多煤層重復開采地表下沉系數演變研究

張明媚，薛永安

(1.山西能源學院 地質與測繪工程系，山西 晉中 030060；2.太原理工大學 礦業工程學院，山西 太原 030024)

重復開采是目前煤礦中普遍存在的采煤方式，包括多煤層重復開采和厚煤層分層開采。針對多煤層開采沉陷預計，分別有傾斜多煤層開采沉陷預計[1]、大傾角多煤層開采沉陷預計[2]、急傾斜多煤層開采沉陷預計[3]、多煤層開采動態沉陷預計[4]等工作展開，但多煤層開采沉陷預計相比較單煤層開采沉陷預計要復雜的多，屬于重復采動影響，在上述工作中大多采用了數值模擬的方法進行，取得了一定的成果[5-8]，而綜合考慮多煤層開采及其中的厚煤層分層開采情況的沉陷預計及其規律研究相對較少。同時，文獻[9]針對同煤層老采空區影響下的相鄰工作面開采地表移動變形規律進行了研究，數值模擬結果表明，相鄰工作面開采條件下地表下沉系數增大了5%，為開展重復采動地表沉陷預計研究提供了有益的參考。永久散射體雷達干涉測量技術(PS-InSAR)是在D-InSAR之后提出的一項新技術，該技術通過對研究區域內的多幅影像綜合分析，并進行布網，建立相鄰兩點間的相位差與形變速率和高程改正的函數關系模型，分離出各相位分量，最終提取出形變分量。隨著InSAR技術在礦區開采沉陷監測中的廣泛應用[10-12]，為追溯礦區開采后地表沉降長時序數據提供了經濟便宜的技術手段。太原市西山礦區杜兒坪煤礦南三盤區主采2#、3#煤層，生產中既有2#煤層一次采全高，也有2#煤層分層開采，還有2#煤層分層開采后再開采下部3#煤層的重復開采，而在以往工作中[13]對該區開展的沉陷預計中并未分情況考慮重復采動對下沉系數等沉陷參數及沉陷結果的影響。本文選用FLAC3D軟件建立數值計算模型，對該區的三種開采情況分別進行沉陷數值模擬，與原有沉陷預計成果進行對比，并采用2019—2020年間PS-InSAR監測得到的殘余變形結果進行驗證，得到了研究區精細、可靠的沉陷預計結果及下沉系數演變規律，為采煤沉陷區重復采動沉陷預計與規律研究提供了有益參考。

1 研究區概況

1.1 礦區概況

杜兒坪煤礦于1954年恢復生產并正式建礦，采煤方法為走向、傾斜長壁式頂板全部垮落法開采各煤層。主要可采煤層為2#、3#、6#、7#、8#、9#煤層及局部可采煤層二層(2#、1#煤)，主采煤層為2#煤[14]。南三盤區自1981年開始開采2#煤層，同時開采3#煤層，于1994年結束2#煤層開采，1997年結束3#煤層開采。2#煤位于山西組中部，上距駱駝脖砂巖(K6)30 m左右，下距3#煤層約9 m，煤厚1.02～4.67 m，平均2.86 m，采深約150～200 m。頂板多為砂質泥巖、泥巖，局部為中細粒砂巖、粉砂巖，底板為中細粒砂巖、砂質泥巖，局部為泥巖、粉砂巖和炭質泥巖。3#煤位于山西組下部，北岔溝砂巖之上，馬家灘砂巖之下，頂板為砂質泥巖、泥巖、砂巖或粉砂巖，有時具炭質泥巖偽頂，底板多數為砂質泥巖或泥巖，局部為砂巖、粉砂巖或炭質泥巖。將收集到的2#煤層采掘工程平面圖與遙感影像配準并疊加后生成井上下對照如圖1所示。

圖1 研究區2#煤層井上下對照Fig.1 Comparison of surface and underground conditions of the 2# seam in the study area

1.2 開采沉陷概況

2003年，太原市西山采煤沉陷治理工程根據西山礦區的實際情況，采用原山西礦業學院自編的任意形狀、多工作面地表沉陷預計程序進行采煤沉陷預計，確定了四大礦區的采煤沉陷范圍和最大沉陷值，其中，杜兒坪礦沉陷區面積19.70 km2，研究區處于沉陷范圍內，最大沉陷值1810 mm，地表已趨于穩定[13]。

1.3 時序InSAR監測

選取覆蓋研究區的29期Sentinel-1A條帶模式影像數據為數據源，利用PS-InSAR技術[11，12]進行研究區地表沉降形變監測，數據時相為2019年9月5日至2020年10月5日，采用干涉寬幅數據成像模式，極化方式為VV+VH極化，所處波段為C波段，空間分辨率為5 m×20 m(方位向×距離向)，數據類型為單視復數圖像，回訪周期為12 d，參考DEM數據采用覆蓋影像范圍的SRTM 30 m數據。同時，從國家地震科學數據中心(https：//www.eqdsc.com/)下載陸態網絡GNSS精密時間序列產品中的SXTY站點的GNSS連續觀測數據對PS-InSAR結果進行了精度驗證。二者差值為0.15 mm/y，InSAR監測結果可靠，裁剪后的研究區PS點分布如圖2所示。

圖2 研究區PS-InSAR結果Fig.2 PS-InSAR results for the study area

從圖2可以看出，2019年9月5日至2020年10月5日之間研究區的累積形變量為-5.97～3.35 mm，遠小于30 mm，地表穩定，形變量屬于殘余變形引起的地表緩慢下沉及人類活動引起的局部抬升。

2 2#、3#煤層重復開采數值模擬

2.1 數值模擬分區

研究區先后開采了2#、3#煤層，據2#、3#煤層采掘工程平面圖疊加后顯示，研究區沿上三尺通風上山、九尺軌道上山分成了東西兩部分，2#煤層厚度分布不均，使得西部工作面又分成三種開采情況，分別是2#煤層一次全采區(采厚2 m)、2#煤層分層開采區(采厚2 m+1.5 m)和2#煤層分層開采后開采3#煤層(采厚3.5 m+1.5 m)，東部工作面則均為2#煤層分層開采和2#煤層分層開采后開采3#煤層這一種情況，采煤方法均為普采，煤層傾角最小2°，最大7°。

本文對上述三種情況分別進行沉陷預計數值模擬，分別定為一分區(2#煤層一次全采區)、二分區(2#煤層分層開采區)和三分區(2#煤層分層開采后開采3#煤層)，疊加2003年沉陷預計成果進行驗證，并對比2019—2020年間的PS-InSAR解算結果。研究區數值模擬分區情況如圖3所示。

圖3 研究區數值模擬分區Fig.3 Zoning map for numerical simulation of the study area

2.2 數值模型建立

為了模擬三個分區不同情況的采動沉陷，通過FLAC3D數值模擬平臺分別建立了研究區三種不同的分析計算模型。為了簡化計算過程，將煤層厚度取整，并將模型放置在一個整體大模型之上以便于三個分區模型的連接，具體參數見表1，模擬過程采用分層開采。

表1 研究區開采沉陷數值模擬模型參數Table 1 Numerical simulation model for mining subsidence in the study area

計算模型的網格剖分依據巖層層位及其性質劃分，本文采用工作面上覆巖層巖性及其物理力學參數，見表2。

表2 模型煤巖層及其物理力學參數Table 2 Table of modelled coal seams and their physico-mechanical parameters

3 重復開采模擬結果與討論

3.1 重復開采模擬結果

對一分區、二分區和三分區模型分別進行模擬計算，將計算模型所獲取到的地表沉降數據導入Arc GIS平臺，經反距離權重法生成沉降趨勢面，再提取沉降等值線并賦值，最后將沉陷等值線與沉降趨勢面疊加顯示。數值模擬結果如圖4所示。

圖4 數值模擬計算結果Fig.4 Results of the numerical simulation

由圖4可以看出，三個分區的預計結果均會向外推測，在其鄰接區域會出現同一個點兩個沉陷值、三個沉陷值的情況，而前述可知這兩個或三個沉陷值是不相等的，把這種情況稱之為同點異值。重合區內的沉陷值來自兩種或三種情況的沉陷預計結果，因此可以看作是對一個空間點的重復預計，即該點同時會受到兩種或三種影響而發生沉陷的疊加。本文對此情況采取疊加處理，即重疊區域的點按點號進行沉陷預計值的加和，求得其和值后作為這些點位的最終沉陷預計結果，如圖4(d)所示。

以研究區邊界對數值模擬計算結果進行裁剪，并與高分辨率遙感影像疊加后的結果如圖5所示。

圖5 研究區沉陷預計數值模擬計算結果Fig.5 Numerical simulation results of subsidence prediction in the study area

通過FLAC3D中的fish語言提取模型地表結點的移動數據，經統計，三個分區和其連接后整體的水平移動極值、下沉極值和對應的下沉系數見表3。

表3 研究區分區沉陷預計數值模擬結果Table 3 Numerical simulation results of subsidence prediction in the study area

3.2 分析與討論

1)由表3可以看出，三個分區的最大下沉值分別為566、1091和1982 mm，可以看出，三分區最大下沉預計值與2003年研究區所進行的沉陷區治理工程沉陷預計成果值1810 mm基本吻合，而一分區和二分區則差異較大，這與本次數值模型建立采取分區精細建立有關。另外，更細化地給出了研究區的沉陷量，區分了單煤層開采、單煤層分層開采和上煤層分層開采耦合下煤層重復開采的沉陷情況，對精確掌握西山采煤沉陷區沉陷狀況，研究重復采動沉陷規律具有現實意義。

2)按照重復采動的定義，二分區可以看作是在一分區開采基礎上的一次重復采動，三分區可以看作是二分區開采基礎上的再次重復采動。由表3可以看出，三個分區的下沉系數分別為0.283、0.312和0.396，第一次重復采動引起下沉系數增大10.25%，第二次重復采動引起下沉系數較第一次重復采動增大26.92%，下沉系數隨重復采動次數增加而呈現出增大的趨勢。由PS-InSAR監測結果(見圖2)可以看出，研究區西部林地茂密，西北部下沉量較小，西南部相對較大，東部區域人類活動頻繁，有沉降也有抬升，形變有從西北向西南再到東部逐漸變大且變復雜的漸變趨勢。對比圖5可知，這一趨勢與分區數值模擬結果基本吻合，是重復采動系數隨重復開采次數增加而增大在地表殘余變形上的表現。

3)多煤層重復開采后所引起的地表沉陷是一個極其復雜的問題，涉及采煤方法、地質構造、煤層埋深、工作面尺寸等多方面因素[15，16]，研究區地處中起伏砂頁巖陡中山區，地質構造以小型北東、北北東斷層為主，同時區內發育大量的陷落柱。陷落柱和斷層在該區的分布使得連續的巖層被打斷，形成巖體裂隙、空隙，甚至出現大的斷裂或臺階，成為巖體內部的“潛在下沉”。當地下煤層初采時，這些裂隙與空隙便會“活化”而轉化為實際的巖層下沉，加劇巖層的移動與變形。之后，上覆巖層經歷了重復采動，巖層進一步破碎，從而加劇破壞程度，增大破壞范圍，但數值模擬中并未考慮這種因素，導致模擬下沉結果與實際下沉相比會減小，但不影響重復采動后的下沉系數演變趨勢。另外，煤層厚度的取整計算，對最大下沉值的預計也有一定的影響。

4 結 語

本文采用數值模擬的方法開展了西山礦區杜兒坪煤礦南三盤區2#、3#煤層重復開采的地表下沉系數演變研究，掌握了研究區在重復開采情況下的下沉系數演變趨勢，為進一步研究該類重復采動情況的地表沉陷規律提供了實踐參考。三個實驗分區(一次采全高+分層開采+重復開采)的下沉系數分別為0.283、0.312和0.396，呈現出下沉系數隨重復采動次數增加而增大的趨勢，表現為2#煤層分層開采下沉系數是2#煤層一次采全高時的1.1倍，繼續開采下部3#煤層時下沉系數是2#煤層分層開采下沉系數的1.27倍，PS-InSAR監測的地表殘余變形結果證實了這一演變規律，擴展了重復采動沉陷規律的認識，為同類研究提供了實踐參考，也為西山礦區多煤層重復開采條件下的地表治理工程提供了更精細的沉陷預計參考。