黄土矿区开采沉陷与地表损害研究述评

芦家欣，汤伏全，2，赵军仪，闫照存

(1.西安科技大学 测绘科学与技术学院，陕西 西安 710054；2.国土资源部 煤炭资源开发与综合利用重点实验室，陕西 西安 710021)

0 引 言

中国是世界上最大的煤炭生产与消费国，煤炭资源开发与利用在国民经济与社会发展中具有举足轻重的战略地位[1]。西部黄土高原及其过渡地带横跨中西部六省区，是21世纪中国乃至全球主要的煤炭生产基地。大规模地下采煤已造成大范围地表沉陷与损害，导致矿区内适合居民安置和工程建设的选址范围不断减小，引发资源开发与环境保护之间的矛盾日益突出，制约西部矿区经济社会的可持续发展[2]，已成为社会关注和学术界研究的重大课题[3]。长期以来，开采沉陷理论与实践研究的重点，主要集中在中东部平原矿区和薄表土层覆盖的矿区，学术界主要关注基岩尤其是坚硬岩层对开采沉陷的控制性影响，对于地表土层和山区条件下的开采沉陷研究较少。作者及西安科技大学团队长期致力于西部复杂地理、地质条件矿区的开采沉陷规律研究，通过系统总结黄土矿区开采沉陷与地表损害研究的主要成果，分析该领域研究的现状及其展望，为西部矿区绿色安全开采与生态环境保护研究提供借鉴。

1 黄土矿区开采沉陷与地表损害特征

西部黄土矿区地形起伏多变，黄土层厚度占到开采深度的30%～70%，对于地表沉陷规律产生重要影响。黄土层中垂直节理发育，并具有不同程度的湿陷性和较大的天然孔隙比与压缩系数，其物理力学特性既不同于岩层，也有别于东部矿区的饱水粘土层，在采动过程中黄土层本身产生明显的附加变形，并与开采沉陷形成叠加效应，导致黄土矿区地表沉陷变形及损害的特殊性，归结为以下几方面。

1)地表移动具有变形剧烈、发展快速的特征。黄土矿区综放开采条件下地表沉陷具有变形剧烈、下沉速度大，非连续破坏严重、起动距偏小、裂缝角偏大等特征。地表移动参数与黄土层厚度及其在采深中的占比存在密切关系[4]。

2)开采裂缝发育及破坏程度较中东部平原矿区更剧烈。尤其在厚黄土层薄基岩开采条件下，黄土层随基岩的断裂沉陷而产生开裂，使其连续性破坏并被切割成块体结构，各块体之间产生剪切错动，造成地表台阶状裂缝。

3)开采沉陷过程中地表产生显著的附加变形。黄土层具有较强的湿陷特性和较大的天然孔隙比与压缩系数。在基岩面不均匀沉陷影响下，黄土层产生明显的附加变形。主要包括：饱和黄土失水固结变形、采动地表土体单元体积变形、黄土层浸水湿陷变形、黄土沟壑区山坡滑移变形。上述附加变形与开采沉陷形成叠加效应，导致黄土矿区开采沉陷规律的复杂性和特殊性[4]。

4)黄土山区下采煤可能诱发山体发生滑坡灾害。黄土山区滑坡范围一般与采空区位置有一定的关系，但主要取决于地貌、地质条件的控制作用。采动滑坡发生的时间和规模主要取决于开采沉陷及其它诱发因素的共同影响，具有突发性。

5)开采沉陷导致地表环境退化与损伤。黄土矿区大规模采煤引起的地表沉陷导致地形因子、土壤侵蚀、土体理化特性、土地利用、植被覆盖等环境因子的退化和损伤，破坏土壤结构，造成水土流失，引起土壤中水分、湿度、有机质含量等理化性质发生变化[5-6]，使土壤环境和生态系统退化。

2 黄土矿区开采沉陷与地表损害机理

2.1 开采沉陷中土岩互馈作用机理

黄土矿区地表沉陷破坏特征与地质、采矿条件之间关系密切。地表沉陷与土层、基岩特性、开采参数之间存在一定的量化关系。基岩层的物理力学强度明显高于黄土层，2种不同性质的介质在开采沉陷机理上存在显著差别。地表开采沉陷实质上是基岩的沉陷变形和黄土层的沉陷变形共同影响的结果。作者将黄土矿区开采沉陷模型分解为基岩的开采沉陷以及基岩面不均匀沉降引起的黄土层变形。前者等效于不考虑表土层的岩层开采沉陷模型上施加黄土层等效荷载的情形；后者等效于基岩面沉降在土层中传递引起的沉陷变形与采动土体单元本身产生的附加变形的叠加。黄土层在整体结构未破坏之前具有一定的支撑强度，对于下覆基岩的荷载一般小于其自重荷载。数值模拟分析表明，在常规“三带”型开采条件下，黄土层施加于基岩层上的等效荷载由本身自重荷载和开采充分程度(即开采宽度与开采深度之比，称为宽深比)所决定，而这种等效荷载影响可以转化为开采充分程度的增量(即等效开采宽度)。数值模拟表明，在基岩面达到充分下沉之前，等效开采宽度与黄土层等效荷载和开采充分程度(即实际宽深比)呈正相关，在基岩面达到充分下沉状态后，等效开采宽度不再增大，黄土层对基岩沉陷的荷载作用基本消失。

2.2 黄土层开采沉陷变形机理

黄土矿区基岩面不均匀沉陷是导致黄土层产生附加应力和变形的主要原因。模拟研究表明，黄土层的下沉随着开采宽深比的增大而变大，当基岩面达到充分下沉状态后，黄土层的整体性遭到破坏，下沉系数达到最大值；在黄土层与基岩交界面附近，黄土层随着基岩面的不均匀沉陷变形产生明显的剪切滑动和拉伸破坏[7]；地表附近土体单元变形由水平向附加应力所主导，在移动盆地边缘附近产生明显的体积膨胀变形，在移动盆地中央充分下沉区的体积变形接近为零，地表土体单元的体积变形、水平变形、竖直变形具有相同的分布特征[8]。

2.3 黄土层中附加变形机理

黄土山区开采沉陷过程中发生的主要附加变形包括饱和黄土失水固结变形、采动地表土体单元体积变形、黄土层浸水湿陷变形、黄土沟壑区山坡滑移变形。其中饱和黄土失水固结变形机理为，黄土层开采沉陷变形或裂隙引起土体渗透特性改变和土中孔隙水的排出，引起饱和黄土中地下水流失和地下水位下降，使孔隙水所承担的应力减小，土体中的有效应力增大，造成地下水位以下的饱和黄土体产生渗透固结变形。在此过程中，采动附加应力瞬间引起的超静孔隙水压力加速了渗透固结过程。

地表土体单元体积变形机理为，近地表黄土层弯曲引起的水平向附加应力远大于垂直向附加应力，土体单元的平均法向应力增量由水平向应力增量所主导，引起非饱和土骨架变形，导致地表土体单元体积变形。

采动黄土层湿陷变形机理为，地表具有自重湿陷特性的黄土层因采动裂缝和土体剪切破坏导致地表水渗入，开采沉陷变形和土体单元体积变形改变了土体的初始孔隙比，使湿陷性黄土的渗透特性发生变化，导致深部土层受到浸水影响而丧失其结构强度，引起湿陷变形。

采动山坡滑移变形的机理为，采煤引起的地层动态移动打破了山坡原有的平衡状态，导致斜坡应力场发生变化而使山坡产生指向下坡方向的塑性变形，并与开采沉陷变形形成叠加效应，导致地表沉陷变形背离类似平原矿区的一般规律性[9]。一般在正向坡情况下地表变形加剧；在反向坡情况下地表变形有所减小，在组合坡情况下使地表变形更为复杂，沟谷处地表在下沉过程中可能产生抬升现象。

2.4 黄土层开采裂缝与台阶形成机理

开采沉陷变形引起水平向应力松弛，使土体单元的最小主应力减小，导致土体单元达到剪切破坏或开裂的极限平衡状态而发生开裂。当黄土层中裂缝或剪切破裂面上下贯通时，黄土层的整体性遭到破坏，土层将分割成块体形式而产生移动，在地表形成裂缝与台阶破坏。地表裂缝发育程度和破坏等级与基岩顶界面应力、应变之间存在密切关系[7]，裂缝发育深度可根据地表变形指标和黄土物理力学参数确定[10]。实测资料表明，在浅埋煤层条件下，地表裂缝发育深度与宽度之间存在正比例关系，深度与落差之间存在对数关系[11]。

2.5 开采沉陷诱发的黄土山区滑坡机理

黄土山区斜坡在开采扰动使之达到极限平衡状态后，将导致整体性滑移失稳，称之为采动滑坡。上世纪90年代初，田家琦等人首先提出了地下开采诱发山体滑坡的课题，并对其形成机理进行了初步研究。一些学者利用相似材料模型实验和数值分析等手段研究了不同地形坡度及斜坡组合条件下，地表局部滑移破坏的分布特征。在国外，Greco V R,Ghose A K,Homoud A I等人利用断裂力学和塑性力学理论研究了采动滑坡力学机理[12-13]；Chamine H L等应用数值模拟技术研究了采动斜坡体的动态变形特征。工程地质学者在研究上述采动滑坡时，通常是将地下开采影响视为一种外动力因素定性地给予考虑。由于采动斜坡失稳的根源在于地下采空引起的基岩沉陷导致土层发生形变，只有在微观层次上研究土体变形的分布特征，才能真正建立“开采沉陷”与“斜坡稳定性”之间的关系，这方面的研究目前还很不充分。

2.6 开采沉陷引起的地表环境损伤机理

地表开采沉陷盆地的形成改变了地面坡度、坡向、地形起伏度和破碎程度等地形因子，引起地表径流变化和水土侵蚀加剧，造成土地损毁和土壤理化特性改变[14]，尤其在沟谷地形下会影响到地表径流分布和区域水系环境。一些学者从地理学的土壤侵蚀角度出发，基于野外考查和GIS，RS技术分析表明，黄土高原煤炭开采区的水土流失和土壤侵蚀强度与原有地貌条件下的水土流失特征之间存在密切的关系，黄土矿区土壤侵蚀强度的空间分布与原有地形、植被等因子相关，也与采煤强度相关。沉陷区土壤侵蚀和土壤结构的破坏导致土壤理化性质恶化，在水土流失作用下，造成土壤的营养流失及土地损伤。一些学者针对煤矿区生态环境破坏过程进行了研究，并揭示煤矿开采区环境破坏具有一定的自修复特征和自我修复效应[15]。目前，对于开采沉陷区地表环境损伤过程及其机理的研究尚不充分。

3 黄土矿区开采沉陷预计模型

常规的开采沉陷预计模型包括概率积分法、负指数函数法、典型曲线法、力学模型法等，主要是针对平地条件下单一长壁工作面基岩层开采沉陷原理建立的，难以适用于西部黄土山区条件下的开采沉陷预计[16]。近十多年来，一些学者将黄土山区的土层和基岩视为2种不同介质，将斜坡自重滑移变形与平地条件的开采沉陷量进行叠加建模，提出了多种开采沉陷模型。主要有：从变形传递叠加角度构建的开采沉陷分层介质预计模型[17]、基于岩土力学和开采沉陷学理论建立的土、岩双层介质下沉空间逐层传递的开采沉陷模型[18]、加入地形变化修正参数的影响函数法改进模型、考虑黄土斜坡滑移变形的沟壑区潜在滑坡模型[19]等。作者将黄土矿区地表沉陷分解为黄土层荷载作用下的基岩采煤沉陷以及基岩面不均匀沉降导致的黄土层沉陷，建立了黄土覆盖矿区开采沉陷的双层介质模型，通过数值模拟确定了黄土层自重作用于基岩的等效荷载与开采充分程度的量化关系，导出了适合黄土矿区的概率积分法改进模型[16]，基于黄土山区采动附加变形机理模型导出了各种附加变形的预计模型。

地表最大下沉值直接反映开采沉陷的强度并控制着其它移动变形量，是衡量开采沉陷的主要指标。目前，针对黄土矿区最大下沉量的预计主要通过数值模拟或实测数据建立相关的经验公式。如通过数值模拟得出地质采矿因素对地表最大下沉值的影响程度，利用回归分析拟合得到地表最大下沉值与多因素的函数表达式。上述预计模型对黄土矿区沉陷预计具有一定的适用性。

4 黄土矿区开采沉陷与地表损害监测

4.1 地表沉陷变形监测

对矿区地表开采沉陷进行实地监测是确保矿山安全生产及矿区生态环境治理的基本手段。传统的布设地表移动观测线或观测网的常规工程测量、GNSS测量、近景摄影测量等，不便于大范围的地表形变监测[20]。近年来，利用三维激光雷达扫描(Light Detection and Ranging，LiDAR)技术开展矿区沉陷监测已经取得了一定成效，利用机载或地基LiDAR技术可以监测整个矿区沉陷的动态变化[21]。

多年来，合成孔径雷达干涉测量(Interferometric Synthetic Aperture Radar，InSAR)技术已成功应用于矿区地表沉陷监测[22]。许多学者利用InSAR及其差分干涉测量(Differential Interferomertry Synthetic Aperture Radar，D-InSAR)技术获取了矿区地裂缝的分布范围、黄土沟壑区地表变形分布图、开采沉陷区动态时序形变图等。针对D-InSAR难以监测到矿区大梯度沉陷的问题，一些学者采用高分辨率SAR影像结合SBAS技术和Offset-tracking技术，获取开采过程中地表大量级沉陷的时间序列[23-24]，但高分辨率的SAR数据需要根据开采计划提前预订和购置，所获取影像还可能存在失相干风险，且购置时间成本与费用较高，这成为该技术在矿区大梯度形变监测中推广的障碍。作者多年来利用雷达遥感技术开展了黄土矿区变形监测试验，发现在黄土山区地貌地形条件下，对于SAR影像的干涉对选择、噪声滤波、气象改正、去平地效应、地形起伏等环节的处理较平原矿区更为复杂，还存在许多技术问题。

4.2 黄土矿区地表环境变化监测

目前，国内外针对矿区土壤理化性质变化的研究主要采用三维相似材料模拟实验、现场取样及室内测定[25]、遥感反演[26]等手段，研究矿区土地利用、土地覆盖变化主要采用(LUCC)模型法。国内对于煤矿区土壤环境及土地利用动态变化的研究比较薄弱。多年来在遥感技术监测矿区地表环境变化方面取得了一些进展。如利用遥感时序方法分析沉陷区地物的变化趋势；通过高分遥感影像提取开采区植被NDVI指数，分析采矿因素的影响；利用无人机遥感反演模型分析沉陷区农作物变化[27]等。近几年来，笔者采用Landsat和Modis影像对铜川矿区、彬长矿区等植被覆盖指数和土壤湿度变化进行了监测，取得了一定的成效。

4.3 沉陷区地表持续变形和长期稳定性监测

黄土矿区在非充分采动条件下，沉陷区内破裂岩土中往往存在大量的空洞或空隙，在上覆岩土特别是巨厚黄土层自重作用下会发生压缩或黄土湿陷变形，导致沉陷区地表产生持续的残余变形。目前，利用InSAR结合GNSS连续监测技术已成为沉陷区地表持续变形监测的主要手段，如通过InSAR影像处理获得老采空区地表变形数据，建立地表残余下沉速度与地质采矿参数的经验关系式[28]，可以评价采空区地表长期稳定性。

针对采空区“空洞”效应导致的重力场变化，作者基于布格重力理论采用数值模拟方法得到了采空区地表的重力异常分布特征，建立了采空区深度、宽度、厚度、开采边界与地表重力异常分布的关系，为利用重力异常变化监测数据反演煤矿采空区演变提供了基础[29]。

5 黄土矿区开采沉陷与地表损害研究展望

近十多年，随着煤炭开采规模的不断扩大和监测技术的快速进步，学术界针对黄土矿区开采沉陷与地表损害的研究取得了一定的进展，已经基本掌握了黄土矿区开采沉陷与地表损害的基本类型、特征，初步揭示了黄土山区开采沉陷变形与地面破坏的发生机理，建立了简单地质采矿条件下开采沉陷的预计模型，利用新的测绘技术手段开展了地表沉陷与环境损害监测试验。然而，西部黄土覆盖矿区开采沉陷与地表损害规律十分复杂且影响因素众多，目前的研究还存在许多薄弱环节有待突破，作者根据个人的理解将其归结为如下几方面。

1)黄土矿区开采沉陷变形与破坏的细观和微观特征研究。目前，在现场监测、规律分析、理论建模等方面，主要针对地表沉陷的“宏观”特征开展研究。从“宏观”上看，地表沉陷主要受开采强度、覆岩特性、地质构造、开采深度等因素控制[30]。而黄土层变形的“细观”和“微观”特征对于地面建筑物、生态环境、地下水文特征的影响更为显著。从地表变形的“细观”尺度上看，即使地表没有因地质构造或山坡滑移等引起的较大开裂和台阶，其局部范围内地表沉陷(主要是变形)也总是非连续的。黄土矿区地表变形的这种细观特征更为显著，其危害性也更为严重。从“微观”尺度来观察地表土体变形，就是土体内部结构中固体颗粒、水、空气和收缩膜四相介质的相对运动在地表的体现，其微观特征不仅与基底绝对移动量(即采煤引起的基岩面下沉)有关，还与土层特性密切相关。地表变形的细观特征是“微观”土体变形因节理或地形等因素产生的变异；地表变形的宏观特征就是一定尺度内上述细观和微观变形的叠加。对于采动黄土层变形的这种多层次特征，还有待深入研究。在地形起伏条件下，采煤引起的斜坡失稳根源在于地下采空引起的基岩沉陷导致土层发生形变，只有在微观层次上研究土体变形的分布特征，才能真正建立“开采沉陷”与“斜坡稳定性”之间的关系。针对地下开采对于黄土斜坡稳定性的影响机理，涉及开采沉陷学、工程地质学和土力学等多学科理论，目前的研究还很不充分。

2)黄土矿区复杂条件下开采沉陷预计模型研究。现有的开采沉陷监测和预计模型主要是针对单一工作面开采引起的地表沉陷特征构建的。由于单一工作面开采的地表沉陷首先取决于基岩层断裂状态和不同的下沉模式，目前对于黄土层荷载作用下基岩开采充分程度及下陷模式缺乏有效的判别方法，现有的开采沉陷预计模型主要针对接近于充分开采的下沉模式而建立的，这些模型在应用于基岩弯曲下沉和断裂下沉的非充分开采情形时，地表沉陷预计甚至会出现数量级上的偏差。西部黄土矿区的大型现代化矿井多采用长壁综放工作面开采，在多工作面连续开采、跳采、分层重复开采、条带开采等采煤条件下，地表沉陷变形往往会受到相邻工作面开采沉陷的叠加影响，其规律与单一工作面开采情形显著不同。目前，由于缺乏开采沉陷全过程、全矿区、高分辨率的地表时序监测数据的支持和验证，在多工作面开采地表三维动态沉陷规律和预计模型研究方面，还有待取得突破。

3)老采空区地表长期稳定性研究。随着煤炭开采的不断推进，黄土矿区的老采空区面积不断扩大，由于采空区残留煤柱的影响，各个工作面开采的地表沉陷往往没有达到充分下沉程度，采空区上覆岩土中仍然存在大量的离层空隙，在上覆岩层尤其是巨厚黄土层的自重荷载作用下，导致工作面间的残留煤柱破坏而引起基岩破断下沉，并使岩土中的离层空隙被压缩，造成地表形变“复活”，即老采空区活化。这种情形已在铜川、彬长等矿区多处发生。针对采空区地表的安全稳定性问题，目前尚缺乏有效的探测和研究手段。现有成果主要从地质力学建模分析和形变监测方面来评价采空区的稳定性，难以揭示沉陷区内部破碎岩土中的空洞演变特征及所带来的安全隐患。根据重力场理论，沉陷区内空洞的运移和岩土密度场的变化必然导致地表重力场变化，学术界普遍认为这种重力异常因量级小而难以进行测量和数据反演。近年来，作者探索了利用重力异常测量结合地面InSAR形变数据来反演分析采空区地表长期稳定性的可行性。由于煤矿地下采空导致的地表重力场的变化量本身较小(约50～300 μGal)，西部黄土沟壑地貌区重力场变化复杂，加上重力测量仪器本身的误差影响，目前对于重力测量数据的噪声处理及重力异常数据反演理论建模等方面的研究尚不深入，有待进一步开展现场试验和反演理论研究。

4)黄土矿区采煤沉陷和地表环境损伤的时空效应研究。长期以来，学术界主要研究地表沉陷的几何特征及其变化，将沉陷变形所引起的地表损害视为不可逆转的破坏。西部黄土矿区地广人稀，土地贫瘠，生态环境脆弱，开采沉陷损害不仅表现为地面沉陷、设施破坏、地质灾害等不可逆的破坏形式，更多地反映在地理、地质环境的损伤方面，而这种环境损伤一方面受开采沉陷和环境条件的影响，在沉陷发展的不同阶段呈现出复杂的空间分布特征，在经过较长时间自然力的作用后，也会产生一定的“恢复性”，呈现出随时间演变的特征。目前，地理学和环境地质学者主要在现象上探讨采煤对于地形因子、土壤侵蚀、土体理化特性、土地利用/覆被变化等环境因子的影响，从定性的和静态的角度对地表环境损伤程度开展评估。随着无人机激光扫描技术、高分辨率遥感技术的进步，在地表沉陷全过程的高分辨率时序监测数据的支持下，将揭示出黄土矿区采煤沉陷与环境损伤过程的时空效应，推进该领域科学研究与技术应用的发展。

6 结 论

1)西部黄土矿区的黄土层特性及地貌、地质条件是影响开采沉陷与地表损害规律的重要因素。现有研究成果表明，厚黄土层与基岩在开采沉陷过程中形成复杂的互馈效应，黄土山区采动过程中发生多种附加变形并与开采沉陷本身形成叠加效应，导致地表沉陷与损害的特征及其形成机理较其它矿区更为复杂。

2)黄土矿区土层和岩层2种介质具有不同的沉陷机理，常规的针对平地条件下单一长壁工作面基岩层开采沉陷原理建立的地表沉陷预计模型，难以适用于西部黄土山区多工作面开采条件。多年来，一些学者根据地表土层变形机理和山坡侧向滑移特征提出了多种改进的开采预计模型，具有一定的适用性。

3)西部黄土矿区大范围地表沉陷与损害过程复杂且影响因素众多，由于缺乏地表沉陷全过程、全盆地、高分辨率时序监测数据的支持与验证，目前在开采沉陷及地表变形的细观特征和微观机理、多工作面开采三维动态沉陷预计、采空区地表长期稳定性探测与评价、地表沉陷与环境损伤过程的时空效应等方面，还有待开展深入系统的研究。