多種地質采礦因素復合影響下開采沉陷規律分析

康新亮，蔡音飛

(1.西山煤電(集團)有限責任公司 地質處，山西 太原 030053； 2.太原理工大學 礦業工程學院，山西 太原 030024)

煤炭資源一直是我國能源安全的基礎保障，在煤炭綠色開采受到持續關注的今天，針對采煤沉陷的研究和治理是影響煤炭綠色開采的重要課題[1- 2]。地表移動觀測站是研究開采沉陷的重要常規地面監測手段，其精度可靠、使用廣泛，可為掌握沉陷規律、鑒定或評估開采損害、修復地質和生態環境提供基礎資料[3-5]。隨著技術的發展，靜態GNSS雙基線方法已廣泛應用于礦山地表移動的監測，一般多采用RTK或者靜態方式進行地表移動監測，分別可達到厘米、毫米級精度[6-10]。

西山煤田地處黃土高原，受地形的影響，沉陷規律呈現出很多與平地不一樣的特征。自何萬龍[11-12]提出山區地表移動“滑移影響函數”模型以來，大量學者通過實測和實驗的方法，完善了山區沉陷規律、改進了山區沉陷模型[13-18]。目前，西山煤田已逐漸從上組煤開采轉入下組煤開采，由于重復開采的影響[19-20]，由上組煤觀測得到的巖移參數已不能完全適用于當前地物保護的要求[21]，需重新設立地表移動觀測站進行監測及研究。

影響開采沉陷的地質、采礦因素較多且耦合，筆者擬通過對一個山區緩傾斜煤層重復開采條件下的地表移動觀測站監測數據的分析，得出多種地質、采礦因素復合影響下的開采沉陷特征和機理，為研究區礦山開采和地物保護提供指導，為其他復合因素影響下的開采沉陷研究提供參考。

1 研究區概況

1.1 礦區概況

鎮城底礦隸屬于古交市鎮城底鎮，位于西山煤田西北邊緣，呂梁山脈中段的東翼，面積為17.808 2 km2，開采標高為+660～+1 120 m，核定規模190萬t/a，現主采2#、8#煤層。礦區屬中低山區，溝谷縱橫，切割劇烈，地形較為復雜。地面相對高差一般為150～250 m，山頭及山脊處較為平緩，為新生界黃土層覆蓋。溝谷多呈“V”字形，兩側基巖裸露。

1.2 工作面及其觀測站概況

本區煤系地層位于中奧陶統石灰巖之上。地表移動觀測站所在的28620工作面(已采完)開采8#煤層，為鎮城底礦南六采區下組煤(8#煤)首采工作面，工作面走向長1 022 m，傾向長135 m，煤層平均傾角為6°，平均厚度為4.32 m。28620工作面蓋山厚度為412～575 m，全區大部被黃土覆蓋，平均厚度約為20 m。28620工作面開采方式為綜采，頂板控制方式為全部垮落法。開切眼位于工作面南部，推進方向為由南向北(方位角30°)。

28620工作面附近有2個位于上煤組(2#煤)的工作面22618、22620工作面，分別于2017年和2011—2012年開采。除上述2個工作面外，其他已采工作面距28620工作面較遠，8#煤層距離最近的工作面距B1監測點762 m(西北方向)，2#煤層距離最近的工作面距B33監測點512 m(東北方向)。

1.3 觀測站布置與觀測

依據28620工作面的主要參數，布置2條觀測線，包括走向A觀測線(A線)900 m，含監測點 31個，傾向B觀測線(B線)960 m，含監測點33個。觀測站與工作面的關系見圖1。

圖1 28620工作面和地表移動觀測站布置概圖(含鄰近已開采的工作面)

采用靜態GNSS雙基線方法進行觀測。測量時，每個時段都在2個固定的控制點(礦方提供，已驗證穩定)上安置GNSS接收機，監測點上的接收機進行輪換。測點與2個控制點連線所構成的夾角需控制在30°～150°。在鎮城底礦用該方法測得的高程和平面精度已驗證不超過5 mm[10, 22]，可滿足地表移動觀測站的精度要求。

觀測站實測工作于2018年4月19日開始，至2020年4月15日完成。按照平均每月1次的頻率(前期監測間隔小于1個月，后期監測間隔較大)進行觀測，期間對工作面走向A觀測線、傾向B觀測線各進行 19次觀測。監測點A6、A9、A14、A16、A18～A21和B2、B4、B28～B33陸續被破壞。其中，A14、A16、A18～A21于2018年1月至8月、B28～B33于2019年1月因西山煤電電廠排灰陸續被掩埋，無法恢復。

2 觀測站成果分析

2.1 地表移動曲線

通過對走向A線和傾向B線監測點的監測數據進行分析和計算，得到2條測線各期下沉、水平移動值，選取其中若干期監測數據繪制曲線，結果見圖2、圖3(圖中包含初測得到的各監測點的高程，即地形)。曲線繪制時，走向和傾向橫坐標原點分別定為工作面的開切眼和采空區上山邊界。圖2中，A線監測點A14、A16、A18～A21的缺失使得水平移動曲線極不完整，未繪于圖中；A線的下沉曲線在這些缺失的點位處用虛線直連，以顯示曲線趨勢。

圖2 走向A觀測線(A線)下沉曲線圖

圖3 傾向B觀測線(B線)下沉、水平移動曲線圖

由圖2可知，隨著工作面不斷推進，下沉曲線的影響范圍向推進方向擴大，下沉值W不斷增大，在充分沉陷后，下沉的極值不再明顯增大。測得的最大下沉值為2 047 mm。

由圖3可知，在傾向沉陷失去對稱性，在煤層傾角不大(3°)的情況下，推測是由其他地質、采礦因素聯合影響造成的。

2.2 地表移動變形主要參數

根據觀測站實測數據，以下沉10 mm所在位置求解走向和傾向上、下山的邊界角；以傾斜3 mm/m、曲率0.2×10-3m-1、水平變形2 mm/m三者的最外位置求解走向和傾向上、下山的移動角；以傾向最大下沉值所在位置求解最大下沉角；以走向最先達到最大下沉值的位置求解充分采動角；以走向下沉盆底的A29點求解最大下沉速度。計算得到地表移動變形主要參數的建議取值如下：走向邊界角65°、上山邊界角64°、走向移動角66°、上山移動角64°、下山移動角66°、最大下沉角90°、充分采動角62°、最大下沉速度12.46 mm/d。下山邊界角因B28～B33被破壞，無法求解。

對實測移動變形值用擬合模擬求參的方法，求取概率積分法預計參數如下：下沉系數為0.81、水平移動系數為0.32、拐點偏移距為18 m、主要影響角正切值為2.5和開采影響傳播角為88°。

3 地質、采礦因素復合影響下沉陷分布規律

觀測站所在的28620工作面采空區的走向主斷面由于在監測后期缺失的點位較多，且其上覆地表在沿測線方向較平緩，因此筆者不再討論該主斷面上的沉陷分布規律。以下主要討論在地質、采礦復合影響因子作用下，傾向主斷面上沉陷分布規律及其影響因素。

3.1 復合影響因子

觀測站所在的28620工作面采空區的傾向主斷面上，對沉陷規律有較大影響的地質、采礦因子如下：

1)測線所在位置的煤層剖面為緩傾斜(3°)。

2)28620工作面兩側各有1個老采空區，但形成時間不同，推進方向左側(煤層上山方向，即北西方向)為2017年形成的22618采空區，另一側為2011—2012年形成的22620采空區(見圖1)。通過監測數據可對比分析不同時期已采工作面造成上覆巖層的“活化”現象[23-24]。

3)工作面位于山區，地表最高點大致在28620采空區中心上方，向兩邊逐漸降低。地表的剖面線看似關于采空區中心對稱，實則有差異，具體情況如下：

①坡度。28620采空區中心附近，煤層上、下山方向地表傾角分別為1.9°和15.0°，差異明顯；采空區外側，煤層上、下山方向地表傾角分別為11.8°和10.2°，基本一致。通過無人機航拍建模發現，煤層上山方向雖然整體坡度為10°以上，但多呈臺階狀下降(見圖4)；煤層下山方向，山脊與測線方向不一致(見圖5)，形成圖3中沿測線方向坡度為10.2°的區域，在模型上量測的坡向方向的坡度約為28.0°。

圖4 煤層上山方向(方位角300°)測線與地形關系

②地表植被。根據當地國土部門獲取的土地利用現狀圖和現場調查，煤層上山方向多為旱地和灌木林地；煤層下山方向為其他草地(荒草地)，固土能力差。

綜合分析可知，初步判斷，地形對沉陷的影響在煤層下山方向應大于煤層上山方向。

3.2 沉陷分布規律及其影響因素

由圖3可知，28620工作面開采后，沉陷特征在傾向上呈現明顯的不對稱性，3個復合影響因子對沉陷的影響方式如下：

1)下沉極值與曲線形態

觀測得到的最大下沉值點為B17，最大下沉值為 2 047 mm，正好位于28620采空區中心的正上方，符合水平和緩傾斜煤層沉陷規律。考慮測點分布密度有限，進一步考查B17兩側的B16和B18點的下沉值，分別為1 800、2 009 mm，差異明顯。表明下沉曲線極值有向煤層下山方向(B18)偏離的趨勢。究其原因，應是由煤層傾斜和28620采空區中心上方兩側的地表坡度不一致造成(煤層下山方向地表傾角更大)。

由沉陷的一般理論可知：①煤層傾斜使得下沉曲線極值和影響范圍都偏向煤層下山方向；②山區地表移動的影響范圍一般比平地偏大，傾角越大(本例煤層下山方向)影響范圍越大。但是圖3的下沉曲線并未完全符合這個規律，下沉極值有向煤層下山方向發展的趨勢(符合規律)，影響范圍反而在煤層上山方向更大(不符合規律)。

因本觀測站在煤層下山方向邊界點(B28～B33)被破壞，根據實測數據求解出的邊界角、移動角不能完全反映下沉曲線的影響范圍，故考查下沉曲線兩側數值等于1 800、1 200、600、300 mm的點偏離28620采空區中心的距離，見表1。當沉陷值相等時，下沉曲線上兩側的點，距離28620采空區中心越遠表明影響越偏向于該方向。

表1 下沉曲線上不同下沉值的點偏離28620采空區中心的距離

由表1可知，在28620采空區中心附近，下沉曲線向煤層下山方向偏移，越向兩側發展，下沉曲線反而向煤層上山方向發展更遠。表明下沉曲線的形態和影響范圍，除了受煤層(下山方向影響范圍大)和地表的傾斜(傾角越大，影響范圍越大)影響外，附近老采空區的影響也不容忽視。上煤組的22618、22620工作面分別位于28620工作面的上山、下山方向，2個工作面相距60 m，條件近似，但22618工作面的開采時間(2017年)距28620工作面的開采時間(2018—2019年)更近。分析表明，工作面開采造成的巖層“活化”現象隨著時間的推移會有所減弱，所以22618工作面開采造成的上覆巖層“活化”現象對觀測站所在28620工作面的影響更大，導致其對28620工作面開采后煤層上山方向(22618一側)的沉降數值影響更大、范圍更遠(除最大下沉點附近)。

2)水平移動極值與曲線形態

由圖3可知，水平移動曲線形狀上的不對稱性比下沉曲線更明顯。以最后一期觀測的水平移動曲線為例，煤層上山、下山方向的地表水平移動極值分別為659 mm(指向下山)、-196 mm(指向上山)，差距明顯。

由沉陷的一般理論可知：①煤層傾斜會造成指向上山方向的水平移動增大(本例煤層傾角小，影響不大)；②地形起伏使得地表在開采影響下產生滑移，造成指向地表下山方向的水平移動增大；③老采空區“活化”現象加劇地表移動。上述地質、采礦因素對觀測站所在的28620工作面煤層上、下山方向水平移動的影響如表2所示。

表2 觀測站所在工作面的地質、采礦因素對水平移動的影響

測得28620工作面的最大下沉值為2 047 mm，考慮當地水平移動系數一般為0.3，則水平移動理論極值應為614 mm，與煤層上山方向極值659 mm相近，表明在煤層上山方向地表傾斜與老采空區影響程度相當；下山方向極值為-196 mm明顯偏小，表明地表傾斜在該方向的影響程度大于老采空區。考慮在煤層上山方向，地表更平緩、采空區開采年份距今更近，二者影響程度相當；在煤層下山方向，在更陡峭的地表(沿山體坡向約28°、地表植被固土能力差)、更久遠的采空區的聯合影響下，地形的影響更大是合理的。水平移動0值點從理論上的28620采空區中心B17點移動到B19點附近，也是由于在這一側地形影響更占優勢造成的。

對比圖3中2019年8月15日、2020年4月15日的2條水平移動曲線，指向下山方向的正水平移動極值由535 mm增加到659 mm(B15處)，指向上山方向的負水平移動極值由-298 mm減小(考慮絕對值)到-196 mm(B23處)。結合表2給出的各因素對水平移動的影響，說明在開采結束后的殘余變形階段，在28620采空區左側，老采空區活化影響占優勢(老采空區時間近、地形緩)，而右側則是地表滑移影響占優勢(老采空區時間遠、地形陡)。

4 結論

1)煤層傾斜造成地表沉陷向煤層下山方向發展，下沉極值偏向下山方向，指向煤層上山方向的水平移動值增大。觀測站所在的28620工作面傾角較小，上述現象不明顯。

2)地形的起伏會產生沿地表下山方向的滑移，造成沉陷范圍增大，沉陷值增減與坡向有關。應細化對地形的考查，除了地表傾角外，廣義的地形因素包括臺階狀地形(其影響弱于有同樣傾角的連續坡體)、沿觀測線傾角和實際山體傾角不一致的情況、地表覆被固土能力差異化情況等也應納入調查和分析之中。觀測站所在的28620工作面在煤層上、下山方向的地表傾角相近，但由于上述廣義地形因素的影響，兩個方向沉陷差異明顯。

3)老采空區對上覆巖層有“活化”作用，但該作用會隨著時間的推移而減弱。觀測站所在的28620工作面兩側存在老采空區，開采結束時間距工作面開采時間分別為1、6 a，2個老采空區對沉陷的影響差異明顯。

4)地質、采礦復合因素對開采沉陷的影響是動態變化的，在不同煤層傾角、地形(包括覆被情況)、老采空區條件下，需具體分析占優勢影響的因素。