济宁井工矿区不同开采条件对沉陷阶段的影响

2022-12-07蒋旭梓李新举闵祥宇叶甜甜孙铭岳

采矿与岩层控制工程学报 2022年6期

蒋旭梓，李新举，闵祥宇，叶甜甜，孙铭岳

(1.山东农业大学资源与环境学院，山东泰安 271018；2.土肥高效利用国家工程研究中心，山东泰安 271018)

我国东部地区是煤炭资源的集中赋存区域，该区域地形平坦，人口密集，高产良田达80%以上[1]，煤粮复合面积较大。东部矿区煤炭以井工开采为主[2]，井工开采必然会引起地表严重变形，从而导致地表沉陷[3-4]，且在部分高潜水位煤矿区，其开采沉陷过程中易形成积水，大面积积水造成耕地无法耕作，对人民生命财产和国家粮食安全造成了极大的威胁，因此，对东部煤矿区的生态恢复和复垦工作迫在眉睫，且由于矿区采煤沉陷对社会环境影响巨大，对采煤沉陷过程的规律及监测研究也成为生态修复领域的研究重点之一。地表沉陷具有一定的规律性，且煤层埋藏深度、煤层开采厚度、开采煤层数、煤层上覆岩性结构、地质构造以及地表地形特征等因素均会影响地表沉陷程度[5-6]。王启春[7]等通过建立不同松散层厚度数值模型，证明了地表下沉量和主要影响角正切会随着松散层厚度的增加而增加；朱庆伟[8]等对覆岩结构演化特征进行分析研究，建立了覆岩结构变化与地表变形下沉的理论预计模型；张丰[9]等利用概率积分法参数与采高、充分采动程度等条件进行相关性分析，得出不同开采条件对下沉系数和水平移动系数的影响程度；贾新果[10]等以采深、采高、推进速度、煤层倾角等为出发点，揭示了工作面开采深度和推进速度与最大下沉量、最大下沉速度和地表运动时间的相互关系。上述学者的研究证明了不同开采条件确实对矿区地表沉陷产生一定的影响，但不同开采条件对各沉陷阶段的影响程度尚未探明。

济宁矿区作为东部井工开采煤矿区的典型代表，具有采煤塌陷范围广、深度大、煤粮重合度高、积水严重的显著特征，造成耕地实际保有量锐减，破坏了矿区生态环境，影响了群众生活和社会稳定，制约了城市建设和发展。笔者从单一工作面、邻采空区工作面等不同工作面开采类型和工作面走向长、倾向长、煤层厚度、煤层埋深等采矿与地质条件出发，选择济宁矿区A煤矿(A1，A2工作面)、B煤矿(B1，B2，B3工作面)和C煤矿(C1工作面)进行研究，根据各代表工作面的实地观测数据，揭示不同开采条件对矿区地表沉陷过程中各沉陷阶段的影响程度，并分析了各工作面的开采充分性情况。

1 研究资料与方法

1.1 研究区概况

济宁矿区位于华北平原中部，地形较为平坦，区域内有多条河流穿过，属于暖温带大陆性季风气候，夏季炎热多雨，冬季寒冷干燥。该矿区煤炭资源丰富、煤质优良，现有煤炭矿井57对，核定年产原煤约9 000万t，是全国重点建设的14个亿吨级大型煤炭基地之一，笔者选取的A煤矿、B煤矿和C煤矿是济宁矿区的重要组成部分。

1.2 煤层赋存条件

A煤矿含煤地层平均总厚250 m，可采煤层有3上、3下、6、10下、12下、15上、16上及17共8层，平均总厚10.32 m，含煤系数4.1%。其中主要可采煤层为3上、3下、16上、17煤层，平均总厚7.36 m，占可采煤层总厚的71.3%。又以3上、3下两层煤层厚度较大，平均厚度达6.22 m，占可采煤层总厚的60.3%。

B煤矿含煤地层总厚245.04 m。区内共含煤25层，煤层平均总厚19.82 m，含煤系数8.1%。区内可采及局部可采煤层共7层，厚度为12.86 m。其中山西组的3号煤为主要可采煤层，平均厚8.50 m，占区内可采煤层总厚的66.1%，全区可采，其余各层厚度均不超过1 m。

C煤矿含煤地层平均总厚约255 m。可采煤层有3上、3下、6、10下、15上、16、17共7层，平均总厚12.00 m，含煤系数为4.7%。主要可采煤层为3上、3下、16、17，平均总厚9.76 m，占可采煤层总厚的81.3%；其中3上煤层最厚，最大厚度为10.55 m，全区平均厚5.51 m，占主要可采煤层总厚的56.5%。

1.3 工作面选取情况

济宁矿区各煤矿及煤矿内部采矿条件不尽相同，为方便分析研究，根据其工作面开采类型，将6个工作面划分为单一工作面(A1，A2)、邻采空区工作面(B1，B2)和多工作面(B3，C1)3种类型，其中多工作面是指2个及以上工作面规划完成后，因其地质条件和工作面开采条件类似，从而进行同步采煤作业的工作面，表1为各煤矿代表性工作面相关参数。

表1 矿区工作面采矿条件相关参数Table 1 Mining parameters and subsidence characteristics

1.4 实地监测情况

为监测各煤矿代表性工作面的地表下沉情况，采用布设地表观测线的方式，根据各工作面的实际情况，在预采工作面地表布设2～3条地表观测线，并延伸至不受开采扰动区域。各工作面地表观测线的监测点间距为20～50 m，利用Trimble-Dini03电子水准仪进行高程测量，并利用Trimble 5800 II GPS接收机进行点连式静态观测以获取观测站平面坐标。根据工作面开采进度，经过多期测量，获取地表观测数据。各工作面观测线布设情况如图1所示。

图1 各工作面观测线布设Fig.1 Different working face observation lines

1.5 研究方法

为探明各代表性工作面阶段性特征，根据观测高程数据，利用Excel2019统计各监测点的地表下沉量，从而得到工作面各监测点的下沉速率和最大下沉量，并根据拥有最大下沉量的点在观测周期内的下沉情况，在Origin pro2019中绘制该点的下沉量和下沉速率的沉陷阶段图，以分析各工作面的地表运动情况。另外，利用SPSS 22.0软件对工作面的走向长、倾向长、煤层厚度、煤层埋深、煤层倾角和工作面推进速度与各阶段下沉量、各沉陷阶段持续时间、最大下沉量和最大下沉速度进行相关性分析，得出不同采矿和地质条件对各沉陷阶段的影响程度，并对各工作面的开采充分性进行分析。

2 紻果与分析

2.1 不同开采类型工作面沉陷特征分析

在矿区沉陷过程中，根据其监测结果可获得一系列地表移动参数，为更好地反映煤矿区地表移动过程，可对煤矿区最大下沉点的沉降速率进行时序分析。根据“三下”采煤规定[11]，下沉盆地内任意一点都可以下沉速度1.67 mm/d为分界点，并将任意一点的沉陷周期划分为初始期、活跃期和衰退期。另外，对下沉速度达不到分界点的工作面，根据下沉速度的变化趋势(平缓到增加为初始期；峰值开始减小为衰退期；其余为活跃期)进行阶段性分析。

不同开采类型工作面地表下沉差异较为显著，各类型工作面沉陷参数见表2，沉陷阶段如图2所示。

表2 不同开采类型工作面沉陷参数Table 2 Subsidence parameter of working face in different mining types

图2 不同开采类型工作面沉陷阶段Fig.2 Subsidence stage diagram of working face in different mining types

由表2和图2可知，单一工作面条件下沉量和下沉速度较小，下沉速度曲线呈先增加后减少的趋势，其最大下沉速度仅1.39 mm/d和2.38 mm/d，下沉量曲线变化趋势较为平缓，最大下沉量仅235.5 mm和338.0 mm；相较于单一工作面，邻采空区工作面地表下沉运动较为活跃，该类工作面下沉速度和下沉量呈缓慢增加的趋势，而进入活跃期后两者增长更为明显，工作面最大下沉速度分别达3.33 mm/d和3.73 mm/d，其下沉量均超过了800 mm，其中初始期下沉量占比有所增加，但活跃期下沉量依然占50%以上；多工作面开采地表下沉运动最为活跃，该类工作面下沉速度和下沉量在初始期无显著增长，但由初始期进入活跃期后，下沉速度和下沉量增长迅速，其中C1工作面最大下沉量和最大下沉速度分别达1 821.0 mm和9.59 mm/d，且活跃期下沉量仍占据主导，与前两种类型工作面相比，其衰退期下沉量有所增加。综上所述，不同开采类型工作面的总下沉量均主要来源于活跃期下沉量，该阶段下沉量占总下沉量的55.63%～86.27%；初始期和衰退期下沉量对总下沉量贡献相对较少，且除邻采空区工作面外，单一工作面和多工作面衰退期下沉量要大于初始期下沉量。

地表移动持续时间是指最大下沉点从开始运动到趋于稳定的时间周期。不同开采类型工作面各阶段和最终地表移动持续时间各不相同(表3)。单一工作面地表移动持续时间最短，地表移动持续时间超过380 d，且主要来源于衰退期周期；邻采空区工作面地表移动持续时间最长，地表移动持续时间达1 000 d以上，其中初始期周期占地表移动持续时间的41.22%～58.44%；多工作面采区地表移动持续时间接近邻采空区工作面，但其主要贡献却来源于活跃期。

表3 地表运动持絒时间及各阶段占比Table 3 Duration of surface movement and proportion of each stage

2.2 地表沉陷动态参数影响程度分析

为探明不同采矿条件对各项沉陷动态参数的影响程度，对开采条件和沉陷动态参数进行相关性分析(表4)。

表4 不同开采条件与各项沉陷参数相关性Table 4 Correlation of different mining conditions and subsidence parameters

由表4可知，开采条件的差异对地表沉陷的影响不尽相同，其中煤层倾角和工作面走向长与各项沉陷动态参数的相关性较弱，可判定煤层倾角和工作面走向长不是影响地表下沉的主要因素；而工作面倾向长、煤层埋深、煤层厚度和工作面推进速度与沉陷参数却分别体现出较高的相关性。其中，工作面倾向长与活跃期下沉量、衰退期下沉量和活跃期周期呈显著正相关，与最大下沉量和最大下沉速度呈极显著正相关；工作面煤层埋深和推进速度与地表移动持续时间相关性分别达0.984和-0.932，分别呈极显著性正相关和极显著性负相关，且煤层埋深还与初始期周期成显著性正相关；煤层厚度与各项参数均呈现出一定的相关性，且与地表移动持续时间相关性达0.837，呈显著性正相关。

对相关性显著的开采条件与各项沉陷动态参数进行拟合，如图3所示。

图3 开采条件与动态沉陷参数关系Fig.3 Relationship between mining conditions and subsidence parameters

由图3可知，开采条件与各项沉陷动态参数呈较好的拟合关系，拟合精度较高，除工作面推进速度外，均呈正相关关系。其中，工作面倾向长度与各沉陷动态参数具有广泛的相关性，因此工作面倾向长度是地表沉陷过程的主要影响因素。对地表沉陷阶段影响程度：工作面倾向长＞煤层埋深＞煤层厚度＞工作面推进速度。

2.3 采动程度和地表移动剧烈程度分析

在讨论工作面倾向长、煤层深度和煤层厚度对地表下沉的影响时，开采充分性和深厚比两个概念常被提及。针对济宁矿区巨厚松散层的特点，根据采宽和基岩厚度比[12-13]分别来衡量工作面开采充分程度，表5为各工作面采动程度、下沉系数和深厚比情况。

表5 各工作面采动程度、下沉系数和深厚比Table 5 Degree of mining，coefficient of subsidence and depth to thickness ration

一般来说，当采动程度系数小于0.33时，可判定工作面为极不充分采动，A1，B1，B2和B3工作面均属于极不充分采动，而A2和C1工作面却由极不充分采动阶段过渡至非充分采动阶段。在下沉系数方面，除多工作面外，单一工作面和邻采空区工作面下沉系数随采动程度的增加而减少。另外，深厚比能够较为直观地反映地表移动剧烈程度的大小，各工作面深厚比与地表沉陷大小呈负相关，以A1和C1工作面为例，深厚比相差275%，最大下沉量和最大下沉速度分别增加约7倍和6倍，故深厚比越小，地表下沉量和下沉速度越大，地表移动程度也越剧烈。

3 讨论

3.1 不同开采类型工作面对地表沉陷的影响

地表沉陷的本质是在工作面开采过程中，上覆岩层在重力和上方岩层压力的作用下向下弯曲，当上覆岩层内拉应力超过极限时，上覆岩层依次破碎、崩落[14-15]。不同开采类型工作面沉陷示意如图4所示。

图4 不同开采类型工作面沉陷示意Fig.4 Schematic diagram of working face subsidence in different mining types

单一工作面在开采过程中，工作面和相邻采区上覆岩层较为完整，且在两侧支承压力[16-17]的作用下，应力平衡不易受到破坏，如图4(a)所示，故单一工作面地表下沉幅度较小，这与文献[18]的研究结果基本一致；另外，由于地表移动剧烈程度较小，导致其初始期和活跃期持续时间较短，衰退期成为地表移动持续时间的主要来源。相对于单一工作面开采，邻采空区工作面开采条件下，上覆岩层结构并不完整，新老采空区上覆岩层应力应变经历了多次平衡和扰动[19]，本应对称的支承压力区失去了平衡[20]，如图4(b)所示，造成一侧支承压力加大，超过了最大承载负荷，因此造成了较大程度的沉降[21-22]，通常该类工作面初始期持续时间应较短，与本文结果出现截然不同的趋势，笔者认为是因为该类工作面开采深度较大，且开采宽度没有超过关键层的极限跨距，关键层对采空区上覆岩层的支承作用使得工作面开采初期的地表下沉幅度较小且持续时间较长。多工作面开采前提下，采空区面积增加迅速，随着采空区面积的增大，支承压力区对上覆岩层的载荷能力不断减小，如图4(c)所示，且在岩层重力作用和多重开采扰动的影响下，上覆岩层破断程度加剧[23]，从而导致地表沉陷幅度更为剧烈，活跃期持续时间也相应增加，甚至超过了初始期和衰退期。

3.2 不同采矿地质条件对地表沉陷的影响

工作面倾向长对地表沉陷过程影响程度最为显著，研究发现随着工作面倾向长度的增加，其活跃期下沉量、周期和下沉速度也会增加，如图3(a)，3(c)～3(e)所示，其原因主要是采空区面积不断扩大的同时[24]，采动程度也在不断增加，在由极不充分开采过渡到非充分开采的过程中，地表下沉运动较为活跃[25]，从而导致了较大幅度的地表沉陷。文献[26]指出，下沉系数会随着采动程度和最大下沉量的增加而增加，但通过分析发现该结论只适用于多工作面采区，单一工作面和邻采空区工作面下沉系数却随采动程度和最大下沉量的增加而减少，其主要原因是工作面实际下沉量与煤层厚度差异过大。另外，相较于其他开采类型工作面，邻采空区工作面更难达到充分采动。

工作面推进速度也是影响地表下沉幅度的因素之一。文献[27]指出，工作面推进速度越快，下沉量和下沉速度越小，这是因为工作面推进速度加快的同时，应力和煤体破坏范围会相应减小，从而有利于维持上覆岩层的稳定，地表下沉幅度随之减小。但笔者研究发现(图5)，单一工作面基本符合这一规律，在邻采空区工作面和多工作面开采前期和后期，相较于慢速推进，快速推进产生的地表下沉量更大。

图5 工作面各时段下沉量Fig.5 Periodic subsidence of various working face

煤层埋深和煤层厚度对地表沉陷影响较为显著，主要表现在对地表移动持续时间的影响，笔者选取的工作面地表沉陷特征具有显著的时间依赖性，从地面运动到结束，能持续数月甚至数年[28]。不少学者[29-30]证明了开采深度是影响地表移动持续时间的主要因素，随着开采深度的增加，下沉反映到地表的时间也会变长，故其工作面到达最终沉陷的时间也越长。同时，笔者发现煤层厚度也会影响地表移动持续时间。此外，地表沉陷一般呈现活跃期周期短、初始期和衰退期周期长的规律[31]，但在多工作面采区，地表移动持续时间体现出活跃期周期长、初始期和衰退期短的特征。