黃土礦區(qū)開采沉陷與地表損害研究述評

蘆家欣 湯伏全 趙軍儀

摘 要：黃土高原及其過渡地帶是中國主要產(chǎn)煤基地，區(qū)域生態(tài)環(huán)境脆弱且地理、地質(zhì)條件復(fù)雜，大范圍地下采煤已導(dǎo)致嚴(yán)重的地表沉陷與損害，其規(guī)律與中東部平原礦區(qū)明顯不同。多年來，針對黃土礦區(qū)開采沉陷與地表損害問題的研究已取得一定進(jìn)展。基于筆者及眾多學(xué)者的研究成果，總結(jié)分析黃土礦區(qū)地表移動、開采裂縫與臺階、黃土層附加變形、斜坡滑移與滑坡、環(huán)境退化與損傷的基本特征;揭示黃土礦區(qū)開采沉陷中的土巖互饋影響、土體單元體積變形、失水固結(jié)變形、濕陷變形、山坡滑移、滑坡、裂縫、環(huán)境損傷的機理;介紹黃土礦區(qū)開采沉陷與變形的預(yù)計模型及其適用性;闡述衛(wèi)星定位測量、激光雷達(dá)掃描、重力異常測量、多源遙感分析等測繪技術(shù)在開采沉陷與損害監(jiān)測中的應(yīng)用進(jìn)展，并分析其技術(shù)局限性。在此基礎(chǔ)上從黃土礦區(qū)開采沉陷的細(xì)觀破壞特征及微觀變形機理、黃土山區(qū)多工作面開采沉陷預(yù)計、老采空區(qū)地表穩(wěn)定性、采煤沉陷與環(huán)境損傷的時空效應(yīng)等方面，展望有待深入研究的科學(xué)技術(shù)問題，供學(xué)術(shù)界借鑒。

關(guān)鍵詞：黃土礦區(qū);開采沉陷;地表損害;變形機理;動態(tài)監(jiān)測

中圖分類號：TD 325 ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1672-9315（2019）05-0859-08

Abstract：The loess plateau and its transition zone are the main coal production bases in China.The regional ecological environment is fragile and the geographical and geological conditions are complex.Large-scale underground coal mining has led to serious surface subsidence and damage，and its rules are obviously different from the mining areas in the central and eastern plain.For many years，the research on mining subsidence and surface damage in loess mining area has made some progress.Based on the main achievements of the author and many other scholars in this field，this paper summarize and analyzes the basic characteristics of surface movement，mining cracks and steps，additional deformation of loess layer，slope slip and landslide，environmental degradation and damage in loess mining area.The mechanism of mutual feed effect of soil and rock，volume deformation of soil mass unit，water loss consolidation deformation，collapsible deformation，hill slip，landslide，crack and environmental damage in mining subsidence of loess mining area is revealed.The prediction model of mining subsidence and deformation in loess mining area and its applicability are introduced.This paper expounds the application progress of satellite positioning measurement，LIDAR scanning，gravity anomaly measurement，multi-source remote sensing and other mapping technologies in mining subsidence and damage monitoring，and analyzes their technical limitations.On this basis，the scientific and technical problems to be further studied in this field are prospected from such aspects as the microscopic failure characteristics and deformation mechanism of mining subsidence in loess mining area，the prediction of multi-face mining subsidence in loess mountainous area，the surface stability of old goaf，and the space-time effects of mining subsidence and environmental damage，which can be used for reference by academic circles.

Key words：loess mining area;mining subsidence;ground surface damage;deformation mechanism;dynamic monitoring

0 引 言

中國是世界上最大的煤炭生產(chǎn)與消費國，煤炭資源開發(fā)與利用在國民經(jīng)濟與社會發(fā)展中具有舉足輕重的戰(zhàn)略地位[1]。西部黃土高原及其過渡地帶橫跨中西部六省區(qū)，是21世紀(jì)中國乃至全球主要的煤炭生產(chǎn)基地。大規(guī)模地下采煤已造成大范圍地表沉陷與損害，導(dǎo)致礦區(qū)內(nèi)適合居民安置和工程建設(shè)的選址范圍不斷減小，引發(fā)資源開發(fā)與環(huán)境保護(hù)之間的矛盾日益突出，制約西部礦區(qū)經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展[2]，已成為社會關(guān)注和學(xué)術(shù)界研究的重大課題[3]。長期以來，開采沉陷理論與實踐研究的重點，主要集中在中東部平原礦區(qū)和薄表土層覆蓋的礦區(qū)，學(xué)術(shù)界主要關(guān)注基巖尤其是堅硬巖層對開采沉陷的控制性影響，對于地表土層和山區(qū)條件下的開采沉陷研究較少。作者及西安科技大學(xué)團(tuán)隊長期致力于西部復(fù)雜地理、地質(zhì)條件礦區(qū)的開采沉陷規(guī)律研究，通過系統(tǒng)總結(jié)黃土礦區(qū)開采沉陷與地表損害研究的主要成果，分析該領(lǐng)域研究的現(xiàn)狀及其展望，為西部礦區(qū)綠色安全開采與生態(tài)環(huán)境保護(hù)研究提供借鑒。

1 黃土礦區(qū)開采沉陷與地表損害特征

西部黃土礦區(qū)地形起伏多變，黃土層厚度占到開采深度的30%～70%，對于地表沉陷規(guī)律產(chǎn)生重要影響。黃土層中垂直節(jié)理發(fā)育，并具有不同程度的濕陷性和較大的天然孔隙比與壓縮系數(shù)，其物理力學(xué)特性既不同于巖層，也有別于東部礦區(qū)的飽水粘土層，在采動過程中黃土層本身產(chǎn)生明顯的附加變形，并與開采沉陷形成疊加效應(yīng)，導(dǎo)致黃土礦區(qū)地表沉陷變形及損害的特殊性，歸結(jié)為以下幾方面。

1）地表移動具有變形劇烈、發(fā)展快速的特征。黃土礦區(qū)綜放開采條件下地表沉陷具有變形劇烈、下沉速度大，非連續(xù)破壞嚴(yán)重、起動距偏小、裂縫角偏大等特征。地表移動參數(shù)與黃土層厚度及其在采深中的占比存在密切關(guān)系[4]。

2）開采裂縫發(fā)育及破壞程度較中東部平原礦區(qū)更劇烈。尤其在厚黃土層薄基巖開采條件下，黃土層隨基巖的斷裂沉陷而產(chǎn)生開裂，使其連續(xù)性破壞并被切割成塊體結(jié)構(gòu)，各塊體之間產(chǎn)生剪切錯動，造成地表臺階狀裂縫。

3）開采沉陷過程中地表產(chǎn)生顯著的附加變形。黃土層具有較強的濕陷特性和較大的天然孔隙比與壓縮系數(shù)。在基巖面不均勻沉陷影響下，黃土層產(chǎn)生明顯的附加變形。主要包括：飽和黃土失水固結(jié)變形、采動地表土體單元體積變形、黃土層浸水濕陷變形、黃土溝壑區(qū)山坡滑移變形。上述附加變形與開采沉陷形成疊加效應(yīng)，導(dǎo)致黃土礦區(qū)開采沉陷規(guī)律的復(fù)雜性和特殊性[4]。

4）黃土山區(qū)下采煤可能誘發(fā)山體發(fā)生滑坡災(zāi)害。黃土山區(qū)滑坡范圍一般與采空區(qū)位置有一定的關(guān)系，但主要取決于地貌、地質(zhì)條件的控制作用。采動滑坡發(fā)生的時間和規(guī)模主要取決于開采沉陷及其它誘發(fā)因素的共同影響，具有突發(fā)性。

5）開采沉陷導(dǎo)致地表環(huán)境退化與損傷。黃土礦區(qū)大規(guī)模采煤引起的地表沉陷導(dǎo)致地形因子、土壤侵蝕、土體理化特性、土地利用、植被覆蓋等環(huán)境因子的退化和損傷，破壞土壤結(jié)構(gòu)，造成水土流失，引起土壤中水分、濕度、有機質(zhì)含量等理化性質(zhì)發(fā)生變化[5-6]，使土壤環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)退化。

2 黃土礦區(qū)開采沉陷與地表損害機理

2.1 開采沉陷中土巖互饋作用機理

黃土礦區(qū)地表沉陷破壞特征與地質(zhì)、采礦條件之間關(guān)系密切。地表沉陷與土層、基巖特性、開采參數(shù)之間存在一定的量化關(guān)系?；鶐r層的物理力學(xué)強度明顯高于黃土層，2種不同性質(zhì)的介質(zhì)在開采沉陷機理上存在顯著差別。地表開采沉陷實質(zhì)上是基巖的沉陷變形和黃土層的沉陷變形共同影響的結(jié)果。作者將黃土礦區(qū)開采沉陷模型分解為基巖的開采沉陷以及基巖面不均勻沉降引起的黃土層變形。前者等效于不考慮表土層的巖層開采沉陷模型上施加黃土層等效荷載的情形;后者等效于基巖面沉降在土層中傳遞引起的沉陷變形與采動土體單元本身產(chǎn)生的附加變形的疊加。黃土層在整體結(jié)構(gòu)未破壞之前具有一定的支撐強度，對于下覆基巖的荷載一般小于其自重荷載。數(shù)值模擬分析表明，在常規(guī)“三帶”型開采條件下，黃土層施加于基巖層上的等效荷載由本身自重荷載和開采充分程度（即開采寬度與開采深度之比，稱為寬深比）所決定，而這種等效荷載影響可以轉(zhuǎn)化為開采充分程度的增量（即等效開采寬度）。數(shù)值模擬表明，在基巖面達(dá)到充分下沉之前，等效開采寬度與黃土層等效荷載和開采充分程度（即實際寬深比）呈正相關(guān)，在基巖面達(dá)到充分下沉狀態(tài)后，等效開采寬度不再增大，黃土層對基巖沉陷的荷載作用基本消失。

2.2 黃土層開采沉陷變形機理

黃土礦區(qū)基巖面不均勻沉陷是導(dǎo)致黃土層產(chǎn)生附加應(yīng)力和變形的主要原因。模擬研究表明，黃土層的下沉隨著開采寬深比的增大而變大，當(dāng)基巖面達(dá)到充分下沉狀態(tài)后，黃土層的整體性遭到破壞，下沉系數(shù)達(dá)到最大值;在黃土層與基巖交界面附近，黃土層隨著基巖面的不均勻沉陷變形產(chǎn)生明顯的剪切滑動和拉伸破壞[7];地表附近土體單元變形由水平向附加應(yīng)力所主導(dǎo)，在移動盆地邊緣附近產(chǎn)生明顯的體積膨脹變形，在移動盆地中央充分下沉區(qū)的體積變形接近為零，地表土體單元的體積變形、水平變形、豎直變形具有相同的分布特征[8]。

2.3 黃土層中附加變形機理

黃土山區(qū)開采沉陷過程中發(fā)生的主要附加變形包括飽和黃土失水固結(jié)變形、采動地表土體單元體積變形、黃土層浸水濕陷變形、黃土溝壑區(qū)山坡滑移變形。其中飽和黃土失水固結(jié)變形機理為，黃土層開采沉陷變形或裂隙引起土體滲透特性改變和土中孔隙水的排出，引起飽和黃土中地下水流失和地下水位下降，使孔隙水所承擔(dān)的應(yīng)力減小，土體中的有效應(yīng)力增大，造成地下水位以下的飽和黃土體產(chǎn)生滲透固結(jié)變形。在此過程中，采動附加應(yīng)力瞬間引起的超靜孔隙水壓力加速了滲透固結(jié)過程。

地表土體單元體積變形機理為，近地表黃土層彎曲引起的水平向附加應(yīng)力遠(yuǎn)大于垂直向附加應(yīng)力，土體單元的平均法向應(yīng)力增量由水平向應(yīng)力增量所主導(dǎo)，引起非飽和土骨架變形，導(dǎo)致地表土體單元體積變形。

采動黃土層濕陷變形機理為，地表具有自重濕陷特性的黃土層因采動裂縫和土體剪切破壞導(dǎo)致地表水滲入，開采沉陷變形和土體單元體積變形改變了土體的初始孔隙比，使?jié)裣菪渣S土的滲透特性發(fā)生變化，導(dǎo)致深部土層受到浸水影響而喪失其結(jié)構(gòu)強度，引起濕陷變形。

采動山坡滑移變形的機理為，采煤引起的地層動態(tài)移動打破了山坡原有的平衡狀態(tài)，導(dǎo)致斜坡應(yīng)力場發(fā)生變化而使山坡產(chǎn)生指向下坡方向的塑性變形，并與開采沉陷變形形成疊加效應(yīng)，導(dǎo)致地表沉陷變形背離類似平原礦區(qū)的一般規(guī)律性[9]。一般在正向坡情況下地表變形加劇;在反向坡情況下地表變形有所減小，在組合坡情況下使地表變形更為復(fù)雜，溝谷處地表在下沉過程中可能產(chǎn)生抬升現(xiàn)象。

2.4 黃土層開采裂縫與臺階形成機理

開采沉陷變形引起水平向應(yīng)力松弛，使土體單元的最小主應(yīng)力減小，導(dǎo)致土體單元達(dá)到剪切破壞或開裂的極限平衡狀態(tài)而發(fā)生開裂。當(dāng)黃土層中裂縫或剪切破裂面上下貫通時，黃土層的整體性遭到破壞，土層將分割成塊體形式而產(chǎn)生移動，在地表形成裂縫與臺階破壞。地表裂縫發(fā)育程度和破壞等級與基巖頂界面應(yīng)力、應(yīng)變之間存在密切關(guān)系[7]，裂縫發(fā)育深度可根據(jù)地表變形指標(biāo)和黃土物理力學(xué)參數(shù)確定[10]。實測資料表明，在淺埋煤層條件下，地表裂縫發(fā)育深度與寬度之間存在正比例關(guān)系，深度與落差之間存在對數(shù)關(guān)系[11]。

2.5 開采沉陷誘發(fā)的黃土山區(qū)滑坡機理

黃土山區(qū)斜坡在開采擾動使之達(dá)到極限平衡狀態(tài)后，將導(dǎo)致整體性滑移失穩(wěn)，稱之為采動滑坡。上世紀(jì)90年代初，田家琦等人首先提出了地下開采誘發(fā)山體滑坡的課題，并對其形成機理進(jìn)行了初步研究。一些學(xué)者利用相似材料模型實驗和數(shù)值分析等手段研究了不同地形坡度及斜坡組合條件下，地表局部滑移破壞的分布特征。在國外，Greco V R，Ghose A K，Homoud A I等人利用斷裂力學(xué)和塑性力學(xué)理論研究了采動滑坡力學(xué)機理[12-13];Chamine H L等應(yīng)用數(shù)值模擬技術(shù)研究了采動斜坡體的動態(tài)變形特征。工程地質(zhì)學(xué)者在研究上述采動滑坡時，通常是將地下開采影響視為一種外動力因素定性地給予考慮。由于采動斜坡失穩(wěn)的根源在于地下采空引起的基巖沉陷導(dǎo)致土層發(fā)生形變，只有在微觀層次上研究土體變形的分布特征，才能真正建立“開采沉陷”與“斜坡穩(wěn)定性”之間的關(guān)系，這方面的研究目前還很不充分。

2.6 開采沉陷引起的地表環(huán)境損傷機理

地表開采沉陷盆地的形成改變了地面坡度、坡向、地形起伏度和破碎程度等地形因子，引起地表徑流變化和水土侵蝕加劇，造成土地?fù)p毀和土壤理化特性改變[14]，尤其在溝谷地形下會影響到地表徑流分布和區(qū)域水系環(huán)境。一些學(xué)者從地理學(xué)的土壤侵蝕角度出發(fā)，基于野外考查和GIS，RS技術(shù)分析表明，黃土高原煤炭開采區(qū)的水土流失和土壤侵蝕強度與原有地貌條件下的水土流失特征之間存在密切的關(guān)系，黃土礦區(qū)土壤侵蝕強度的空間分布與原有地形、植被等因子相關(guān)，也與采煤強度相關(guān)。沉陷區(qū)土壤侵蝕和土壤結(jié)構(gòu)的破壞導(dǎo)致土壤理化性質(zhì)惡化，在水土流失作用下，造成土壤的營養(yǎng)流失及土地?fù)p傷。一些學(xué)者針對煤礦區(qū)生態(tài)環(huán)境破壞過程進(jìn)行了研究，并揭示煤礦開采區(qū)環(huán)境破壞具有一定的自修復(fù)特征和自我修復(fù)效應(yīng)[15]。目前，對于開采沉陷區(qū)地表環(huán)境損傷過程及其機理的研究尚不充分。

3 黃土礦區(qū)開采沉陷預(yù)計模型

常規(guī)的開采沉陷預(yù)計模型包括概率積分法、負(fù)指數(shù)函數(shù)法、典型曲線法、力學(xué)模型法等，主要是針對平地條件下單一長壁工作面基巖層開采沉陷原理建立的，難以適用于西部黃土山區(qū)條件下的開采沉陷預(yù)計[16]。近十多年來，一些學(xué)者將黃土山區(qū)的土層和基巖視為2種不同介質(zhì)，將斜坡自重滑移變形與平地條件的開采沉陷量進(jìn)行疊加建模，提出了多種開采沉陷模型。主要有：從變形傳遞疊加角度構(gòu)建的開采沉陷分層介質(zhì)預(yù)計模型[17]、基于巖土力學(xué)和開采沉陷學(xué)理論建立的土、巖雙層介質(zhì)下沉空間逐層傳遞的開采沉陷模型[18]、加入地形變化修正參數(shù)的影響函數(shù)法改進(jìn)模型、考慮黃土斜坡滑移變形的溝壑區(qū)潛在滑坡模型[19]等。作者將黃土礦區(qū)地表沉陷分解為黃土層荷載作用下的基巖采煤沉陷以及基巖面不均勻沉降導(dǎo)致的黃土層沉陷，建立了黃土覆蓋礦區(qū)開采沉陷的雙層介質(zhì)模型，通過數(shù)值模擬確定了黃土層自重作用于基巖的等效荷載與開采充分程度的量化關(guān)系，導(dǎo)出了適合黃土礦區(qū)的概率積分法改進(jìn)模型[16]，基于黃土山區(qū)采動附加變形機理模型導(dǎo)出了各種附加變形的預(yù)計模型。

地表最大下沉值直接反映開采沉陷的強度并控制著其它移動變形量，是衡量開采沉陷的主要指標(biāo)。目前，針對黃土礦區(qū)最大下沉量的預(yù)計主要通過數(shù)值模擬或?qū)崪y數(shù)據(jù)建立相關(guān)的經(jīng)驗公式。如通過數(shù)值模擬得出地質(zhì)采礦因素對地表最大下沉值的影響程度，利用回歸分析擬合得到地表最大下沉值與多因素的函數(shù)表達(dá)式。上述預(yù)計模型對黃土礦區(qū)沉陷預(yù)計具有一定的適用性。

4 黃土礦區(qū)開采沉陷與地表損害監(jiān)測

4.1 地表沉陷變形監(jiān)測

對礦區(qū)地表開采沉陷進(jìn)行實地監(jiān)測是確保礦山安全生產(chǎn)及礦區(qū)生態(tài)環(huán)境治理的基本手段。傳統(tǒng)的布設(shè)地表移動觀測線或觀測網(wǎng)的常規(guī)工程測量、GNSS測量、近景攝影測量等，不便于大范圍的地表形變監(jiān)測[20]。近年來，利用三維激光雷達(dá)掃描（Light Detection and Ranging，LiDAR）技術(shù)開展礦區(qū)沉陷監(jiān)測已經(jīng)取得了一定成效，利用機載或地基LiDAR技術(shù)可以監(jiān)測整個礦區(qū)沉陷的動態(tài)變化[21]。

多年來，合成孔徑雷達(dá)干涉測量（Interferometric Synthetic Aperture Radar，InSAR）技術(shù)已成功應(yīng)用于礦區(qū)地表沉陷監(jiān)測[22]。許多學(xué)者利用InSAR及其差分干涉測量（Differential Interferomertry Synthetic Aperture Radar，D-InSAR）技術(shù)獲取了礦區(qū)地裂縫的分布范圍、黃土溝壑區(qū)地表變形分布圖、開采沉陷區(qū)動態(tài)時序形變圖等。針對D-InSAR難以監(jiān)測到礦區(qū)大梯度沉陷的問題，一些學(xué)者采用高分辨率SAR影像結(jié)合SBAS技術(shù)和Offset-tracking技術(shù)，獲取開采過程中地表大量級沉陷的時間序列[23-24]，但高分辨率的SAR數(shù)據(jù)需要根據(jù)開采計劃提前預(yù)訂和購置，所獲取影像還可能存在失相干風(fēng)險，且購置時間成本與費用較高，這成為該技術(shù)在礦區(qū)大梯度形變監(jiān)測中推廣的障礙。作者多年來利用雷達(dá)遙感技術(shù)開展了黃土礦區(qū)變形監(jiān)測試驗，發(fā)現(xiàn)在黃土山區(qū)地貌地形條件下，對于SAR影像的干涉對選擇、噪聲濾波、氣象改正、去平地效應(yīng)、地形起伏等環(huán)節(jié)的處理較平原礦區(qū)更為復(fù)雜，還存在許多技術(shù)問題。

4.2 黃土礦區(qū)地表環(huán)境變化監(jiān)測

目前，國內(nèi)外針對礦區(qū)土壤理化性質(zhì)變化的研究主要采用三維相似材料模擬實驗、現(xiàn)場取樣及室內(nèi)測定[25]、遙感反演[26]等手段，研究礦區(qū)土地利用、土地覆蓋變化主要采用（LUCC）模型法。國內(nèi)對于煤礦區(qū)土壤環(huán)境及土地利用動態(tài)變化的研究比較薄弱。多年來在遙感技術(shù)監(jiān)測礦區(qū)地表環(huán)境變化方面取得了一些進(jìn)展。如利用遙感時序方法分析沉陷區(qū)地物的變化趨勢;通過高分遙感影像提取開采區(qū)植被NDVI指數(shù)，分析采礦因素的影響;利用無人機遙感反演模型分析沉陷區(qū)農(nóng)作物變化[27]等。近幾年來，筆者采用Landsat和Modis影像對銅川礦區(qū)、彬長礦區(qū)等植被覆蓋指數(shù)和土壤濕度變化進(jìn)行了監(jiān)測，取得了一定的成效。

4.3 沉陷區(qū)地表持續(xù)變形和長期穩(wěn)定性監(jiān)測

黃土礦區(qū)在非充分采動條件下，沉陷區(qū)內(nèi)破裂巖土中往往存在大量的空洞或空隙，在上覆巖土特別是巨厚黃土層自重作用下會發(fā)生壓縮或黃土濕陷變形，導(dǎo)致沉陷區(qū)地表產(chǎn)生持續(xù)的殘余變形。目前，利用InSAR結(jié)合GNSS連續(xù)監(jiān)測技術(shù)已成為沉陷區(qū)地表持續(xù)變形監(jiān)測的主要手段，如通過InSAR影像處理獲得老采空區(qū)地表變形數(shù)據(jù)，建立地表殘余下沉速度與地質(zhì)采礦參數(shù)的經(jīng)驗關(guān)系式[28]，可以評價采空區(qū)地表長期穩(wěn)定性。

針對采空區(qū)“空洞”效應(yīng)導(dǎo)致的重力場變化，作者基于布格重力理論采用數(shù)值模擬方法得到了采空區(qū)地表的重力異常分布特征，建立了采空區(qū)深度、寬度、厚度、開采邊界與地表重力異常分布的關(guān)系，為利用重力異常變化監(jiān)測數(shù)據(jù)反演煤礦采空區(qū)演變提供了基礎(chǔ)[29]。

5 黃土礦區(qū)開采沉陷與地表損害研究展望

近十多年，隨著煤炭開采規(guī)模的不斷擴大和監(jiān)測技術(shù)的快速進(jìn)步，學(xué)術(shù)界針對黃土礦區(qū)開采沉陷與地表損害的研究取得了一定的進(jìn)展，已經(jīng)基本掌握了黃土礦區(qū)開采沉陷與地表損害的基本類型、特征，初步揭示了黃土山區(qū)開采沉陷變形與地面破壞的發(fā)生機理，建立了簡單地質(zhì)采礦條件下開采沉陷的預(yù)計模型，利用新的測繪技術(shù)手段開展了地表沉陷與環(huán)境損害監(jiān)測試驗。然而，西部黃土覆蓋礦區(qū)開采沉陷與地表損害規(guī)律十分復(fù)雜且影響因素眾多，目前的研究還存在許多薄弱環(huán)節(jié)有待突破，作者根據(jù)個人的理解將其歸結(jié)為如下幾方面。

1）黃土礦區(qū)開采沉陷變形與破壞的細(xì)觀和微觀特征研究。目前，在現(xiàn)場監(jiān)測、規(guī)律分析、理論建模等方面，主要針對地表沉陷的“宏觀”特征開展研究。從“宏觀”上看，地表沉陷主要受開采強度、覆巖特性、地質(zhì)構(gòu)造、開采深度等因素控制[30]。而黃土層變形的“細(xì)觀”和“微觀”特征對于地面建筑物、生態(tài)環(huán)境、地下水文特征的影響更為顯著。從地表變形的“細(xì)觀”尺度上看，即使地表沒有因地質(zhì)構(gòu)造或山坡滑移等引起的較大開裂和臺階，其局部范圍內(nèi)地表沉陷（主要是變形）也總是非連續(xù)的。黃土礦區(qū)地表變形的這種細(xì)觀特征更為顯著，其危害性也更為嚴(yán)重。從“微觀”尺度來觀察地表土體變形，就是土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)中固體顆粒、水、空氣和收縮膜四相介質(zhì)的相對運動在地表的體現(xiàn)，其微觀特征不僅與基底絕對移動量（即采煤引起的基巖面下沉）有關(guān)，還與土層特性密切相關(guān)。地表變形的細(xì)觀特征是“微觀”土體變形因節(jié)理或地形等因素產(chǎn)生的變異;地表變形的宏觀特征就是一定尺度內(nèi)上述細(xì)觀和微觀變形的疊加。對于采動黃土層變形的這種多層次特征，還有待深入研究。在地形起伏條件下，采煤引起的斜坡失穩(wěn)根源在于地下采空引起的基巖沉陷導(dǎo)致土層發(fā)生形變，只有在微觀層次上研究土體變形的分布特征，才能真正建立“開采沉陷”與“斜坡穩(wěn)定性”之間的關(guān)系。針對地下開采對于黃土斜坡穩(wěn)定性的影響機理，涉及開采沉陷學(xué)、工程地質(zhì)學(xué)和土力學(xué)等多學(xué)科理論，目前的研究還很不充分。

2）黃土礦區(qū)復(fù)雜條件下開采沉陷預(yù)計模型研究?，F(xiàn)有的開采沉陷監(jiān)測和預(yù)計模型主要是針對單一工作面開采引起的地表沉陷特征構(gòu)建的。由于單一工作面開采的地表沉陷首先取決于基巖層斷裂狀態(tài)和不同的下沉模式，目前對于黃土層荷載作用下基巖開采充分程度及下陷模式缺乏有效的判別方法，現(xiàn)有的開采沉陷預(yù)計模型主要針對接近于充分開采的下沉模式而建立的，這些模型在應(yīng)用于基巖彎曲下沉和斷裂下沉的非充分開采情形時，地表沉陷預(yù)計甚至?xí)霈F(xiàn)數(shù)量級上的偏差。西部黃土礦區(qū)的大型現(xiàn)代化礦井多采用長壁綜放工作面開采，在多工作面連續(xù)開采、跳采、分層重復(fù)開采、條帶開采等采煤條件下，地表沉陷變形往往會受到相鄰工作面開采沉陷的疊加影響，其規(guī)律與單一工作面開采情形顯著不同。目前，由于缺乏開采沉陷全過程、全礦區(qū)、高分辨率的地表時序監(jiān)測數(shù)據(jù)的支持和驗證，在多工作面開采地表三維動態(tài)沉陷規(guī)律和預(yù)計模型研究方面，還有待取得突破。

3）老采空區(qū)地表長期穩(wěn)定性研究。隨著煤炭開采的不斷推進(jìn)，黃土礦區(qū)的老采空區(qū)面積不斷擴大，由于采空區(qū)殘留煤柱的影響，各個工作面開采的地表沉陷往往沒有達(dá)到充分下沉程度，采空區(qū)上覆巖土中仍然存在大量的離層空隙，在上覆巖層尤其是巨厚黃土層的自重荷載作用下，導(dǎo)致工作面間的殘留煤柱破壞而引起基巖破斷下沉，并使巖土中的離層空隙被壓縮，造成地表形變“復(fù)活”，即老采空區(qū)活化。這種情形已在銅川、彬長等礦區(qū)多處發(fā)生。針對采空區(qū)地表的安全穩(wěn)定性問題，目前尚缺乏有效的探測和研究手段?，F(xiàn)有成果主要從地質(zhì)力學(xué)建模分析和形變監(jiān)測方面來評價采空區(qū)的穩(wěn)定性，難以揭示沉陷區(qū)內(nèi)部破碎巖土中的空洞演變特征及所帶來的安全隱患。根據(jù)重力場理論，沉陷區(qū)內(nèi)空洞的運移和巖土密度場的變化必然導(dǎo)致地表重力場變化，學(xué)術(shù)界普遍認(rèn)為這種重力異常因量級小而難以進(jìn)行測量和數(shù)據(jù)反演。近年來，作者探索了利用重力異常測量結(jié)合地面InSAR形變數(shù)據(jù)來反演分析采空區(qū)地表長期穩(wěn)定性的可行性。由于煤礦地下采空導(dǎo)致的地表重力場的變化量本身較?。s50～300 μGal），西部黃土溝壑地貌區(qū)重力場變化復(fù)雜，加上重力測量儀器本身的誤差影響，目前對于重力測量數(shù)據(jù)的噪聲處理及重力異常數(shù)據(jù)反演理論建模等方面的研究尚不深入，有待進(jìn)一步開展現(xiàn)場試驗和反演理論研究。

4）黃土礦區(qū)采煤沉陷和地表環(huán)境損傷的時空效應(yīng)研究。長期以來，學(xué)術(shù)界主要研究地表沉陷的幾何特征及其變化，將沉陷變形所引起的地表損害視為不可逆轉(zhuǎn)的破壞。西部黃土礦區(qū)地廣人稀，土地貧瘠，生態(tài)環(huán)境脆弱，開采沉陷損害不僅表現(xiàn)為地面沉陷、設(shè)施破壞、地質(zhì)災(zāi)害等不可逆的破壞形式，更多地反映在地理、地質(zhì)環(huán)境的損傷方面，而這種環(huán)境損傷一方面受開采沉陷和環(huán)境條件的影響，在沉陷發(fā)展的不同階段呈現(xiàn)出復(fù)雜的空間分布特征，在經(jīng)過較長時間自然力的作用后，也會產(chǎn)生一定的“恢復(fù)性”，呈現(xiàn)出隨時間演變的特征。目前，地理學(xué)和環(huán)境地質(zhì)學(xué)者主要在現(xiàn)象上探討采煤對于地形因子、土壤侵蝕、土體理化特性、土地利用/覆被變化等環(huán)境因子的影響，從定性的和靜態(tài)的角度對地表環(huán)境損傷程度開展評估。隨著無人機激光掃描技術(shù)、高分辨率遙感技術(shù)的進(jìn)步，在地表沉陷全過程的高分辨率時序監(jiān)測數(shù)據(jù)的支持下，將揭示出黃土礦區(qū)采煤沉陷與環(huán)境損傷過程的時空效應(yīng)，推進(jìn)該領(lǐng)域科學(xué)研究與技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展。

6 結(jié) 論

1）西部黃土礦區(qū)的黃土層特性及地貌、地質(zhì)條件是影響開采沉陷與地表損害規(guī)律的重要因素?，F(xiàn)有研究成果表明，厚黃土層與基巖在開采沉陷過程中形成復(fù)雜的互饋效應(yīng)，黃土山區(qū)采動過程中發(fā)生多種附加變形并與開采沉陷本身形成疊加效應(yīng)，導(dǎo)致地表沉陷與損害的特征及其形成機理較其它礦區(qū)更為復(fù)雜。

2）黃土礦區(qū)土層和巖層2種介質(zhì)具有不同的沉陷機理，常規(guī)的針對平地條件下單一長壁工作面基巖層開采沉陷原理建立的地表沉陷預(yù)計模型，難以適用于西部黃土山區(qū)多工作面開采條件。多年來，一些學(xué)者根據(jù)地表土層變形機理和山坡側(cè)向滑移特征提出了多種改進(jìn)的開采預(yù)計模型，具有一定的適用性。

3）西部黃土礦區(qū)大范圍地表沉陷與損害過程復(fù)雜且影響因素眾多，由于缺乏地表沉陷全過程、全盆地、高分辨率時序監(jiān)測數(shù)據(jù)的支持與驗證，目前在開采沉陷及地表變形的細(xì)觀特征和微觀機理、多工作面開采三維動態(tài)沉陷預(yù)計、采空區(qū)地表長期穩(wěn)定性探測與評價、地表沉陷與環(huán)境損傷過程的時空效應(yīng)等方面，還有待開展深入系統(tǒng)的研究。

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