者關注的焦點和難點，同時這也是煤礦企業在安全生產中高度重視的工程問題。地表穩沉的范圍和時間的不確定性，除了直接影響工業廣場和井筒的安全運行，還對礦區生態修復、安全生產和可持續發展提出了極大的挑戰[15]。我國對于松散層變形研究起源于20 世紀50 年代，此時研究多關注“三下”開采，通過建立地表移動觀測站獲得地表沉陷數據；至20 世紀80 年代，華東地區出現大面積的井筒破裂的問題，同時巨厚松散層下開采所導致的地表移動、工業廣場建筑物損壞以及塌陷區異地搬遷等問題，對其細致研究逐漸興起。一些學者研究了松散層與井筒之間的作用機制，并深入分析松散層內部變形機理；何國清等[16]探討了水平移動變形分布規律、預計和誤差控制方法的優化，在一定程度上促進了地表沉陷預測、評價水平的提高；陳俊杰等[17]探討了應力演化分區對地表沉陷影響，分析了應力分布與地表移動的機理，研究提出將松散層與基巖分開評價，以松散層厚度與基巖厚度比來評定采動程度；李文平等[18]通過室內試驗研究了大埋深土與井壁相互作用，分析了砂、黏土互層組成的含水層組失水變形及黏土層固結壓縮變形相關機理，指出深部土層失水變形從深部開始，且深部的位移大于淺部；隋旺華等[19]研究了采動作用下沉陷土體與孔隙水壓之間作用關系，揭示厚松散含水層開采沉陷機制，發現應力分區從采空區向上依次發育為雙向拉應力、拉壓應力區及雙向壓應力去，并表現出較為明顯的分帶性；吳侃等[20]以物理相似模擬試驗為基礎，分析了采動作用下豎向裂縫優先由地表發生的松散層變形破壞特征，認為土體內部非黏性土在變形過程中還充當滑動層的作用；許延春等[21-22]研究了采礦引起厚松散層變形特征，發現厚松散層內部移動邊界有明顯的曲線特征，得出松散層內部移動角參數存在分層差異，提出了依據埋深和沉積年代劃分松散層中第四系、第三系地層進行分段確定角量參數用來設計保護煤柱的留設參數更為準確；戴華陽等[23]提出了急傾斜煤層開采條件下地表變形特征，通過數值計算研究松散層軟弱面非連續變形的形態和機理，討論了地表移動及其變形預計方法和極值的問題；張丁丁等[24]采用相似松散層沉降變形物理模型試驗裝置，探究了光纖光柵測試技術在注水和失水條件下厚松散層沉降觀測中的應用；左建平等[25]在厚松散層水平煤層開采條件下，建立巖層移動與地表沉降內外“類雙曲線”模型理論；汪鋒等[26]研究了關鍵層與松散層結構組合的形態特征，提出了“關鍵層-松散層拱”模型分析其變形及內力分布，利用數值模擬，獲得松散層內部變形發育松散層拱的認識；劉義新等[27]通過鉆孔電視探測和多點位移傳感器對厚黃土層采動條件下沉陷進行實時監測，得到厚黃土層近似整體下沉；劉世齊等[28]研究了厚松散層薄基巖條件下黏-巖協同變形及其結構失穩突變模型，利用沉降儀和傾斜儀對姚橋煤礦7267 工作面開采后松散層內部移動變形進行了探測，同時還利用全站儀對鉆孔位置變形進行觀測?；谇叭说难芯砍晒?，發現過去的研究主要集中在300 m 以淺的松散層變形現象，沉陷動態發育過程表征不夠明確，變形傳遞機理有待深入。而且現有觀測手段多為點式測量，無法提供精細的地層內部變形定位。同時，研究內容多為變形后的結果，過程中的動態數據與長周期量化分析方面存在不足[29-30]。

淮南新集礦區的松散層覆蓋厚度平均厚度超過500 m，其內部變形研究難度大。筆者以淮南新集礦區某礦110801 首采工作面為研究對象，構建了600 m深度全斷面監測系統，完成煤層開采過程及停采后沉穩期間數據采集，探究煤層回采過程中巨厚松散層內部變形特征和移動規律，提出巨厚松散層變形多場可測信息量化評價方法，揭示巨厚松散層立體空間變形機理與內部分區特征。研究結果能夠為開采沉陷源頭治理與過程控制提供基礎數據[31-35]。

1 監測技術原理及系統構建

1.1 全斷面聯合監測技術

全斷面監測技術采用分布式光纖-并行電法(后簡稱“光纖-電法”)聯合開展測試。其中，分布式光纖感知技術作為一種新型傳感技術，兼具信號測試與傳輸的優勢[36]。其基本原理利用光波在光纖中傳播時特征參量(頻率、相位、波長等)會隨著被測對象影響因素的變化(如壓力、溫度等)而發生相應的變化[37]。通過建立起環境變量與光纖傳感器自身參量之間的函數關系，實現多種變量如應變、溫度、振動、位移等的測量與監測(式(1))[38]:

此外，采用并行電法測試技術可完成傳統電法的各種測量裝置數據采集，獲得豐富數據，并能夠高效處理數據是該系統的核心[39]。其基本原理通過單點電源供電，剩余電極同時在并行采集電位數據，只需一次測量，即可實現二極、三極等裝置的數據處理及反演(式(2))[40-41]:

其中，I為供電電流；U為供電電壓；R為接地電阻；a為供電電極半徑；ρ為電阻率；G為 Jacobi 矩陣； Δd為觀測數據與正演數據計算值的殘差向量； Δm為初始模型的修改向量；C為模型光滑矩陣；λ為阻尼因子。原理如圖1(b)所示。

圖1 測試技術原理示意Fig.1 Schematic diagram of the test technique

1.2 全斷面監測系統構建

巨厚松散層監測系統構建的難點主要在于松散層段力學性質與膠結強度同巖石差異大，施工中雖然鉆進速度快，但極易出現縮孔、塌孔，這也是導致傳統鉆孔觀測手段，如鉆孔電視、測斜儀、分層沉降儀以及多點位移計等難以實施與進行監測的主要原因[42]。尤其是針對研究區超過500 m 的巨厚松散層，內部變形觀測的難度進一步增加。光纖-電法聯合測試技術優勢為實施松散層內部變形監測提供了可能性。

全斷面監測系統實施需要綜合考慮場地條件、施工工藝、測試技術等方面內容。因此，監測系統構建主要解決以下內容：① 巨厚松散層鉆孔成孔工藝；② 監測鉆孔裸孔安裝；③ 傳感單元與鉆孔耦合；④ 監測系統構建。以此形成全斷面監測系統構建(圖2)，全斷面監測系統可以實現地面至基巖界面，包括巨厚松散層內部全地層空間，在采動過程中的連續、動態的變形測試。監測系統的構建要素的詳細內容，見表1。

表1 全斷面監測系統構建要素Table 1 Components of the full-section monitoring system

圖2 巨厚松散層全斷面監測系統構建Fig.2 Construction of full-section monitoring system for extremely thick loose layer

2 研究區概況

2.1 研究區工程概況

以淮南新集礦區某井田110801 首采工作面為主要研究對象。該工作面上覆地層松散層厚度范圍在542(37-1 鉆孔)～713 m(28-1 鉆孔)，平均厚度為580 m左右，為典型的巨厚松散層結構。工作面內8 煤地層傾角較為平緩，平均傾角為8°；煤厚0.8～3.7 m，埋深689.2～801.4 m。110801 工作面設計走向長1 280 m，傾向寬260 m，采用走向長壁綜采法回采，頂板管理為一次采全高垮落法，平均采高為2.2 m。已有研究表明，區內巨厚松散層下煤層開采除了形成大面積塌陷、積水區外，對井筒及工業廣場影響尤為嚴重。

2.2 “四含三隔”地質模型

結合井田地質勘探信息和水文地質資料分析，繪制了110801 工作面附近31-9 鉆孔柱狀圖(圖3)。在研究中為了方便相關研究工作開展，根據地層沉積特征，將多個巖性相似、工程物理性質相近的地層，進行歸類，結合早期黃淮海平原地層分組情況，構建研究場地4 個含水層組、三隔隔水層組(后簡稱“四含三隔”)的工程地質模型，地層概況見表2。

表2 研究區工作面附近地層概況Table 2 General situation of strata near the working face in the study area

3 巨厚松散層內部變形機理

隨著煤層采出，直接頂巖體向下垮落，上覆巖體形成垮落帶、導水裂隙帶及彎曲下沉帶。這些地層內部的變形最終會傳導至地表，導致地表沉陷[43-44]。通常煤層頂板垮落帶形成后，直接頂掉落充填采空區，因其兼具碎脹性，故基巖內實際下沉值通常小于采高[45-46]。厚松散層礦區地表實測數據結果，沉陷下沉系數大于1，說明松散層內附加變形是使得下沉值超過采高的主要原因。

研究區巨厚松散層中含隔水層組中三含、四含中均發育有封閉性較好的承壓水，采空區上方彎曲變形帶的下沉，增加了承壓層的水頭差。與此同時，彎曲沉自下而上的傳遞過程，使得四含優先變形，當三隔層位未發生變形時，四含空間增大，而在地下水補給較弱的情況下，難以迅速補充。而穩定承壓水形成的條件也是水頭高度下降后，能夠得到穩定、等勢能的補給。在其無法補給的情況下，采動作用造成水頭高度下降迅速，就會造成含水層的壓縮，如圖4 所示。

圖4 煤層開采松散層變形示意Fig.4 Deformation diagram of loose layer during coal seam mining

同時，分布于隔水層之間的含水層，在水頭高度未發生變化前，對上覆隔水層存在有頂托力，并且，相關研究表明頂托力大小與承壓水的水頭高度成正比。而采空區的臨空面及下沉盆地會導致，含水層水頭高度下降，而此時含水層中依然是充滿水，但存在地下水降深的降落漏斗。此時平衡狀態會被打破，承壓水減壓。故在上覆土層和承壓層的界面處則會產生一個向下的附加作用力(圖5)[47]，作用力f為

圖5 隔水層界面附加應力分布示意Fig.5 Diagram of additional stress distribution at the interface of the barrier

式中，rw為采空區彎曲步距；Q為變化流量；k為滲透系數；M為含水層厚度；R′為影響半徑；r為計算點至采空區下沉中點的徑向距離。

研究區地面標高為24～26 m，地下潛水位標高為21～23 m，不同含水層承壓水位為15～18 m，而松散層平均厚度為580 m，因此在計算中可以進行簡化，認為地下水水位與地表齊平。此時，松散層內部任意一點僅作用自重應力σcz和水平側向應力與剪應力[48]分別為

式中，γw為水的容重；hw為計算點水頭高度。

故松散層內部，煤層未開采前某一點所受豎向總應力σv和側向總應力σh分別為

式中，u′0為煤層采后松散層內孔隙水壓力。

由式(8)、(9)可知，u′0受到地下水位降深影響，較初始孔隙水壓力u0減小。土體中的有效應力增加，土體顆粒重新排列，在隔水黏性土層上界面豎向應力也增加，表現出地層的壓縮。而隔水黏性土層下方界面受壓減小，特別有不穩定礦物成分的黏性土界面容易受到水分影響，會發生滲透壓的改變，發生界面釋水。而含水層則由于水位下降，含水層上部土體中孔隙中水壓力減小，導致含水層土體顆粒的排列更加緊密，進而出現含水砂層體積縮小。故在地層沉降作用影響下，以及含水砂層快速壓密情況下，含水砂層上界面會出現短暫的離層。疊加變形作用導致結果為加劇地表沉陷幅值。

4 監測系統原位測試

4.1系統設計與安裝

根據該礦的生產計劃，本次監測鉆孔設計圍繞110801 工作面進行布置。由于研究重點為巨厚松散層部分，因此鉆孔的設計深度為從地表穿過松散層進入基巖界面后向下延伸30 m 深，主要監測區段位于松散層段。圖6 為監測鉆孔布置平面示意及安裝記錄。

監測鉆孔內有效感測長度為鉆孔安裝深度。其中1 號監測鉆孔位于工作面終采線附近，4 號監測鉆孔位于工業廣場附近，與1 號監測鉆孔相距1 270 m，2 者區別在于4 號監測鉆孔不受開采擾動影響。監測鉆孔施工參數見表3。監測鉆孔平面位置如圖7 所示。

表3 監測鉆孔設計及安裝參數Table 3 Design and Installation parameters of monitoring boreholes

圖7 工程場地監測鉆孔平面位置Fig.7 Layout plan of monitoring boreholes at the project site

4.2 數據采集

監測數據采集自鉆孔安裝并回填完成后進行，待鉆孔回填料沉穩結束后，以穩定數據作為背景數據，1號監測孔獲得采前715 m 至采后-44.5 m 過程松散層內部變形數據；4 號孔在采動影響區外，用以對比1 號監測孔數據結果。故監測周期內，獲得了全地層內部密集的變形數據體，動態反映松散層不同深度的變形發育情況。

現場數據采集，選用了AV6419 光纖解調儀。該設備性能穩定，基于布里淵時域散射技術，進行單端發射與接收，可開展連續數據采集。同時，單端測試也使得在測線出現損傷后，依然可以獲得損傷點之后的測試數據。根據監測要求，解調儀空間分辨率設置為1 m，采樣間隔設置為0.1 m。此外感測光纜為鎧裝鋼絞線光纜，即使用金屬加強件對纖芯進行保護，封裝后的光纜直徑5 mm，抗拉強度20 kN，其纖芯應變傳遞系數為0.047 8。巨厚松散層變形過程中兼具地層拉伸與壓縮等形變，考慮光纜在使用過程中對拉應變較壓應變反映更為敏感，故在定制光纜時須對光纜進行預拉，以保證現場數據采集的準確性及長周期觀測需求[51-53]。

4.3 監測數據分析

圖8 分別為1 號和4 號監測孔應變分布數據，其中橫坐標表示鉆孔深度，縱坐標表示累計應變分布曲線。

圖8 監測鉆孔光纖數據應變分布時程曲線Fig.8 Strain distribution time-history curves of the monitored borehole fiber optic data

數據分析中，應變正值為拉應變，表示對應地層位置發生拉伸；應變負值表示壓應變，說明對應地層發生壓縮。鉆孔測試結果可以觀察到在不同深度，鉆孔的變形分布并不均勻，并且應變大小也呈現不連續的特點。測試結果表明，全斷面監測系統獲得極為豐富的動態變化數據，能夠反映形變發生位置。由圖8(a)測試結果可知，位于工作面回采范圍內的1 號監測孔應變分布隨工作面推進，在不同深度地層分別發育拉應變與壓應變，并且數據變化在煤層采動作用下變形特征明顯，其中最大拉應變為10 356×10-6，最大壓應變為4 723×10-6，且存在多個拉應變峰值區和壓應變峰值區；而處于沉陷影響外圍4 號監測孔應變分布相對穩定，其應變變化相對較小，僅在局部地層發育少量拉應變，整體分布以壓應變為主，其中最大拉應變僅為485×10-6，最大壓應變達到825×10-6(圖8(b))。說明煤層采動對沉陷影響的顯著性突出，而影響范圍之外，松散層幾乎不受采動影響。

1 號監測孔應變數據分析可知，工作面開挖前，井田范圍內應力狀態處于相對平衡狀態。工作面開挖形成采空區后，上覆地層會發生移動變形，破壞了井田范圍內地層應力平衡狀態。在采空區上方形成一個卸壓區，以采空區為中心的周邊地層就會出現向卸壓區轉移應力的情況。而松散層介質抗拉強度非常有限，導致局部地層出現較大的拉應變。

結合研究區下水位觀測結果，井田區域內三含、四含水位收疏放水影響，出現持續性下降(圖9(a))，在監測周期內，四含水位平均降深達到了5.1 m 左右，三含水位平均降深達到4.3 m。由此，進一步分析了1 號監測孔與4 號監測孔累計變形量(圖9(b))。根據1 號監測鉆孔與4 號監測鉆孔對比的累計變形實測數據，說明含水層水位的持續下降會引起松散層內部產生壓縮變形，2 者全地層變形趨勢基本一致。由于1 號監測孔靠近開采工作面，其變形幅值較4 號監測孔更大，并且在進入開采強擾動期后，4 號監測孔的空間位置遠，其在變形時間上滯后于1 號監測孔變形。這也表明，在煤層采動過程中，地下水位變化所引起的地表沉降變形也是其中影響因素。采動影響范圍外的地下水位降深也會引發地表沉降，其影響范圍更大，相比較采動影響的沉降幅值相對較小。

圖9 地下水位變化與監測孔全地層變形量結果Fig.9 Results of groundwater level changes and cumulative deformation amount in monitoring boreholes

4.4 工作面回采松散層內變形與地層對應關系

為了更全面地呈現不同回采位置與相應地層形變之間的關系。在工作面回采過程中，分析了1 號監測鉆孔巨厚松散層內部變形分布位置及演化過程。結果展示中約定了相對距離變化的規則：當相對距離為正值時，表示工作面回采位置位于監測鉆孔之前；而當相對距離為負值時，表示工作面位置經過監測鉆孔位于其后方。其應變空間分布與地層對應關系，如圖10 所示。全斷面監測鉆孔變形位置與地層巖性關系密切，能夠較好對應不同含隔水層組巖性組合。

圖10 監測鉆孔應變分布與地層對應關系Fig.10 Relationship of the distribution of monitored borehole strain and strata

圖10 中記錄數據范圍為回采位置距離監測鉆孔之前715.5 m 至經過工作面后44.5 m 過程的數據。根據工作面不同回采位置松散層內變形應變分布與地層對應關系發現，在工作面距離1 號監測孔598.8 m時，四含及三隔層內發育壓應變，最大應變-485×10-6；其間相對距離179.7 m 時地層內部變形發育至地面，此時在522.3 m 與249.2 m 發育拉應變峰值；對應31-9 地層柱狀圖，在對應深度黏性土層內發育壓應變，如149.6、389.1、402.5、476.4 m 深度，地層出現強壓縮層位，最大壓應變達到3 789×10-6。

根據圖10 全斷面監測系統獲得應變分布結果可知，松散層變形發育位置與地層巖性組成關系密切，優先發育在含隔水層界面。由于前文所述“含隔水層組”并非完全單一砂層或黏性土層形成的含水層與隔水層，因此在不同含隔水層中，在采動影響作用下，會發生層組內形變。其變形特征受隔水層附加應力影響，在黏性土層上界面形成層內壓縮，如148.5、417.6、482.3、524.7 m 等位置出現明顯壓應變峰值區分布。結合31-9 柱狀圖對應巖性特征分析，其中厚黏性土層對于松散層變形表現控制作用，及其在附加應力影響下，形成界面弱化。

綜合分析“四含三隔”的含隔水層組中，含水層上界面通常會發育拉應變峰值區，即在采動影響下，含水層水位發生快速降深，含水層與隔水層間發生離層。其原因是由于含水層通常由砂層組成，其孔隙率相對較大，尤其中粗砂介質，水動力條件的改變，含水層的水頭壓力快速減小，砂土中孔隙水壓力也減小，導致有效應力的增加，引發了砂土層的快速壓縮。而黏性土界面應力平衡打破，局部地層會界面弱化，出現所述強壓縮，其壓縮幅值較含水層值更大，最大壓縮量為含水砂層最大壓縮量的12.8 倍。實測結果表明，黏性土層變形滯后，使得巨厚松散層內部變形表現非整體性移動特征。

5 巨厚松散層內部變形演化特征

5.1 松散層內部變形過程

進一步分析煤層開采對松散層內移動變形的影響關系。以1 號監測鉆孔變形數據為例，分別選取了一隔層內61.5、95.4 m；二含層內110.2 m；二隔層內126.6 m；三含層內138.1、261.5、332.4 m；三隔層內398.3、442.5、507.9 m；四含層內545.9、574.3 m 多個特征點進行變化過程分析。其形變結果如圖11 所示，圖中展示了1 號監測鉆孔開挖至掛網收作后60 d 的特征點變形特征。特征點形變數據更加清晰的展示了松散層內部各個含隔水層形變情況。

圖11 巨厚松散層內部變形演化過程Fig.11 Deformation process in the extremely thick loose layer

根據圖11(a)所示結果，不同深度地層特征點在不同數據采集日期獲得的變化表征存在差異，即在不同數據采集日期所對應工作面與1 號監測鉆孔相對距離不同的影響下，松散層內不同層位變形啟動與變化不同。

工作面回采與監測孔相對距離由遠及近，采動影響對前方松散層的影響也表現出由弱及強的特點(圖11(b))，可將工作面開采對松散層擾動劃分為4 個時期：① 超前影響期，該時期以含水地層變形輕微壓縮為主，隔水層保持相對穩定，這種變形主要影響因素為含水層向采空區運移，形成地下水降深變化所導致；② 弱采動影響期，該時期地層變形進一步加劇，地層內含隔水層同時發育，含水層變形幅值和速率較隔水層變形程度更大；③ 強采動影響期，此時工作面回采位置距離1 號監測鉆孔272.6 m，該過程中含水層壓縮轉變為地層拉應變，同時隔水層位也表現拉應變趨勢，而含水層拉應變變化為陡升，隔水層變形則變化相對緩慢。強采動影響期內，存在地層大變形，會導致下部光纜逐層損傷斷裂；④ 采后沉穩期，工作面回采經過監測鉆孔后地層的沉降變形并未完全停止，此時應變分布減小，也會使得早期地層裂隙發育閉合。在采后37 d 后，地層內部變形逐漸平穩。

煤層采動引起上覆地層變形，其中松散層內部形變表現明顯非整體變形特征，含隔水層分層變形。既在不同巖性特征下，應變分布及演化趨勢不同，會在層內形成應力集中，當其形變超過其承載極限后，松散層出現應力釋放，這種變形通常表現地層壓縮、拉伸與滑移，進而導致測線的損傷。因此，選擇多項式回歸分析方法來建立不同特征點變形過程的趨勢分析，根據圖12 的擬合結果顯示，不同深度特征點的R2分 別 達 到 了0.986、0.991、0.914、0.981、0.939、0.965、0.859、0.990、0.982、0.975、0.860 和0.866，說明地層內變形為非線性變形，其中四含地層特征點擬合精度略低，表明采動影響的下部地層非線性變化特征較上部地層更顯著。

圖12 松散層不同地層變形特征點擬合分析Fig.12 Fitting analysis of deformation characteristic points in different depths of loose layer

5.2 松散層變形傳遞規律

松散層處于彎曲變形帶以上，因此其內部變形會隨基巖變形，在四含下部形成向下的直接的彎曲變形，這種直接變形對于砂層而言會引起其內部結構破壞。松散層內部的傳遞會形成“下沉—拉伸—下沉”動態的變化向前推進，并隨著過程改變形不同地層內部形態隨之改變。圖13 為松散層內部變形動態演化示意圖，這種動態演化經歷無影響(圖13(a))、超前影響層內壓縮(圖13(b))、影響加劇地層沉陷變形的過程(圖13(c))。

圖13 松散層內部變形動態演化示意Fig.13 Illustration of the dynamic evolution of internal deformation in loose layers

結合實測數據結果，煤層采動對松散層影響會因為開挖形成內部卸荷空間。當傳遞至松散層內，由于松散層土體抗拉強度、抗壓強度以及抗剪強度都較弱，故在采空區影響范圍內發育沉陷形態。其中采空區正上方松散層受沉降盆地影響會向下運移，而變形移動則兼具向下和向盆地中心的水平移動。因此，工作面回采位置的動態變化以及采空區范圍的擴大，在地表移動范圍線邊界外圍會表現下部地層的壓縮變形。而靠近采空區邊界的形變，會出現層內的拉伸和下沉的共同作用。

圖14 為工作面在不同回采位置對厚層松散地層的超前影響其的發育形態描述，橫坐標包括數據采集測試日期、工作面回采位置以及監測鉆孔之間的相對位置，而縱坐標表示監測鉆孔的深度。圖14 中暖色調代表地層內發生層間移動，而冷色調表示地層經歷了壓縮。

圖14 工作面回采過程中松散層內部變形發育過程及形態Fig.14 Deformation pattern within the loose layer during mining conditions

從圖14(a)可以觀察到深部地層首先經歷了非連續地層壓縮與拉伸，其中壓縮層位主要分布在松散層下部，并在128、255、407 m 層為存在應力集中，隨著工作面的逐步推進，在層內形成相對的連續變化逐層向上傳播，形成了“臺階狀”發育形態；圖14(b)在工作面回采過程中，觀察到工作面距監測鉆孔越近，鉆孔內測線會發生自下而上的損傷現象，反映應力釋放(損傷后，進行數據擬合補全)。通過擾動期內地層變形數據，在擾動過程中會形成超前的“反向3 字型”變形形態?！胺聪? 字型”擾動形態的發育，其形成主要原因為：受含隔水層不同變形速率影響，不同含水層水位除自身變化外，疊加采動影響，沿著最大水力梯度的方向向采空區方向勢能低的地方流動，改變了土中的有效應力，進而影響了土體原有的強度和變形，導致地層發生附加沉降。綜上，通過應變分布云圖清晰地展示，在回采過程中，不同深度的地層對采動擾動的響應特征存在顯著差異，含隔水層界面形成了相互交錯的壓縮—拉伸—穩定的演化過程，這種演化過程與變形機理分析結果具備較好的一致性。

5.3 松散層滲流場演化特征

圖15 獲得了1 號鉆孔全地層地電場數據，展示了工作面與監測鉆孔之間相對距離由660.8～180.0 m間視電阻率分布的結果。通過地電場數據，說明了監測孔附近地電場視電阻率主要分布在0～120 Ω·m，其中三含以上地層與四含電阻率分布差異主要受地下水礦化度影響。工作面在不同回采期，松散層內部滲流場會隨地下水動力條件改變及采動影響視電阻變化范圍5～20 Ω·m，其整體變化相對穩定。一含、二含與地表存在補給關系，視電阻率隨二含水位變化出現輕微波動；而三含電阻率后期出現升高，其對應層位發生滲流改變。同時，四含在工作面回采過程中出現電阻率的降低，說明原有含水層水動力條件發生改變，使得地電場結果隨之變化。測試結果說明滲流場變化超前與變形場發育，結合分布式光纖測試結果，能夠量化地層監測斷面松散層內部移動變形時空關系和滲流場變化數據。

圖15 并行電法滲流場測試結果Fig.15 Parallel electrical method seepage field test results

6 結 論

(1)構建了“光纖-電法”聯合測試的600 m 深度巨厚松散層裸孔全斷面監測系統，實現了松散層內部連續變形動態監測。全斷面監測系統能夠獲取煤層采動區域巨厚松散層內部應變、位移信息及監測鉆孔周圍電阻率變化信息，并對松散層內部變形位置進行準確定位，獲得了回采位置與松散層內部變形時空演變關系。

(2)研究表明采動過程中松散層內部變形并非整體移動，在含隔水層界面會優先發生形變。并且其中含水砂層上界面變形速率快，形變通常為突躍形式，且影響范圍大；而隔水層黏性土界面形變相對連續，變形持續時間較含水砂層更長，厚黏性土隔水層表現“類關鍵層”滯后變形特征。同時，表明了黏性土形變是導致沉陷周期邊長的主要控制因素。

(3)巨厚松散層內部變形過程表現顯著的非線性變化特征?；诠ぷ髅婊夭晌恢门c松散層內部變形時空演變關系，將采動影響對前方松散層擾動過程劃分為超前影響期、弱采動影響期、強采動影響期、采后沉穩期四個階段，并揭示了超前影響變形表現“臺階狀”形態與采動影響期的“反向3 字型”移動變形特征。