潞安礦區(qū)煤炭開采沉陷主要控制因素分析

劉東海，鄧念東，姚 婷

(1.西安科技大學 地質(zhì)與環(huán)境學院，陜西 西安 710054； 2.重慶市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局107地質(zhì)隊，重慶 401120)

潞安礦區(qū)是我國重要的煤炭生產(chǎn)基地，位于山西省上黨盆地沁水煤田東南部，礦區(qū)內(nèi)煤炭資源儲量豐富，分布有五陽、常村、王莊、漳村、司馬、屯留等大型煤礦[1]。長期的煤炭開采活動導致地表沉陷面積達64.23 km2，造成了土地資源、建筑物、水體等的破壞，截至2013年，潞安礦區(qū)因采空區(qū)塌陷造成的經(jīng)濟損失高達24 854.33 萬元[2]，開采沉陷問題嚴重制約了潞安礦區(qū)可持續(xù)發(fā)展的進程。研究表明，煤炭開采沉陷的產(chǎn)生和發(fā)展與地質(zhì)、采礦條件有著密切的聯(lián)系[3]，不同的地質(zhì)、采礦條件下，煤礦開采引起的巖層和地表移動存在較大的差異，地表沉陷破壞類型也各不相同?；谏鲜鲈蛩碌牡乇沓料?，相關科技工作者已做過許多深入的研究，并取得了較為成熟的研究成果。崔鋒等根據(jù)峰峰礦區(qū)現(xiàn)有的地質(zhì)條件，采用數(shù)值模擬手段研究了斷層活化造成地表異常沉陷的影響因素，并建立了斷層活化力學模型[4]；于秋鴿等通過引入地表下沉偏態(tài)程度，分析了各種因素對地表偏態(tài)下沉的影響，并利用數(shù)值模擬手段分析了松散層厚度對地表偏態(tài)下沉的影響[5]；高玉兵等采用現(xiàn)場實測和數(shù)值模擬等方法對不同基巖厚度、不同巖性地層進行模擬分析，研究了不同采動情況及不同地質(zhì)條件下的地層變形特征[6]；宋世杰、趙曉光等采用灰色關聯(lián)分析、主成分分析等方法篩選出影響陜北榆神府礦區(qū)開采沉陷的關鍵地礦因素[7-8]；羅海燕等利用正交試驗系統(tǒng)分析了條帶工作面采寬、留寬和煤體強度對采場沉陷的綜合影響規(guī)律[9]；許國勝等通過多元線性回歸分析，指出影響地表最大下沉速度滯后角正切值的主要因素是煤層上覆巖層的巖性強弱[10]；趙兵朝等通過數(shù)值模擬及正交試驗分析得出厚松散層淺埋深煤層開采條件下地表最大下沉值的影響因素及其影響程度的排序[11-12]。

有關潞安礦區(qū)煤炭開采沉陷影響因素的研究較少。筆者從地質(zhì)賦存條件和開采設計工藝2個方面初選出9個影響因子，并利用收集的潞安礦區(qū)10個工作面的地質(zhì)采礦資料及觀測資料對其進行灰色關聯(lián)度分析和回歸預計，進而確定出潞安礦區(qū)開采沉陷的主要控制因素，為潞安礦區(qū)的開采沉陷預計和防治提供理論依據(jù)，研究分析對礦區(qū)生態(tài)環(huán)境保護和推動綠色礦山建設具有重要的現(xiàn)實意義。

1 潞安礦區(qū)開采沉陷機理

潞安礦區(qū)地處長治盆地西部，廣為厚濕陷性黃土覆蓋。主采二疊系山西組3#煤層，煤層傾角為3°～8°，屬近水平煤層，平均厚度為6.42 m，采高為5.61～7.23 m，煤層開采厚度大；煤層埋深一般在300 m左右。基巖以砂巖和砂質(zhì)泥巖為主，覆巖類型屬中硬，松散層厚度為0～150 m。采用綜采放頂煤開采、全部陷落法控制頂板[13]。在煤炭開采過程中，隨著工作面的不斷推進，上覆巖層移動經(jīng)歷破裂→平衡→再破裂→再平衡的動態(tài)發(fā)展過程。隨著開采范圍的不斷擴大，巖層的移動變形范圍逐漸波及到地表，地表點經(jīng)歷開始移動→劇烈移動→移動停止的全過程，工作面煤炭開采停止后，經(jīng)過長期緩慢的移動變形，地表會呈現(xiàn)為下沉盆地的形態(tài)[14]。當深厚比小于30時，地表沉陷為非連續(xù)變形；當深厚比大于30時，地表沉陷為連續(xù)變形[15]。潞安礦區(qū)的深厚比普遍在30以上，其地表沉陷一般為連續(xù)變形。潞安礦區(qū)煤層上覆基巖在開采后易發(fā)生冒落，頂板隨采隨垮，從而形成3種不同的采動影響帶，即垮落帶、斷裂帶和彎曲帶。工作面采用綜放開采方式一次采全高，采高及基巖厚度均較大，由于工作面推進速度快，開采強度大，頂板卸壓速率快，導致基巖內(nèi)部產(chǎn)生近似連續(xù)變形，離層、裂隙未得到充分發(fā)育便成塊垮落，使得上覆巖層破壞異常劇烈，致使活躍期內(nèi)地表移動變形更為劇烈且集中，從而加劇了地表的沉陷變形；由于松散層抗彎能力很差，相當于荷載上覆于基巖，加劇了巖層的移動破壞。與一般地質(zhì)、采礦條件相比，上述因素導致地表下沉量增大，地表沉陷變形異?；钴S；對采動影響范圍廣，其破壞性大，對地面建筑物的影響明顯。

2 煤炭開采沉陷影響因素的灰色關聯(lián)分析

2.1 灰色關聯(lián)分析原理

灰色關聯(lián)分析是通過灰色關聯(lián)度來分析和確定系統(tǒng)因素間的影響程度或因素對系統(tǒng)主行為的貢獻測度的一種方法，其計算步驟主要為：①確定母因素與子因素。將反映系統(tǒng)行為特征的某個因素作為母因素，將影響系統(tǒng)行為的因素作為子因素。②構建原始數(shù)據(jù)矩陣。通過搜集多組在不同時間不同空間內(nèi)觀測得到的母因素和子因素的相關數(shù)據(jù)，建立原始數(shù)據(jù)矩陣。③數(shù)據(jù)無量綱化處理。常用的方法有初值化和均值化。④絕對差值計算。計算各個子因素與母因素之間的絕對差值，并構建絕對差值矩陣。⑤計算關聯(lián)系數(shù)矩陣。⑥計算關聯(lián)度。計算關聯(lián)系數(shù)各序列的平均值，即關聯(lián)度，從而對子因素和母因素之間的相關程度進行總體比較。

2.2 影響因素選取

開采沉陷的影響因素較多，其中地質(zhì)因素和采礦因素起主要影響作用。地質(zhì)因素對開采沉陷起主要控制作用，影響開采沉陷的地質(zhì)因素主要有覆巖結構、覆巖的物理力學性質(zhì)、煤層傾角、松散層性質(zhì)、構造環(huán)境等。采礦因素對開采沉陷起誘發(fā)作用，采空區(qū)的形成是地表沉陷的決定因素，煤炭資源的賦存狀態(tài)和煤炭開采方式直接影響著地表沉陷的類型和特征；采礦因素主要有采高、采深、開采尺寸、開采工藝和頂板管理方法等[16]。筆者依據(jù)前人對潞安礦區(qū)煤炭開采沉陷機理的分析[17-18]，充分考慮潞安礦區(qū)的自身特點，結合實際的地質(zhì)、采礦條件，遵循科學性、代表性和易操作性的原則，初選出 9個影響因素，如表1所示。

表1 開采沉陷影響因素

2.3 原始數(shù)據(jù)采集

筆者收集了潞安礦區(qū)10個典型工作面的地質(zhì)和采礦條件等資料、觀測數(shù)據(jù)[1]，將其整理分析后，以表征開采沉陷強度的地表下沉系數(shù)作為母因素X0，將選取出的9個影響因素作為子因素，得到灰色關聯(lián)分析的原始數(shù)據(jù)矩陣，如表2所示。

表2 潞安礦區(qū)煤炭開采沉陷影響因素原始數(shù)據(jù)

2.4 灰色關聯(lián)度計算結果

經(jīng)過計算，可得到各影響因素與地表下沉系數(shù)的灰色關聯(lián)度。關聯(lián)度用G(0,i)表示，其中i代表第i個影響因素。選取的9個子因素與母因素的灰色關聯(lián)度大小如表3所示。

表3 灰色關聯(lián)度計算結果

由表3可以看出，將灰色關聯(lián)度按照由大到小的順序排列，得到灰色關聯(lián)度排序如下：G(0,5)>G(0,7)>G(0,4)>G(0,9)>G(0,6)>G(0,8)>G(0,3)>G(0,1)>G(0,2)。即各因素對煤炭開采沉陷影響程度的大小依次為：采高M>工作面傾向長度D1>覆巖綜合硬度Q>擾動系數(shù)n>采深H0>工作面走向長度D3>基巖厚度H巖>煤層傾角α>松散層厚度H土。

由灰色關聯(lián)度計算結果可以看出，采高M、工作面傾向長度D1和覆巖綜合硬度Q的灰色關聯(lián)度均在0.800以上，其中采高M與地表下沉系數(shù)的關聯(lián)度最大為0.850，工作面傾向長度D1和覆巖綜合硬度Q次之，說明上覆巖層的力學性質(zhì)和煤炭開采強度在很大程度上決定著煤炭開采沉陷損害的程度。上覆巖層力學性質(zhì)體現(xiàn)了礦山地質(zhì)環(huán)境抗損害的能力，而煤炭開采強度則體現(xiàn)了人類活動對礦山地質(zhì)環(huán)境的破壞能力，二者之間的抗衡則通過地表沉陷程度得以表現(xiàn)[19]。擾動系數(shù)n、采深H0、工作面走向長度D3及基巖厚度H巖與地表下沉系數(shù)的關聯(lián)度介于0.700～0.800，煤層傾角α與地表下沉系數(shù)的關聯(lián)度超過0.650，表明開采沉陷損害的程度與覆巖的結構、煤層自身傾角大小及工作面的尺寸有著密切的聯(lián)系。松散層厚度H土與地表下沉系數(shù)的關聯(lián)度最小為0.531。

3 煤炭開采沉陷影響因素的逐步回歸分析

3.1 回歸模型建立

在自變量較多的情況下可通過逐步回歸分析確定主要影響因素。逐步回歸分析的基本思路是將變量逐個引入回歸方程，每引入一個新的變量，便對引入的所有變量進行檢驗，當已引入的變量由于新變量的引入而變得不再顯著時，便將其剔除，以保證引入的變量都是顯著的，如此反復進行，直到不再引入新變量為止。

根據(jù)以上灰色關聯(lián)度分析結果，將采高、工作面傾向長度、覆巖綜合硬度、擾動系數(shù)、采深、工作面走向長度、基巖厚度、煤層傾角、松散層厚度9個影響因素作為自變量，地表最大下沉系數(shù)作為因變量，選取表2中第1～8組數(shù)據(jù)進行逐步回歸分析。選取不同的閾值時，引入的自變量及回歸方程的顯著性檢驗結果如表4所示。

表4 逐步回歸分析結果

由表4可知，當閾值為7.2時，引入方程的變量只有采高和覆巖綜合硬度；將閾值減小至1.7時，同時引入了基巖厚度和松散層厚度；當閾值為1.0時，擾動系數(shù)、工作面傾向長度依次被引入，此時回歸方程的復相關系數(shù)最大為1.000，標準差最小為0.004，回歸方程最顯著，對應的地表最大下沉系數(shù)與煤炭開采沉陷影響因素之間的線性回歸方程為：

Y=-0.537+0.036X5+0.219X4-0.001X3+0.001X2-0.097X9+0.002X7

由偏回歸系數(shù)可知，采高、覆巖綜合硬度、松散層厚度，以及工作面傾向長度與地表下沉系數(shù)呈正相關關系；基巖厚度、擾動系數(shù)與地表下沉系數(shù)呈負相關關系。由偏回歸系數(shù)可知各變量對地表下沉系數(shù)的貢獻率大小依次為：覆巖綜合硬度>擾動系數(shù)>采高>工作面傾向長度>基巖厚度、松散層厚度。

3.2 模型驗證

運用回歸模型，對潞安礦區(qū)10個工作面煤炭開采的下沉系數(shù)進行預計，并與實測值進行對比，實測值和回歸預計值對比如表5所示。

表5 地表下沉系數(shù)實測值和回歸預計值對比

由表5可知，最小偏差為0.003，最大偏差為0.057，平均偏差為0.032。說明該預計模型對潞安礦區(qū)典型工作面煤炭開采下沉系數(shù)預計效果較好，精度能夠滿足實際需求。

3.3 主要控制因子篩選

根據(jù)灰色關聯(lián)度計算與逐步回歸分析結果，將各因素對煤炭開采沉陷的影響程度進行對比，最終篩選出主要控制因子。各影響因素貢獻率大小排序如表6所示。

表6 影響因素貢獻率大小排序

由表6可知，灰色關聯(lián)分析和逐步回歸分析的結果均表明：采高、覆巖綜合硬度、工作面傾向長度、擾動系數(shù)對煤炭開采沉陷的影響程度較大，因此，最終選擇覆巖綜合硬度、采高、工作面傾向長度、擾動系數(shù)作為潞安礦區(qū)煤炭開采沉陷的主要控制因素。

4 結論

1)從地質(zhì)賦存條件和開采設計工藝兩個方面初選出9個影響因素，并對其進行灰色關聯(lián)度分析，得到各因素對煤炭開采沉陷影響程度的排序：采高>工作面傾向長度>覆巖綜合硬度>擾動系數(shù)>采深>工作面走向長度>基巖厚度>煤層傾角>松散層厚度。

2)以地表最大下沉系數(shù)為因變量，各影響因素為自變量，建立煤炭開采沉陷回歸模型，得到了地表最大下沉系數(shù)與煤炭開采沉陷影響因素之間的線性回歸方程，其復相關系數(shù)最大為1.000，標準差最小為0.004，顯著性較高，且據(jù)其得到的回歸地表最大下沉系數(shù)與實測值的平均偏差為0.032，能較準確地反映煤炭開采沉陷與各影響因子之間的線性關系。

3)通過灰色關聯(lián)度計算和逐步回歸分析，最終確定潞安礦區(qū)采煤沉陷的主要控制因素為覆巖綜合硬度、采高、工作面傾向長度及擾動系數(shù)。