多種地質(zhì)采礦因素復(fù)合影響下開采沉陷規(guī)律分析

康新亮，蔡音飛

(1.西山煤電(集團)有限責任公司 地質(zhì)處，山西 太原 030053； 2.太原理工大學 礦業(yè)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(chǔ)保障，在煤炭綠色開采受到持續(xù)關(guān)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(guī)地面監(jiān)測手段，其精度可靠、使用廣泛，可為掌握沉陷規(guī)律、鑒定或評估開采損害、修復(fù)地質(zhì)和生態(tài)環(huán)境提供基礎(chǔ)資料[3-5]。隨著技術(shù)的發(fā)展，靜態(tài)GNSS雙基線方法已廣泛應(yīng)用于礦山地表移動的監(jiān)測，一般多采用RTK或者靜態(tài)方式進行地表移動監(jiān)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(guī)律呈現(xiàn)出很多與平地不一樣的特征。自何萬龍[11-12]提出山區(qū)地表移動“滑移影響函數(shù)”模型以來，大量學者通過實測和實驗的方法，完善了山區(qū)沉陷規(guī)律、改進了山區(qū)沉陷模型[13-18]。目前，西山煤田已逐漸從上組煤開采轉(zhuǎn)入下組煤開采，由于重復(fù)開采的影響[19-20]，由上組煤觀測得到的巖移參數(shù)已不能完全適用于當前地物保護的要求[21]，需重新設(shè)立地表移動觀測站進行監(jiān)測及研究。

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

1 研究區(qū)概況

1.1 礦區(qū)概況

鎮(zhèn)城底礦隸屬于古交市鎮(zhèn)城底鎮(zhèn)，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(guī)模190萬t/a，現(xiàn)主采2#、8#煤層。礦區(qū)屬中低山區(qū)，溝谷縱橫，切割劇烈，地形較為復(fù)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(cè)基巖裸露。

1.2 工作面及其觀測站概況

本區(qū)煤系地層位于中奧陶統(tǒng)石灰?guī)r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(zhèn)城底礦南六采區(qū)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(qū)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(jiān)測點762 m(西北方向)，2#煤層距離最近的工作面距B33監(jiān)測點512 m(東北方向)。

1.3 觀測站布置與觀測

依據(jù)28620工作面的主要參數(shù)，布置2條觀測線，包括走向A觀測線(A線)900 m，含監(jiān)測點 31個，傾向B觀測線(B線)960 m，含監(jiān)測點33個。觀測站與工作面的關(guān)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(tài)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(wěn)定)上安置GNSS接收機，監(jiān)測點上的接收機進行輪換。測點與2個控制點連線所構(gòu)成的夾角需控制在30°～150°。在鎮(zhèn)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(jiān)測間隔小于1個月，后期監(jiān)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(jiān)測點A6、A9、A14、A16、A18～A21和B2、B4、B28～B33陸續(xù)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(xù)被掩埋，無法恢復(fù)。

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(jiān)測點的監(jiān)測數(shù)據(jù)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(jiān)測數(shù)據(jù)繪制曲線，結(jié)果見圖2、圖3(圖中包含初測得到的各監(jiān)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(qū)上山邊界。圖2中，A線監(jiān)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(zhì)、采礦因素聯(lián)合影響造成的。

2.2 地表移動變形主要參數(shù)

根據(jù)觀測站實測數(shù)據(jù)，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(shù)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(yù)計參數(shù)如下：下沉系數(shù)為0.81、水平移動系數(shù)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(zhì)、采礦因素復(fù)合影響下沉陷分布規(guī)律

觀測站所在的28620工作面采空區(qū)的走向主斷面由于在監(jiān)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(guī)律。以下主要討論在地質(zhì)、采礦復(fù)合影響因子作用下，傾向主斷面上沉陷分布規(guī)律及其影響因素。

3.1 復(fù)合影響因子

觀測站所在的28620工作面采空區(qū)的傾向主斷面上，對沉陷規(guī)律有較大影響的地質(zhì)、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(cè)各有1個老采空區(qū)，但形成時間不同，推進方向左側(cè)(煤層上山方向，即北西方向)為2017年形成的22618采空區(qū)，另一側(cè)為2011—2012年形成的22620采空區(qū)(見圖1)。通過監(jiān)測數(shù)據(jù)可對比分析不同時期已采工作面造成上覆巖層的“活化”現(xiàn)象[23-24]。

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

①坡度。28620采空區(qū)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(qū)外側(cè)，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(fā)現(xiàn)，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(qū)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(guān)系

②地表植被。根據(jù)當?shù)貒敛块T獲取的土地利用現(xiàn)狀圖和現(xiàn)場調(diào)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(yīng)大于煤層上山方向。

3.2 沉陷分布規(guī)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(xiàn)明顯的不對稱性，3個復(fù)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(tài)

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(qū)中心的正上方，符合水平和緩傾斜煤層沉陷規(guī)律。考慮測點分布密度有限，進一步考查B17兩側(cè)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(yīng)是由煤層傾斜和28620采空區(qū)中心上方兩側(cè)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(qū)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(guī)律，下沉極值有向煤層下山方向發(fā)展的趨勢(符合規(guī)律)，影響范圍反而在煤層上山方向更大(不符合規(guī)律)。

因本觀測站在煤層下山方向邊界點(B28～B33)被破壞，根據(jù)實測數(shù)據(jù)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(cè)數(shù)值等于1 800、1 200、600、300 mm的點偏離28620采空區(qū)中心的距離，見表1。當沉陷值相等時，下沉曲線上兩側(cè)的點，距離28620采空區(qū)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(qū)中心的距離

由表1可知，在28620采空區(qū)中心附近，下沉曲線向煤層下山方向偏移，越向兩側(cè)發(fā)展，下沉曲線反而向煤層上山方向發(fā)展更遠。表明下沉曲線的形態(tài)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(qū)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(xiàn)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(xiàn)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(cè))的沉降數(shù)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(tài)

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(chǎn)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(qū)“活化”現(xiàn)象加劇地表移動。上述地質(zhì)、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(zhì)、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?shù)厮揭苿酉禂?shù)一般為0.3，則水平移動理論極值應(yīng)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(qū)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(qū)?？紤]在煤層上山方向，地表更平緩、采空區(qū)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(qū)的聯(lián)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(qū)中心B17點移動到B19點附近，也是由于在這一側(cè)地形影響更占優(yōu)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(jié)合表2給出的各因素對水平移動的影響，說明在開采結(jié)束后的殘余變形階段，在28620采空區(qū)左側(cè)，老采空區(qū)活化影響占優(yōu)勢(老采空區(qū)時間近、地形緩)，而右側(cè)則是地表滑移影響占優(yōu)勢(老采空區(qū)時間遠、地形陡)。

4 結(jié)論

1)煤層傾斜造成地表沉陷向煤層下山方向發(fā)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(xiàn)象不明顯。

2)地形的起伏會產(chǎn)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(guān)。應(yīng)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(xù)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(yīng)納入調(diào)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(qū)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(cè)存在老采空區(qū)，開采結(jié)束時間距工作面開采時間分別為1、6 a，2個老采空區(qū)對沉陷的影響差異明顯。

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