濟寧井工礦區(qū)不同開采條件對沉陷階段的影響

蔣旭梓，李新舉，閔祥宇，葉甜甜，孫銘岳

(1.山東農(nóng)業(yè)大學 資源與環(huán)境學院，山東 泰安 271018；2.土肥高效利用國家工程研究中心，山東 泰安 271018)

我國東部地區(qū)是煤炭資源的集中賦存區(qū)域，該區(qū)域地形平坦，人口密集，高產(chǎn)良田達80%以上[1]，煤糧復合面積較大。東部礦區(qū)煤炭以井工開采為主[2]，井工開采必然會引起地表嚴重變形，從而導致地表沉陷[3-4]，且在部分高潛水位煤礦區(qū)，其開采沉陷過程中易形成積水，大面積積水造成耕地無法耕作，對人民生命財產(chǎn)和國家糧食安全造成了極大的威脅，因此，對東部煤礦區(qū)的生態(tài)恢復和復墾工作迫在眉睫，且由于礦區(qū)采煤沉陷對社會環(huán)境影響巨大，對采煤沉陷過程的規(guī)律及監(jiān)測研究也成為生態(tài)修復領(lǐng)域的研究重點之一。地表沉陷具有一定的規(guī)律性，且煤層埋藏深度、煤層開采厚度、開采煤層數(shù)、煤層上覆巖性結(jié)構(gòu)、地質(zhì)構(gòu)造以及地表地形特征等因素均會影響地表沉陷程度[5-6]。王啟春[7]等通過建立不同松散層厚度數(shù)值模型，證明了地表下沉量和主要影響角正切會隨著松散層厚度的增加而增加；朱慶偉[8]等對覆巖結(jié)構(gòu)演化特征進行分析研究，建立了覆巖結(jié)構(gòu)變化與地表變形下沉的理論預計模型；張豐[9]等利用概率積分法參數(shù)與采高、充分采動程度等條件進行相關(guān)性分析，得出不同開采條件對下沉系數(shù)和水平移動系數(shù)的影響程度；賈新果[10]等以采深、采高、推進速度、煤層傾角等為出發(fā)點，揭示了工作面開采深度和推進速度與最大下沉量、最大下沉速度和地表運動時間的相互關(guān)系。上述學者的研究證明了不同開采條件確實對礦區(qū)地表沉陷產(chǎn)生一定的影響，但不同開采條件對各沉陷階段的影響程度尚未探明。

濟寧礦區(qū)作為東部井工開采煤礦區(qū)的典型代表，具有采煤塌陷范圍廣、深度大、煤糧重合度高、積水嚴重的顯著特征，造成耕地實際保有量銳減，破壞了礦區(qū)生態(tài)環(huán)境，影響了群眾生活和社會穩(wěn)定，制約了城市建設和發(fā)展。筆者從單一工作面、鄰采空區(qū)工作面等不同工作面開采類型和工作面走向長、傾向長、煤層厚度、煤層埋深等采礦與地質(zhì)條件出發(fā)，選擇濟寧礦區(qū)A煤礦(A1，A2工作面)、B煤礦(B1，B2，B3工作面)和C煤礦(C1工作面)進行研究，根據(jù)各代表工作面的實地觀測數(shù)據(jù)，揭示不同開采條件對礦區(qū)地表沉陷過程中各沉陷階段的影響程度，并分析了各工作面的開采充分性情況。

1 研究資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

濟寧礦區(qū)位于華北平原中部，地形較為平坦，區(qū)域內(nèi)有多條河流穿過，屬于暖溫帶大陸性季風氣候，夏季炎熱多雨，冬季寒冷干燥。該礦區(qū)煤炭資源豐富、煤質(zhì)優(yōu)良，現(xiàn)有煤炭礦井57對，核定年產(chǎn)原煤約9 000萬t，是全國重點建設的14個億噸級大型煤炭基地之一，筆者選取的A煤礦、B煤礦和C煤礦是濟寧礦區(qū)的重要組成部分。

1.2 煤層賦存條件

A煤礦含煤地層平均總厚250 m，可采煤層有3上、3下、6、10下、12下、15上、16上及17共8層，平均總厚10.32 m，含煤系數(shù)4.1%。其中主要可采煤層為3上、3下、16上、17煤層，平均總厚7.36 m，占可采煤層總厚的71.3%。又以3上、3下兩層煤層厚度較大，平均厚度達6.22 m，占可采煤層總厚的60.3%。

B煤礦含煤地層總厚245.04 m。區(qū)內(nèi)共含煤25層，煤層平均總厚19.82 m，含煤系數(shù)8.1%。區(qū)內(nèi)可采及局部可采煤層共7層，厚度為12.86 m。其中山西組的3號煤為主要可采煤層，平均厚8.50 m，占區(qū)內(nèi)可采煤層總厚的66.1%，全區(qū)可采，其余各層厚度均不超過1 m。

C煤礦含煤地層平均總厚約255 m?？刹擅簩佑?上、3下、6、10下、15上、16、17共7層，平均總厚12.00 m，含煤系數(shù)為4.7%。主要可采煤層為3上、3下、16、17，平均總厚9.76 m，占可采煤層總厚的81.3%；其中3上煤層最厚，最大厚度為10.55 m，全區(qū)平均厚5.51 m，占主要可采煤層總厚的56.5%。

1.3 工作面選取情況

濟寧礦區(qū)各煤礦及煤礦內(nèi)部采礦條件不盡相同，為方便分析研究，根據(jù)其工作面開采類型，將6個工作面劃分為單一工作面(A1，A2)、鄰采空區(qū)工作面(B1，B2)和多工作面(B3，C1)3種類型，其中多工作面是指2個及以上工作面規(guī)劃完成后，因其地質(zhì)條件和工作面開采條件類似，從而進行同步采煤作業(yè)的工作面，表1為各煤礦代表性工作面相關(guān)參數(shù)。

表1 礦區(qū)工作面采礦條件相關(guān)參數(shù)Table 1 Mining parameters and subsidence characteristics

1.4 實地監(jiān)測情況

為監(jiān)測各煤礦代表性工作面的地表下沉情況，采用布設地表觀測線的方式，根據(jù)各工作面的實際情況，在預采工作面地表布設2～3條地表觀測線，并延伸至不受開采擾動區(qū)域。各工作面地表觀測線的監(jiān)測點間距為20～50 m，利用Trimble-Dini03電子水準儀進行高程測量，并利用Trimble 5800 II GPS接收機進行點連式靜態(tài)觀測以獲取觀測站平面坐標。根據(jù)工作面開采進度，經(jīng)過多期測量，獲取地表觀測數(shù)據(jù)。各工作面觀測線布設情況如圖1所示。

圖1 各工作面觀測線布設Fig.1 Different working face observation lines

1.5 研究方法

為探明各代表性工作面階段性特征，根據(jù)觀測高程數(shù)據(jù)，利用Excel2019統(tǒng)計各監(jiān)測點的地表下沉量，從而得到工作面各監(jiān)測點的下沉速率和最大下沉量，并根據(jù)擁有最大下沉量的點在觀測周期內(nèi)的下沉情況，在Origin pro2019中繪制該點的下沉量和下沉速率的沉陷階段圖，以分析各工作面的地表運動情況。另外，利用SPSS 22.0軟件對工作面的走向長、傾向長、煤層厚度、煤層埋深、煤層傾角和工作面推進速度與各階段下沉量、各沉陷階段持續(xù)時間、最大下沉量和最大下沉速度進行相關(guān)性分析，得出不同采礦和地質(zhì)條件對各沉陷階段的影響程度，并對各工作面的開采充分性進行分析。

2 紻果與分析

2.1 不同開采類型工作面沉陷特征分析

在礦區(qū)沉陷過程中，根據(jù)其監(jiān)測結(jié)果可獲得一系列地表移動參數(shù)，為更好地反映煤礦區(qū)地表移動過程，可對煤礦區(qū)最大下沉點的沉降速率進行時序分析。根據(jù)“三下”采煤規(guī)定[11]，下沉盆地內(nèi)任意一點都可以下沉速度1.67 mm/d為分界點，并將任意一點的沉陷周期劃分為初始期、活躍期和衰退期。另外，對下沉速度達不到分界點的工作面，根據(jù)下沉速度的變化趨勢(平緩到增加為初始期；峰值開始減小為衰退期；其余為活躍期)進行階段性分析。

不同開采類型工作面地表下沉差異較為顯著，各類型工作面沉陷參數(shù)見表2，沉陷階段如圖2所示。

表2 不同開采類型工作面沉陷參數(shù)Table 2 Subsidence parameter of working face in different mining types

圖2 不同開采類型工作面沉陷階段Fig.2 Subsidence stage diagram of working face in different mining types

由表2和圖2可知，單一工作面條件下沉量和下沉速度較小，下沉速度曲線呈先增加后減少的趨勢，其最大下沉速度僅1.39 mm/d和2.38 mm/d，下沉量曲線變化趨勢較為平緩，最大下沉量僅235.5 mm和338.0 mm；相較于單一工作面，鄰采空區(qū)工作面地表下沉運動較為活躍，該類工作面下沉速度和下沉量呈緩慢增加的趨勢，而進入活躍期后兩者增長更為明顯，工作面最大下沉速度分別達3.33 mm/d和3.73 mm/d，其下沉量均超過了800 mm，其中初始期下沉量占比有所增加，但活躍期下沉量依然占50%以上；多工作面開采地表下沉運動最為活躍，該類工作面下沉速度和下沉量在初始期無顯著增長，但由初始期進入活躍期后，下沉速度和下沉量增長迅速，其中C1工作面最大下沉量和最大下沉速度分別達1 821.0 mm和9.59 mm/d，且活躍期下沉量仍占據(jù)主導，與前兩種類型工作面相比，其衰退期下沉量有所增加。綜上所述，不同開采類型工作面的總下沉量均主要來源于活躍期下沉量，該階段下沉量占總下沉量的55.63%～86.27%；初始期和衰退期下沉量對總下沉量貢獻相對較少，且除鄰采空區(qū)工作面外，單一工作面和多工作面衰退期下沉量要大于初始期下沉量。

地表移動持續(xù)時間是指最大下沉點從開始運動到趨于穩(wěn)定的時間周期。不同開采類型工作面各階段和最終地表移動持續(xù)時間各不相同(表3)。單一工作面地表移動持續(xù)時間最短，地表移動持續(xù)時間超過380 d，且主要來源于衰退期周期；鄰采空區(qū)工作面地表移動持續(xù)時間最長，地表移動持續(xù)時間達1 000 d以上，其中初始期周期占地表移動持續(xù)時間的41.22%～58.44%；多工作面采區(qū)地表移動持續(xù)時間接近鄰采空區(qū)工作面，但其主要貢獻卻來源于活躍期。

表3 地表運動持絒時間及各階段占比Table 3 Duration of surface movement and proportion of each stage

2.2 地表沉陷動態(tài)參數(shù)影響程度分析

為探明不同采礦條件對各項沉陷動態(tài)參數(shù)的影響程度，對開采條件和沉陷動態(tài)參數(shù)進行相關(guān)性分析(表4)。

表4 不同開采條件與各項沉陷參數(shù)相關(guān)性Table 4 Correlation of different mining conditions and subsidence parameters

由表4可知，開采條件的差異對地表沉陷的影響不盡相同，其中煤層傾角和工作面走向長與各項沉陷動態(tài)參數(shù)的相關(guān)性較弱，可判定煤層傾角和工作面走向長不是影響地表下沉的主要因素；而工作面傾向長、煤層埋深、煤層厚度和工作面推進速度與沉陷參數(shù)卻分別體現(xiàn)出較高的相關(guān)性。其中，工作面傾向長與活躍期下沉量、衰退期下沉量和活躍期周期呈顯著正相關(guān)，與最大下沉量和最大下沉速度呈極顯著正相關(guān)；工作面煤層埋深和推進速度與地表移動持續(xù)時間相關(guān)性分別達0.984和-0.932，分別呈極顯著性正相關(guān)和極顯著性負相關(guān)，且煤層埋深還與初始期周期成顯著性正相關(guān)；煤層厚度與各項參數(shù)均呈現(xiàn)出一定的相關(guān)性，且與地表移動持續(xù)時間相關(guān)性達0.837，呈顯著性正相關(guān)。

對相關(guān)性顯著的開采條件與各項沉陷動態(tài)參數(shù)進行擬合，如圖3所示。

圖3 開采條件與動態(tài)沉陷參數(shù)關(guān)系Fig.3 Relationship between mining conditions and subsidence parameters

由圖3可知，開采條件與各項沉陷動態(tài)參數(shù)呈較好的擬合關(guān)系，擬合精度較高，除工作面推進速度外，均呈正相關(guān)關(guān)系。其中，工作面傾向長度與各沉陷動態(tài)參數(shù)具有廣泛的相關(guān)性，因此工作面傾向長度是地表沉陷過程的主要影響因素。對地表沉陷階段影響程度：工作面傾向長＞煤層埋深＞煤層厚度＞工作面推進速度。

2.3 采動程度和地表移動劇烈程度分析

在討論工作面傾向長、煤層深度和煤層厚度對地表下沉的影響時，開采充分性和深厚比兩個概念常被提及。針對濟寧礦區(qū)巨厚松散層的特點，根據(jù)采寬和基巖厚度比[12-13]分別來衡量工作面開采充分程度，表5為各工作面采動程度、下沉系數(shù)和深厚比情況。

表5 各工作面采動程度、下沉系數(shù)和深厚比Table 5 Degree of mining，coefficient of subsidence and depth to thickness ration

一般來說，當采動程度系數(shù)小于0.33時，可判定工作面為極不充分采動，A1，B1，B2和B3工作面均屬于極不充分采動，而A2和C1工作面卻由極不充分采動階段過渡至非充分采動階段。在下沉系數(shù)方面，除多工作面外，單一工作面和鄰采空區(qū)工作面下沉系數(shù)隨采動程度的增加而減少。另外，深厚比能夠較為直觀地反映地表移動劇烈程度的大小，各工作面深厚比與地表沉陷大小呈負相關(guān)，以A1和C1工作面為例，深厚比相差275%，最大下沉量和最大下沉速度分別增加約7倍和6倍，故深厚比越小，地表下沉量和下沉速度越大，地表移動程度也越劇烈。

3 討 論

3.1 不同開采類型工作面對地表沉陷的影響

地表沉陷的本質(zhì)是在工作面開采過程中，上覆巖層在重力和上方巖層壓力的作用下向下彎曲，當上覆巖層內(nèi)拉應力超過極限時，上覆巖層依次破碎、崩落[14-15]。不同開采類型工作面沉陷示意如圖4所示。

圖4 不同開采類型工作面沉陷示意Fig.4 Schematic diagram of working face subsidence in different mining types

單一工作面在開采過程中，工作面和相鄰采區(qū)上覆巖層較為完整，且在兩側(cè)支承壓力[16-17]的作用下，應力平衡不易受到破壞，如圖4(a)所示，故單一工作面地表下沉幅度較小，這與文獻[18]的研究結(jié)果基本一致；另外，由于地表移動劇烈程度較小，導致其初始期和活躍期持續(xù)時間較短，衰退期成為地表移動持續(xù)時間的主要來源。相對于單一工作面開采，鄰采空區(qū)工作面開采條件下，上覆巖層結(jié)構(gòu)并不完整，新老采空區(qū)上覆巖層應力應變經(jīng)歷了多次平衡和擾動[19]，本應對稱的支承壓力區(qū)失去了平衡[20]，如圖4(b)所示，造成一側(cè)支承壓力加大，超過了最大承載負荷，因此造成了較大程度的沉降[21-22]，通常該類工作面初始期持續(xù)時間應較短，與本文結(jié)果出現(xiàn)截然不同的趨勢，筆者認為是因為該類工作面開采深度較大，且開采寬度沒有超過關(guān)鍵層的極限跨距，關(guān)鍵層對采空區(qū)上覆巖層的支承作用使得工作面開采初期的地表下沉幅度較小且持續(xù)時間較長。多工作面開采前提下，采空區(qū)面積增加迅速，隨著采空區(qū)面積的增大，支承壓力區(qū)對上覆巖層的載荷能力不斷減小，如圖4(c)所示，且在巖層重力作用和多重開采擾動的影響下，上覆巖層破斷程度加劇[23]，從而導致地表沉陷幅度更為劇烈，活躍期持續(xù)時間也相應增加，甚至超過了初始期和衰退期。

3.2 不同采礦地質(zhì)條件對地表沉陷的影響

工作面傾向長對地表沉陷過程影響程度最為顯著，研究發(fā)現(xiàn)隨著工作面傾向長度的增加，其活躍期下沉量、周期和下沉速度也會增加，如圖3(a)，3(c)～3(e)所示，其原因主要是采空區(qū)面積不斷擴大的同時[24]，采動程度也在不斷增加，在由極不充分開采過渡到非充分開采的過程中，地表下沉運動較為活躍[25]，從而導致了較大幅度的地表沉陷。文獻[26]指出，下沉系數(shù)會隨著采動程度和最大下沉量的增加而增加，但通過分析發(fā)現(xiàn)該結(jié)論只適用于多工作面采區(qū)，單一工作面和鄰采空區(qū)工作面下沉系數(shù)卻隨采動程度和最大下沉量的增加而減少，其主要原因是工作面實際下沉量與煤層厚度差異過大。另外，相較于其他開采類型工作面，鄰采空區(qū)工作面更難達到充分采動。

工作面推進速度也是影響地表下沉幅度的因素之一。文獻[27]指出，工作面推進速度越快，下沉量和下沉速度越小，這是因為工作面推進速度加快的同時，應力和煤體破壞范圍會相應減小，從而有利于維持上覆巖層的穩(wěn)定，地表下沉幅度隨之減小。但筆者研究發(fā)現(xiàn)(圖5)，單一工作面基本符合這一規(guī)律，在鄰采空區(qū)工作面和多工作面開采前期和后期，相較于慢速推進，快速推進產(chǎn)生的地表下沉量更大。

圖5 工作面各時段下沉量Fig.5 Periodic subsidence of various working face

煤層埋深和煤層厚度對地表沉陷影響較為顯著，主要表現(xiàn)在對地表移動持續(xù)時間的影響，筆者選取的工作面地表沉陷特征具有顯著的時間依賴性，從地面運動到結(jié)束，能持續(xù)數(shù)月甚至數(shù)年[28]。不少學者[29-30]證明了開采深度是影響地表移動持續(xù)時間的主要因素，隨著開采深度的增加，下沉反映到地表的時間也會變長，故其工作面到達最終沉陷的時間也越長。同時，筆者發(fā)現(xiàn)煤層厚度也會影響地表移動持續(xù)時間。此外，地表沉陷一般呈現(xiàn)活躍期周期短、初始期和衰退期周期長的規(guī)律[31]，但在多工作面采區(qū)，地表移動持續(xù)時間體現(xiàn)出活躍期周期長、初始期和衰退期短的特征。

4 紻 論

(1)不同開采類型工作面的最大下沉量主要來源于活躍期，且只有鄰采空區(qū)工作面初始期下沉量要大于衰退期下沉量。單一工作面、鄰采空區(qū)工作面和多工作面的地表移動持續(xù)時間的主要來源不同，分別來源于衰退期、初始期和活躍期。

(2)工作面傾向長是影響各沉陷階段的主導因素，煤層埋深、煤層厚度和工作面推進速度僅對地表移動持續(xù)時間影響較為顯著。不同采礦地質(zhì)條件對3個沉陷階段的影響程度：工作面傾向長＞煤層埋深＞煤層厚度＞工作面推進速度。

(3)在達到開采充分性的難易程度上，單一工作面和多工作面要比鄰采空區(qū)工作面更易達到充分開采。