0 引 言
由于地下煤炭资源的开采，采动影响通过上覆岩层波及到地表，使地表产生变形和破坏。研究不同矿区岩数参数的规律，对该区域煤层开采引起的地表变形和破坏进行预计和分析，能有效地减少开采破坏性[1-3]。国内的专家学者们一直在对不同矿区地表移动参数与地质采矿条件之间的关系进行研究，从20世纪50年代开始，阜新矿业学院就对北票矿区地表移动规律进行初步探讨，求取了北票矿区急倾斜煤层开采的地表移动和变形参数[4]；李凤明等[5]用数学方法分析了厚冲积层矿区地表移动与变形预计所用基本参数与地质采矿条件之间的关系；王来等[6]根据龙口矿区的实际地质条件建立了岩层的线弹性力学模型；葛家新[7]获得了兖州矿区预计参数的变化规律，提出了水平移动的修正方程；林育秀[8]对肥城矿区地表移动变形参数规律进行了研究；张铁民[9]求取了大屯矿区地质采矿条件下开采引起的岩层与地表移动变形参数；张文志等[10]揭示了开滦矿区厚松散层、岩层与地表移动的内在机理和规律；王勇[11]根据徐州矿区多个观测站的实测资料，分析求出了徐州矿区浅部开采、深部开采条件下地表移动参数；李培现等[12]建立了开采沉陷概率积分法参数与地质采矿条件之间的统计回归公式，且公式误差较小，各参数回归公式均具有较好的泛化性能；陈勇等[13]提出了利用Matlab中的非线性最小二乘法拟合函数求取概率积分法预计参数的方法，用此方法求取各个观测站的地表移动预计参数；郭文兵等[14]分析了条带开采地表移动参数的影响因素，并结合现场观测站实测数据和理论分析，建立了条带开采地表移动预计参数新的计算公式；余华中等[15]用数学方法分析了厚松散层放顶煤开采条件下地表移动参数的特点，并得出地表移动参数与地质采矿条件之间的函数关系式；李凤明[16]系统提出了厚冲积层矿区地表移动参数规律的特点，并给出了相应的数学计算公式；戴华阳等[17]采用相似材料模型试验方法,研究了特厚急倾斜煤层水平分层开采岩层移动机理和地表移动规律。可见国内的专家学者们已经取得了丰硕的成果，但是对东胜矿区的研究，国内并未见相关文献的探讨。
东胜矿区煤层埋藏浅，煤厚较大，地质条件简单，成为了国内最大的煤炭产出地，通过对已取得的多个地表移动观测站的实测资料的分析与总结，研究各观测站参数与地质采矿条件之间的相关关系，建立不同地质采矿条件下各角量参数及概率积分法计算参数的经验公式具有重要的意义。经验公式的确立能对今后该矿区范围内开采工作面的地表移动参数起到预计作用，对地表破坏进行控制与治理，减少破坏性，为土地复垦与生态恢复提供依据，对我国煤炭工业绿色健康的发展、生态环境的保护、社会的和谐稳定等具有重大的现实意义和深远的社会意义。
1 东胜矿区概况
东胜煤田北起黄河，南到陕西-内蒙古边界，西至侏罗系煤组6号煤层底扳垂深800 m，东至该煤组地表露头。南北长155 km，东西宽83公里，含煤面积12 860 km2，探明地质储量2 236亿t，预测储量6 690亿t。东胜矿区因为其得天独厚的条件，即煤层埋藏浅，煤厚较大，地质条件简单，成为了国内最大的煤炭产出基地。东胜矿区2000年之前开采规模较小，多采用房柱式开采，2005年至2008年进行了技术改造，所有矿井基本采用综采或综放开采，开采规模大，采高较大，煤层埋深较浅，因此开采引起的覆岩破坏严重，波及到地表，使地表出现裂缝、塌陷坑等，对地面建筑物、公路、铁路、河流等造成严重破坏[18-20]。
2 观测站实测资料分析
从20世纪90年代至今，20多年间，东胜矿区在布尔台矿、寸草塔一矿和二矿、柳塔矿、杨家村矿、察哈素矿、大柳塔矿、乌兰木伦矿、韩家湾矿、补连塔矿、万利一矿等10多个煤矿内建立了地表移动观测站各矿井位置如图1所示，各矿观测站情况见表1。
图1 东胜矿区各矿井位置
Fig.1 Mines location of Dongsheng Mining Area
为了研究东胜矿区各矿的地表移动规律，通过丰富的实测资料，得出了各观测站的地表移动变形的角量参数，其结果见表2，各观测站的地表移动变形概率积分法预计参数，结果见表3。
表1 东胜矿区各矿采矿因素与地表移动观测站情况
Table 1 Mining factors and surface movement observations of Dongsheng Mining Area
参数柳塔煤矿12106布尔台煤矿22103-1寸草塔煤矿22111寸草塔二矿22111杨家村222201察哈素3101开采煤层1-2煤2-2煤2-2煤2-2煤2-2煤3-1煤采深/m128^175157^324136^261284^327118^152382^455采高/m6.93.42.82.95.04.5走向长度/m63342502085364816002503.74倾向长度/m246.8360224300240300.58倾角/(°)1^31^41^31^31^41^3松散层厚度/m0^603^340^320^320^200^28推进速度/(m·d-1)5.08.39.77.25.18.9采煤方法综放综采综采综采综采综采顶板管理方法全陷全陷全陷全陷全陷全陷参数大柳塔矿1203乌兰木仑矿 2207韩家湾矿2304补连塔矿32301补连塔2211万利一矿31305开采煤层1-2煤1-2煤2-2煤2-2煤2-2煤3-1煤采深/m61102130260110100^190采高/m4.032.204.106.104.004.90走向长度/m9388921800522013672706倾向长度/m150158268301185300倾角/(°)1^30^12^41^31^31.5^5.0松散层厚度/m20^3020^4050^6530^555^500^10推进速度/(m·d-1)2.42.889.2—10采煤方法综采综采综采综采综采综采顶板管理方法全陷全陷全陷全陷全陷全陷
表2 东胜矿区各矿地表移动变形角量参数情况
Table 2 Surface movement deformation angle parameters of Dongsheng Mining Area
工作面名称采深H/m采高m/m松散层厚度h/m走向边界角/(°)下(上)山边界角/(°)走向移动角/(°)下(上)山移动角/(°)走向裂缝角/(°)柳塔矿121061506.93048.366.266.566.373布尔台矿22103-12953.420—49.1—7466寸草塔矿221112502.82048.052.17677.2—寸草塔二矿221113102.920—54.2—76.2—杨家村矿2222011335105656717174察哈素矿31014184.528625370—70大柳塔矿1203614.03266466697178乌兰木伦矿22071022.2305260.5707270韩家湾矿23041304.16558.5—64—80补连塔矿323012606.155—————补连塔矿22111104206160———万利一矿313051704.91060—71—70
3 地表移动角量参数规律
根据表2，利用多元回归分析，总结得出各角量参数与采厚m、采深H和松散层厚度h之间关系如下。
1)走向边界角，即有
δ0=-0.198(H-h)/m+63.41
此时，回归方程的相关系数R=0.881 6，取置信水平α=0.05，则7个样本空间的相关系数临界值r，查表得r0.05,5=0.754 5，因R>r，说明其在α水平上相关显著，此时，其相关关系如图2所示。
图2 走向边界角与(H-h)/m的关系
Fig.2 Correlation of trending boundary angle and (H-h)/m
2)下(上)山边界角关系，即有
β0=γ0=-0.141 9(H-h)/m+64.79
此时R=0.8315>r0.05，7=0.666 4，该回归方程的相关系数大于其临界值，说明其在该置信水平α上相关显著，此时，其相关关系如图3所示。
图3 下(上)山边界角与(H-h)/m的关系
Fig.3 Correlation of boundary angle and (H-h)/m
3)走向移动角关系，即有
δ=0.121 6(H-h)/m+65.557
此时R=0.888 3>r0.05，5=0.754 5，即该关系式α=0.05水平上相关显著，其相关关系如图4所示。
图4 走向移动角与(H-h)/m的关系
Fig.4 Correlation of trending displacement angle and (H-h)/m
4)下(上)山移动角。东胜煤田煤层为近水平煤层，煤层倾角变化较小，即可以认为上山移动角γ与下山移动角β相等，即β=γ。下(上)山移动角和基岩厚度与采高的比值经回归分析得到关系式为
β=γ=0.085 8(H-h)/m+68.21
此时R=0.883 2>r0.05，5=0.754 5，即该相关关系式在α=0.05水平上相关显著，其相关关系如图5所示。
图5 下(上)山移动角与(H-h)/m的关系
Fig.5 Correlation of dip displacement angle and (H-h)/m
5)走向裂缝角关系，即有
δ′=-0.123 8(H-h)/m+77.11
此时R=0.799 6>r0.05，6=0.706 7，即该相关关系式在α=0.05水平上相关显著，其相关关系如图6所示。
图6 走向裂缝角与(H-h)/m的关系
Fig.6 Correlation of trending crack angle and (H-h)/m
4 地表移动计算参数
各观测站概率积分法预计参数见表3，利用多元回归分析，总结得出各概率积分法计算参数与采厚m、采深H和松散层厚度h之间关系如下：
1)下沉系数关系，即有
q=0.018m-7.646/(H-h)+0.730
此时R=0.702>r0.05，10=0.5760，即该相关关系式在α=0.05水平上相关显著，回归标准化残差的标准概率图如图7所示。
2)水平移动系数关系，即有
此时R=0.8781>r0.05，10=0.5760，即该相关关系式在α=0.05水平上相关显著，其相关关系如图8所示。
图7 下沉系数回归标准化残差的标准关系
Fig.7 Regression standardization residuals of subsidence coefficient
图8 水平移动系数与h/(H-h)的关系
Fig.8 Correlation of horizontal movement factor and h/(H-h)
3)主要影响角正切tan β关系，有
tan β=1.333+0.163m+0.003(H-h)
此时R=0.6550>r0.05，10=0.5760，即该相关关系式在α=0.05水平上相关显著。回归标准化残差的概率关系如图9所示。
图9 主要影响角正切回归标准化残差的概率关系
Fig.9 Regression standardization residuals of main effecting angle tangent
4)拐点偏移系数S；首先，拐点偏移系数S与采高m的相关关系式为
S=0.011 7m+0.140 3，R=0.132 9
此时R=0.132 9<r0.05，10=0.576 0，即该相关关系式在α=0.05水平上相关性不显著，即拐点偏移系数与采厚没有关系。
其次，拐点偏移系数S与基岩厚度H-h的关系拟合得到回归关系式为
S=-0.000 5(H-h)+0.275 9
此时R=0.474 8<r0.05，10=0.576 0，即该相关关系式在α=0.05水平上相关性不显著，即拐点偏移系数与基岩厚度相关性不大。
因此，对东胜煤田开采引起的地表移动变形拐点偏移系数与地质采矿因素进行回归分析可知，拐点偏移系数与地质采矿因素间无显著关系，其变化范围为0.04～0.37。
5 结 论
在获得东胜煤田11个矿井12个工作面的地表移动规律的基础上，对已取得的各参数进行汇总分析，利用MATLAB与SPSS进行回归分析，研究了东胜煤田煤层开采引起的岩层与地表移动变形角量参数以及概率积分法计算参数与地质采矿条件之间的相关关系，建立了东胜煤田内各变形参数与地质采矿条件的经验公式。
1)边界角、移动角、裂缝角与基岩厚度和采厚的比值相关性较大。且采厚越大，危险移动范围越大，各角量参数越小；基岩厚度减小，松散层厚度增大，使地表移动量增大，导致地表移动范围增大，各角量参数减小。
2)概率积分法计算参数中，下沉系数与采厚和基岩厚度相关性较好；水平移动系数与松散层厚度与基岩厚度相关性较好；主要影响角正切与采厚和基岩厚度相关性较好，采厚越大基岩厚度越大，主要影响角正切值越大；而拐点偏移系数与地质采矿条件无显著关系，但存在变化范围为0.04～0.37。
3)应用得出的各角量参数以及概率积分法计算参数的经验公式，对今后东胜矿区范围内煤层开采地表移动参数进行预计，能有效地减少地表破坏性，为土地复垦与生态恢复提供依据。
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