張明媚，薛永安

(1.山西能源學(xué)院 地質(zhì)與測(cè)繪工程系，山西 晉中 030060；2.太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 030024)

重復(fù)開(kāi)采是目前煤礦中普遍存在的采煤方式，包括多煤層重復(fù)開(kāi)采和厚煤層分層開(kāi)采。針對(duì)多煤層開(kāi)采沉陷預(yù)計(jì)，分別有傾斜多煤層開(kāi)采沉陷預(yù)計(jì)[1]、大傾角多煤層開(kāi)采沉陷預(yù)計(jì)[2]、急傾斜多煤層開(kāi)采沉陷預(yù)計(jì)[3]、多煤層開(kāi)采動(dòng)態(tài)沉陷預(yù)計(jì)[4]等工作展開(kāi)，但多煤層開(kāi)采沉陷預(yù)計(jì)相比較單煤層開(kāi)采沉陷預(yù)計(jì)要復(fù)雜的多，屬于重復(fù)采動(dòng)影響，在上述工作中大多采用了數(shù)值模擬的方法進(jìn)行，取得了一定的成果[5-8]，而綜合考慮多煤層開(kāi)采及其中的厚煤層分層開(kāi)采情況的沉陷預(yù)計(jì)及其規(guī)律研究相對(duì)較少。同時(shí)，文獻(xiàn)[9]針對(duì)同煤層老采空區(qū)影響下的相鄰工作面開(kāi)采地表移動(dòng)變形規(guī)律進(jìn)行了研究，數(shù)值模擬結(jié)果表明，相鄰工作面開(kāi)采條件下地表下沉系數(shù)增大了5%，為開(kāi)展重復(fù)采動(dòng)地表沉陷預(yù)計(jì)研究提供了有益的參考。永久散射體雷達(dá)干涉測(cè)量技術(shù)(PS-InSAR)是在D-InSAR之后提出的一項(xiàng)新技術(shù)，該技術(shù)通過(guò)對(duì)研究區(qū)域內(nèi)的多幅影像綜合分析，并進(jìn)行布網(wǎng)，建立相鄰兩點(diǎn)間的相位差與形變速率和高程改正的函數(shù)關(guān)系模型，分離出各相位分量，最終提取出形變分量。隨著InSAR技術(shù)在礦區(qū)開(kāi)采沉陷監(jiān)測(cè)中的廣泛應(yīng)用[10-12]，為追溯礦區(qū)開(kāi)采后地表沉降長(zhǎng)時(shí)序數(shù)據(jù)提供了經(jīng)濟(jì)便宜的技術(shù)手段。太原市西山礦區(qū)杜兒坪煤礦南三盤(pán)區(qū)主采2#、3#煤層，生產(chǎn)中既有2#煤層一次采全高，也有2#煤層分層開(kāi)采，還有2#煤層分層開(kāi)采后再開(kāi)采下部3#煤層的重復(fù)開(kāi)采，而在以往工作中[13]對(duì)該區(qū)開(kāi)展的沉陷預(yù)計(jì)中并未分情況考慮重復(fù)采動(dòng)對(duì)下沉系數(shù)等沉陷參數(shù)及沉陷結(jié)果的影響。本文選用FLAC3D軟件建立數(shù)值計(jì)算模型，對(duì)該區(qū)的三種開(kāi)采情況分別進(jìn)行沉陷數(shù)值模擬，與原有沉陷預(yù)計(jì)成果進(jìn)行對(duì)比，并采用2019—2020年間PS-InSAR監(jiān)測(cè)得到的殘余變形結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，得到了研究區(qū)精細(xì)、可靠的沉陷預(yù)計(jì)結(jié)果及下沉系數(shù)演變規(guī)律，為采煤沉陷區(qū)重復(fù)采動(dòng)沉陷預(yù)計(jì)與規(guī)律研究提供了有益參考。

1 研究區(qū)概況

1.1 礦區(qū)概況

杜兒坪煤礦于1954年恢復(fù)生產(chǎn)并正式建礦，采煤方法為走向、傾斜長(zhǎng)壁式頂板全部垮落法開(kāi)采各煤層。主要可采煤層為2#、3#、6#、7#、8#、9#煤層及局部可采煤層二層(2#、1#煤)，主采煤層為2#煤[14]。南三盤(pán)區(qū)自1981年開(kāi)始開(kāi)采2#煤層，同時(shí)開(kāi)采3#煤層，于1994年結(jié)束2#煤層開(kāi)采，1997年結(jié)束3#煤層開(kāi)采。2#煤位于山西組中部，上距駱駝脖砂巖(K6)30 m左右，下距3#煤層約9 m，煤厚1.02～4.67 m，平均2.86 m，采深約150～200 m。頂板多為砂質(zhì)泥巖、泥巖，局部為中細(xì)粒砂巖、粉砂巖，底板為中細(xì)粒砂巖、砂質(zhì)泥巖，局部為泥巖、粉砂巖和炭質(zhì)泥巖。3#煤位于山西組下部，北岔溝砂巖之上，馬家灘砂巖之下，頂板為砂質(zhì)泥巖、泥巖、砂巖或粉砂巖，有時(shí)具炭質(zhì)泥巖偽頂，底板多數(shù)為砂質(zhì)泥巖或泥巖，局部為砂巖、粉砂巖或炭質(zhì)泥巖。將收集到的2#煤層采掘工程平面圖與遙感影像配準(zhǔn)并疊加后生成井上下對(duì)照如圖1所示。

圖1 研究區(qū)2#煤層井上下對(duì)照Fig.1 Comparison of surface and underground conditions of the 2# seam in the study area

1.2 開(kāi)采沉陷概況

2003年，太原市西山采煤沉陷治理工程根據(jù)西山礦區(qū)的實(shí)際情況，采用原山西礦業(yè)學(xué)院自編的任意形狀、多工作面地表沉陷預(yù)計(jì)程序進(jìn)行采煤沉陷預(yù)計(jì)，確定了四大礦區(qū)的采煤沉陷范圍和最大沉陷值，其中，杜兒坪礦沉陷區(qū)面積19.70 km2，研究區(qū)處于沉陷范圍內(nèi)，最大沉陷值1810 mm，地表已趨于穩(wěn)定[13]。

1.3 時(shí)序InSAR監(jiān)測(cè)

選取覆蓋研究區(qū)的29期Sentinel-1A條帶模式影像數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，利用PS-InSAR技術(shù)[11，12]進(jìn)行研究區(qū)地表沉降形變監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)時(shí)相為2019年9月5日至2020年10月5日，采用干涉寬幅數(shù)據(jù)成像模式，極化方式為VV+VH極化，所處波段為C波段，空間分辨率為5 m×20 m(方位向×距離向)，數(shù)據(jù)類(lèi)型為單視復(fù)數(shù)圖像，回訪周期為12 d，參考DEM數(shù)據(jù)采用覆蓋影像范圍的SRTM 30 m數(shù)據(jù)。同時(shí)，從國(guó)家地震科學(xué)數(shù)據(jù)中心(https：//www.eqdsc.com/)下載陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)GNSS精密時(shí)間序列產(chǎn)品中的SXTY站點(diǎn)的GNSS連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)PS-InSAR結(jié)果進(jìn)行了精度驗(yàn)證。二者差值為0.15 mm/y，InSAR監(jiān)測(cè)結(jié)果可靠，裁剪后的研究區(qū)PS點(diǎn)分布如圖2所示。

圖2 研究區(qū)PS-InSAR結(jié)果Fig.2 PS-InSAR results for the study area

從圖2可以看出，2019年9月5日至2020年10月5日之間研究區(qū)的累積形變量為-5.97～3.35 mm，遠(yuǎn)小于30 mm，地表穩(wěn)定，形變量屬于殘余變形引起的地表緩慢下沉及人類(lèi)活動(dòng)引起的局部抬升。

2 2#、3#煤層重復(fù)開(kāi)采數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值模擬分區(qū)

研究區(qū)先后開(kāi)采了2#、3#煤層，據(jù)2#、3#煤層采掘工程平面圖疊加后顯示，研究區(qū)沿上三尺通風(fēng)上山、九尺軌道上山分成了東西兩部分，2#煤層厚度分布不均，使得西部工作面又分成三種開(kāi)采情況，分別是2#煤層一次全采區(qū)(采厚2 m)、2#煤層分層開(kāi)采區(qū)(采厚2 m+1.5 m)和2#煤層分層開(kāi)采后開(kāi)采3#煤層(采厚3.5 m+1.5 m)，東部工作面則均為2#煤層分層開(kāi)采和2#煤層分層開(kāi)采后開(kāi)采3#煤層這一種情況，采煤方法均為普采，煤層傾角最小2°，最大7°。

本文對(duì)上述三種情況分別進(jìn)行沉陷預(yù)計(jì)數(shù)值模擬，分別定為一分區(qū)(2#煤層一次全采區(qū))、二分區(qū)(2#煤層分層開(kāi)采區(qū))和三分區(qū)(2#煤層分層開(kāi)采后開(kāi)采3#煤層)，疊加2003年沉陷預(yù)計(jì)成果進(jìn)行驗(yàn)證，并對(duì)比2019—2020年間的PS-InSAR解算結(jié)果。研究區(qū)數(shù)值模擬分區(qū)情況如圖3所示。

圖3 研究區(qū)數(shù)值模擬分區(qū)Fig.3 Zoning map for numerical simulation of the study area

2.2 數(shù)值模型建立

為了模擬三個(gè)分區(qū)不同情況的采動(dòng)沉陷，通過(guò)FLAC3D數(shù)值模擬平臺(tái)分別建立了研究區(qū)三種不同的分析計(jì)算模型。為了簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程，將煤層厚度取整，并將模型放置在一個(gè)整體大模型之上以便于三個(gè)分區(qū)模型的連接，具體參數(shù)見(jiàn)表1，模擬過(guò)程采用分層開(kāi)采。

表1 研究區(qū)開(kāi)采沉陷數(shù)值模擬模型參數(shù)Table 1 Numerical simulation model for mining subsidence in the study area

計(jì)算模型的網(wǎng)格剖分依據(jù)巖層層位及其性質(zhì)劃分，本文采用工作面上覆巖層巖性及其物理力學(xué)參數(shù)，見(jiàn)表2。

表2 模型煤巖層及其物理力學(xué)參數(shù)Table 2 Table of modelled coal seams and their physico-mechanical parameters

3 重復(fù)開(kāi)采模擬結(jié)果與討論

3.1 重復(fù)開(kāi)采模擬結(jié)果

對(duì)一分區(qū)、二分區(qū)和三分區(qū)模型分別進(jìn)行模擬計(jì)算，將計(jì)算模型所獲取到的地表沉降數(shù)據(jù)導(dǎo)入Arc GIS平臺(tái)，經(jīng)反距離權(quán)重法生成沉降趨勢(shì)面，再提取沉降等值線并賦值，最后將沉陷等值線與沉降趨勢(shì)面疊加顯示。數(shù)值模擬結(jié)果如圖4所示。

圖4 數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果Fig.4 Results of the numerical simulation

由圖4可以看出，三個(gè)分區(qū)的預(yù)計(jì)結(jié)果均會(huì)向外推測(cè)，在其鄰接區(qū)域會(huì)出現(xiàn)同一個(gè)點(diǎn)兩個(gè)沉陷值、三個(gè)沉陷值的情況，而前述可知這兩個(gè)或三個(gè)沉陷值是不相等的，把這種情況稱(chēng)之為同點(diǎn)異值。重合區(qū)內(nèi)的沉陷值來(lái)自兩種或三種情況的沉陷預(yù)計(jì)結(jié)果，因此可以看作是對(duì)一個(gè)空間點(diǎn)的重復(fù)預(yù)計(jì)，即該點(diǎn)同時(shí)會(huì)受到兩種或三種影響而發(fā)生沉陷的疊加。本文對(duì)此情況采取疊加處理，即重疊區(qū)域的點(diǎn)按點(diǎn)號(hào)進(jìn)行沉陷預(yù)計(jì)值的加和，求得其和值后作為這些點(diǎn)位的最終沉陷預(yù)計(jì)結(jié)果，如圖4(d)所示。

以研究區(qū)邊界對(duì)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果進(jìn)行裁剪，并與高分辨率遙感影像疊加后的結(jié)果如圖5所示。

圖5 研究區(qū)沉陷預(yù)計(jì)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果Fig.5 Numerical simulation results of subsidence prediction in the study area

通過(guò)FLAC3D中的fish語(yǔ)言提取模型地表結(jié)點(diǎn)的移動(dòng)數(shù)據(jù)，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，三個(gè)分區(qū)和其連接后整體的水平移動(dòng)極值、下沉極值和對(duì)應(yīng)的下沉系數(shù)見(jiàn)表3。

表3 研究區(qū)分區(qū)沉陷預(yù)計(jì)數(shù)值模擬結(jié)果Table 3 Numerical simulation results of subsidence prediction in the study area

3.2 分析與討論

1)由表3可以看出，三個(gè)分區(qū)的最大下沉值分別為566、1091和1982 mm，可以看出，三分區(qū)最大下沉預(yù)計(jì)值與2003年研究區(qū)所進(jìn)行的沉陷區(qū)治理工程沉陷預(yù)計(jì)成果值1810 mm基本吻合，而一分區(qū)和二分區(qū)則差異較大，這與本次數(shù)值模型建立采取分區(qū)精細(xì)建立有關(guān)。另外，更細(xì)化地給出了研究區(qū)的沉陷量，區(qū)分了單煤層開(kāi)采、單煤層分層開(kāi)采和上煤層分層開(kāi)采耦合下煤層重復(fù)開(kāi)采的沉陷情況，對(duì)精確掌握西山采煤沉陷區(qū)沉陷狀況，研究重復(fù)采動(dòng)沉陷規(guī)律具有現(xiàn)實(shí)意義。

2)按照重復(fù)采動(dòng)的定義，二分區(qū)可以看作是在一分區(qū)開(kāi)采基礎(chǔ)上的一次重復(fù)采動(dòng)，三分區(qū)可以看作是二分區(qū)開(kāi)采基礎(chǔ)上的再次重復(fù)采動(dòng)。由表3可以看出，三個(gè)分區(qū)的下沉系數(shù)分別為0.283、0.312和0.396，第一次重復(fù)采動(dòng)引起下沉系數(shù)增大10.25%，第二次重復(fù)采動(dòng)引起下沉系數(shù)較第一次重復(fù)采動(dòng)增大26.92%，下沉系數(shù)隨重復(fù)采動(dòng)次數(shù)增加而呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)。由PS-InSAR監(jiān)測(cè)結(jié)果(見(jiàn)圖2)可以看出，研究區(qū)西部林地茂密，西北部下沉量較小，西南部相對(duì)較大，東部區(qū)域人類(lèi)活動(dòng)頻繁，有沉降也有抬升，形變有從西北向西南再到東部逐漸變大且變復(fù)雜的漸變趨勢(shì)。對(duì)比圖5可知，這一趨勢(shì)與分區(qū)數(shù)值模擬結(jié)果基本吻合，是重復(fù)采動(dòng)系數(shù)隨重復(fù)開(kāi)采次數(shù)增加而增大在地表殘余變形上的表現(xiàn)。

3)多煤層重復(fù)開(kāi)采后所引起的地表沉陷是一個(gè)極其復(fù)雜的問(wèn)題，涉及采煤方法、地質(zhì)構(gòu)造、煤層埋深、工作面尺寸等多方面因素[15，16]，研究區(qū)地處中起伏砂頁(yè)巖陡中山區(qū)，地質(zhì)構(gòu)造以小型北東、北北東斷層為主，同時(shí)區(qū)內(nèi)發(fā)育大量的陷落柱。陷落柱和斷層在該區(qū)的分布使得連續(xù)的巖層被打斷，形成巖體裂隙、空隙，甚至出現(xiàn)大的斷裂或臺(tái)階，成為巖體內(nèi)部的“潛在下沉”。當(dāng)?shù)叵旅簩映醪蓵r(shí)，這些裂隙與空隙便會(huì)“活化”而轉(zhuǎn)化為實(shí)際的巖層下沉，加劇巖層的移動(dòng)與變形。之后，上覆巖層經(jīng)歷了重復(fù)采動(dòng)，巖層進(jìn)一步破碎，從而加劇破壞程度，增大破壞范圍，但數(shù)值模擬中并未考慮這種因素，導(dǎo)致模擬下沉結(jié)果與實(shí)際下沉相比會(huì)減小，但不影響重復(fù)采動(dòng)后的下沉系數(shù)演變趨勢(shì)。另外，煤層厚度的取整計(jì)算，對(duì)最大下沉值的預(yù)計(jì)也有一定的影響。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文采用數(shù)值模擬的方法開(kāi)展了西山礦區(qū)杜兒坪煤礦南三盤(pán)區(qū)2#、3#煤層重復(fù)開(kāi)采的地表下沉系數(shù)演變研究，掌握了研究區(qū)在重復(fù)開(kāi)采情況下的下沉系數(shù)演變趨勢(shì)，為進(jìn)一步研究該類(lèi)重復(fù)采動(dòng)情況的地表沉陷規(guī)律提供了實(shí)踐參考。三個(gè)實(shí)驗(yàn)分區(qū)(一次采全高+分層開(kāi)采+重復(fù)開(kāi)采)的下沉系數(shù)分別為0.283、0.312和0.396，呈現(xiàn)出下沉系數(shù)隨重復(fù)采動(dòng)次數(shù)增加而增大的趨勢(shì)，表現(xiàn)為2#煤層分層開(kāi)采下沉系數(shù)是2#煤層一次采全高時(shí)的1.1倍，繼續(xù)開(kāi)采下部3#煤層時(shí)下沉系數(shù)是2#煤層分層開(kāi)采下沉系數(shù)的1.27倍，PS-InSAR監(jiān)測(cè)的地表殘余變形結(jié)果證實(shí)了這一演變規(guī)律，擴(kuò)展了重復(fù)采動(dòng)沉陷規(guī)律的認(rèn)識(shí)，為同類(lèi)研究提供了實(shí)踐參考，也為西山礦區(qū)多煤層重復(fù)開(kāi)采條件下的地表治理工程提供了更精細(xì)的沉陷預(yù)計(jì)參考。