多煤层重复开采地表下沉系数演变研究

张明媚，薛永安

(1.山西能源学院 地质与测绘工程系，山西 晋中 030060；2.太原理工大学 矿业工程学院，山西 太原 030024)

重复开采是目前煤矿中普遍存在的采煤方式，包括多煤层重复开采和厚煤层分层开采。针对多煤层开采沉陷预计，分别有倾斜多煤层开采沉陷预计[1]、大倾角多煤层开采沉陷预计[2]、急倾斜多煤层开采沉陷预计[3]、多煤层开采动态沉陷预计[4]等工作展开，但多煤层开采沉陷预计相比较单煤层开采沉陷预计要复杂的多，属于重复采动影响，在上述工作中大多采用了数值模拟的方法进行，取得了一定的成果[5-8]，而综合考虑多煤层开采及其中的厚煤层分层开采情况的沉陷预计及其规律研究相对较少。同时，文献[9]针对同煤层老采空区影响下的相邻工作面开采地表移动变形规律进行了研究，数值模拟结果表明，相邻工作面开采条件下地表下沉系数增大了5%，为开展重复采动地表沉陷预计研究提供了有益的参考。永久散射体雷达干涉测量技术(PS-InSAR)是在D-InSAR之后提出的一项新技术，该技术通过对研究区域内的多幅影像综合分析，并进行布网，建立相邻两点间的相位差与形变速率和高程改正的函数关系模型，分离出各相位分量，最终提取出形变分量。随着InSAR技术在矿区开采沉陷监测中的广泛应用[10-12]，为追溯矿区开采后地表沉降长时序数据提供了经济便宜的技术手段。太原市西山矿区杜儿坪煤矿南三盘区主采2#、3#煤层，生产中既有2#煤层一次采全高，也有2#煤层分层开采，还有2#煤层分层开采后再开采下部3#煤层的重复开采，而在以往工作中[13]对该区开展的沉陷预计中并未分情况考虑重复采动对下沉系数等沉陷参数及沉陷结果的影响。本文选用FLAC3D软件建立数值计算模型，对该区的三种开采情况分别进行沉陷数值模拟，与原有沉陷预计成果进行对比，并采用2019—2020年间PS-InSAR监测得到的残余变形结果进行验证，得到了研究区精细、可靠的沉陷预计结果及下沉系数演变规律，为采煤沉陷区重复采动沉陷预计与规律研究提供了有益参考。

1 研究区概况

1.1 矿区概况

杜儿坪煤矿于1954年恢复生产并正式建矿，采煤方法为走向、倾斜长壁式顶板全部垮落法开采各煤层。主要可采煤层为2#、3#、6#、7#、8#、9#煤层及局部可采煤层二层(2#、1#煤)，主采煤层为2#煤[14]。南三盘区自1981年开始开采2#煤层，同时开采3#煤层，于1994年结束2#煤层开采，1997年结束3#煤层开采。2#煤位于山西组中部，上距骆驼脖砂岩(K6)30 m左右，下距3#煤层约9 m，煤厚1.02～4.67 m，平均2.86 m，采深约150～200 m。顶板多为砂质泥岩、泥岩，局部为中细粒砂岩、粉砂岩，底板为中细粒砂岩、砂质泥岩，局部为泥岩、粉砂岩和炭质泥岩。3#煤位于山西组下部，北岔沟砂岩之上，马家滩砂岩之下，顶板为砂质泥岩、泥岩、砂岩或粉砂岩，有时具炭质泥岩伪顶，底板多数为砂质泥岩或泥岩，局部为砂岩、粉砂岩或炭质泥岩。将收集到的2#煤层采掘工程平面图与遥感影像配准并叠加后生成井上下对照如图1所示。

图1 研究区2#煤层井上下对照Fig.1 Comparison of surface and underground conditions of the 2# seam in the study area

1.2 开采沉陷概况

2003年，太原市西山采煤沉陷治理工程根据西山矿区的实际情况，采用原山西矿业学院自编的任意形状、多工作面地表沉陷预计程序进行采煤沉陷预计，确定了四大矿区的采煤沉陷范围和最大沉陷值，其中，杜儿坪矿沉陷区面积19.70 km2，研究区处于沉陷范围内，最大沉陷值1810 mm，地表已趋于稳定[13]。

1.3 时序InSAR监测

选取覆盖研究区的29期Sentinel-1A条带模式影像数据为数据源，利用PS-InSAR技术[11，12]进行研究区地表沉降形变监测，数据时相为2019年9月5日至2020年10月5日，采用干涉宽幅数据成像模式，极化方式为VV+VH极化，所处波段为C波段，空间分辨率为5 m×20 m(方位向×距离向)，数据类型为单视复数图像，回访周期为12 d，参考DEM数据采用覆盖影像范围的SRTM 30 m数据。同时，从国家地震科学数据中心(https：//www.eqdsc.com/)下载陆态网络GNSS精密时间序列产品中的SXTY站点的GNSS连续观测数据对PS-InSAR结果进行了精度验证。二者差值为0.15 mm/y，InSAR监测结果可靠，裁剪后的研究区PS点分布如图2所示。

图2 研究区PS-InSAR结果Fig.2 PS-InSAR results for the study area

从图2可以看出，2019年9月5日至2020年10月5日之间研究区的累积形变量为-5.97～3.35 mm，远小于30 mm，地表稳定，形变量属于残余变形引起的地表缓慢下沉及人类活动引起的局部抬升。

2 2#、3#煤层重复开采数值模拟

2.1 数值模拟分区

研究区先后开采了2#、3#煤层，据2#、3#煤层采掘工程平面图叠加后显示，研究区沿上三尺通风上山、九尺轨道上山分成了东西两部分，2#煤层厚度分布不均，使得西部工作面又分成三种开采情况，分别是2#煤层一次全采区(采厚2 m)、2#煤层分层开采区(采厚2 m+1.5 m)和2#煤层分层开采后开采3#煤层(采厚3.5 m+1.5 m)，东部工作面则均为2#煤层分层开采和2#煤层分层开采后开采3#煤层这一种情况，采煤方法均为普采，煤层倾角最小2°，最大7°。

本文对上述三种情况分别进行沉陷预计数值模拟，分别定为一分区(2#煤层一次全采区)、二分区(2#煤层分层开采区)和三分区(2#煤层分层开采后开采3#煤层)，叠加2003年沉陷预计成果进行验证，并对比2019—2020年间的PS-InSAR解算结果。研究区数值模拟分区情况如图3所示。

图3 研究区数值模拟分区Fig.3 Zoning map for numerical simulation of the study area

2.2 数值模型建立

为了模拟三个分区不同情况的采动沉陷，通过FLAC3D数值模拟平台分别建立了研究区三种不同的分析计算模型。为了简化计算过程，将煤层厚度取整，并将模型放置在一个整体大模型之上以便于三个分区模型的连接，具体参数见表1，模拟过程采用分层开采。

表1 研究区开采沉陷数值模拟模型参数Table 1 Numerical simulation model for mining subsidence in the study area

计算模型的网格剖分依据岩层层位及其性质划分，本文采用工作面上覆岩层岩性及其物理力学参数，见表2。

表2 模型煤岩层及其物理力学参数Table 2 Table of modelled coal seams and their physico-mechanical parameters

3 重复开采模拟结果与讨论

3.1 重复开采模拟结果

对一分区、二分区和三分区模型分别进行模拟计算，将计算模型所获取到的地表沉降数据导入Arc GIS平台，经反距离权重法生成沉降趋势面，再提取沉降等值线并赋值，最后将沉陷等值线与沉降趋势面叠加显示。数值模拟结果如图4所示。

图4 数值模拟计算结果Fig.4 Results of the numerical simulation

由图4可以看出，三个分区的预计结果均会向外推测，在其邻接区域会出现同一个点两个沉陷值、三个沉陷值的情况，而前述可知这两个或三个沉陷值是不相等的，把这种情况称之为同点异值。重合区内的沉陷值来自两种或三种情况的沉陷预计结果，因此可以看作是对一个空间点的重复预计，即该点同时会受到两种或三种影响而发生沉陷的叠加。本文对此情况采取叠加处理，即重叠区域的点按点号进行沉陷预计值的加和，求得其和值后作为这些点位的最终沉陷预计结果，如图4(d)所示。

以研究区边界对数值模拟计算结果进行裁剪，并与高分辨率遥感影像叠加后的结果如图5所示。

图5 研究区沉陷预计数值模拟计算结果Fig.5 Numerical simulation results of subsidence prediction in the study area

通过FLAC3D中的fish语言提取模型地表结点的移动数据，经统计，三个分区和其连接后整体的水平移动极值、下沉极值和对应的下沉系数见表3。

表3 研究区分区沉陷预计数值模拟结果Table 3 Numerical simulation results of subsidence prediction in the study area

3.2 分析与讨论

1)由表3可以看出，三个分区的最大下沉值分别为566、1091和1982 mm，可以看出，三分区最大下沉预计值与2003年研究区所进行的沉陷区治理工程沉陷预计成果值1810 mm基本吻合，而一分区和二分区则差异较大，这与本次数值模型建立采取分区精细建立有关。另外，更细化地给出了研究区的沉陷量，区分了单煤层开采、单煤层分层开采和上煤层分层开采耦合下煤层重复开采的沉陷情况，对精确掌握西山采煤沉陷区沉陷状况，研究重复采动沉陷规律具有现实意义。

2)按照重复采动的定义，二分区可以看作是在一分区开采基础上的一次重复采动，三分区可以看作是二分区开采基础上的再次重复采动。由表3可以看出，三个分区的下沉系数分别为0.283、0.312和0.396，第一次重复采动引起下沉系数增大10.25%，第二次重复采动引起下沉系数较第一次重复采动增大26.92%，下沉系数随重复采动次数增加而呈现出增大的趋势。由PS-InSAR监测结果(见图2)可以看出，研究区西部林地茂密，西北部下沉量较小，西南部相对较大，东部区域人类活动频繁，有沉降也有抬升，形变有从西北向西南再到东部逐渐变大且变复杂的渐变趋势。对比图5可知，这一趋势与分区数值模拟结果基本吻合，是重复采动系数随重复开采次数增加而增大在地表残余变形上的表现。

3)多煤层重复开采后所引起的地表沉陷是一个极其复杂的问题，涉及采煤方法、地质构造、煤层埋深、工作面尺寸等多方面因素[15，16]，研究区地处中起伏砂页岩陡中山区，地质构造以小型北东、北北东断层为主，同时区内发育大量的陷落柱。陷落柱和断层在该区的分布使得连续的岩层被打断，形成岩体裂隙、空隙，甚至出现大的断裂或台阶，成为岩体内部的“潜在下沉”。当地下煤层初采时，这些裂隙与空隙便会“活化”而转化为实际的岩层下沉，加剧岩层的移动与变形。之后，上覆岩层经历了重复采动，岩层进一步破碎，从而加剧破坏程度，增大破坏范围，但数值模拟中并未考虑这种因素，导致模拟下沉结果与实际下沉相比会减小，但不影响重复采动后的下沉系数演变趋势。另外，煤层厚度的取整计算，对最大下沉值的预计也有一定的影响。

4 结 语

本文采用数值模拟的方法开展了西山矿区杜儿坪煤矿南三盘区2#、3#煤层重复开采的地表下沉系数演变研究，掌握了研究区在重复开采情况下的下沉系数演变趋势，为进一步研究该类重复采动情况的地表沉陷规律提供了实践参考。三个实验分区(一次采全高+分层开采+重复开采)的下沉系数分别为0.283、0.312和0.396，呈现出下沉系数随重复采动次数增加而增大的趋势，表现为2#煤层分层开采下沉系数是2#煤层一次采全高时的1.1倍，继续开采下部3#煤层时下沉系数是2#煤层分层开采下沉系数的1.27倍，PS-InSAR监测的地表残余变形结果证实了这一演变规律，扩展了重复采动沉陷规律的认识，为同类研究提供了实践参考，也为西山矿区多煤层重复开采条件下的地表治理工程提供了更精细的沉陷预计参考。