鄧喀中，鄭美楠,2，張宏貞，范洪冬，譚志祥

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 環(huán)境與測繪學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.安徽理工大學(xué) 空間信息與測繪工程學(xué)院，安徽 淮南 232001)

0 引 言

煤炭是我國的主要能源，占一次能源消耗的60%以上，煤炭開采為國民經(jīng)濟建設(shè)提供能源的同時，也導(dǎo)致覆巖及地表沉陷，從而誘發(fā)一系列的生態(tài)環(huán)境與地質(zhì)災(zāi)害問題：使地面標(biāo)高降低、耕地積水、沙漠化、鹽漬化、山體滑移滑坡；使位于沉陷區(qū)的建構(gòu)筑物及鐵路、公路、電力交通等基礎(chǔ)設(shè)施受損；疏干含水層等。20世紀(jì)80年代，受“有水快流”思想的影響，小煤礦像雨后春筍遍地開花，煤炭生產(chǎn)出現(xiàn)“多、小、散、亂”的格局，我國煤礦達(dá)到幾萬個。小煤礦開采工藝落后，生產(chǎn)管理差，亂采亂掘，煤炭資源浪費嚴(yán)重，安全事故頻發(fā)。隨著國家政策調(diào)整，大量煤礦關(guān)閉，僅2006—2008年全國公告關(guān)閉小煤礦11 618處。為優(yōu)化煤炭產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，在“十二五”期間共淘汰落后煤礦7 100處、產(chǎn)能5.5億t/a[1]。2016年2月國務(wù)院印發(fā)了《關(guān)于煤炭行業(yè)化解過剩產(chǎn)能實現(xiàn)脫困發(fā)展的意見》，加快了全國關(guān)閉煤礦的步伐，我國煤礦從2000年的37 000多處減少到2019年的5 268處，關(guān)閉煤礦超過3萬處。

礦井關(guān)閉后，隨著排水設(shè)備停運，地下水位上升，將引起嚴(yán)重的環(huán)境與地質(zhì)災(zāi)害[2-6]：①改變采動破裂巖體的應(yīng)力和承載能力，導(dǎo)致覆巖與地表次生移動變形。如荷蘭煤礦關(guān)閉20 a后，地面上升量達(dá)125 mm[7]；法國北部礦區(qū)在停采20余年后，采空區(qū)地表仍有沉降發(fā)生[8]。②軟化和破壞煤(巖)柱，使其坍塌，引起礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害。如日本宮城縣和巖手縣褐煤礦關(guān)閉后在地震和地下水的影響下造成圍巖和煤柱坍塌導(dǎo)致地面塌陷[9-10]。峰峰一礦、二礦工廠下條帶開采區(qū)，在礦井關(guān)閉2 a后，煤柱失穩(wěn)塌陷，地面建構(gòu)筑物嚴(yán)重?fù)p害。③造成礦井地下水污染。④礦井瓦斯聚集或溢出導(dǎo)致人員傷亡。如北票礦區(qū)地表裂縫與井下老采空區(qū)相通后，廢氣溢出地面，熏死10余人[6]。關(guān)閉礦井環(huán)境與地質(zhì)災(zāi)害已成為制約我國礦業(yè)城市社會經(jīng)濟發(fā)展的主要問題之一。

地下開采導(dǎo)致覆巖及地表移動變形，在礦井關(guān)閉后將遺留大面積的采空沉陷區(qū)，據(jù)不完全統(tǒng)計，僅我國煤礦開采沉陷區(qū)面積達(dá)200多萬hm2，且每年以6萬～7萬hm2的速度增加。隨著我國社會經(jīng)濟和礦業(yè)城市的發(fā)展，各種交通通訊基礎(chǔ)設(shè)施和工民用建筑物不可避免地建在采煤沉陷區(qū)上方，如唐山、淮北、徐州、濟寧等礦業(yè)城市的商業(yè)區(qū)、居住小區(qū)和工業(yè)園區(qū)等均建在采煤沉陷區(qū)上方，山西長治至湖北荊門1 000 kV特高壓輸電線路、山西至江蘇800 kV特高壓直流輸電線路、京福、石太等高速公路穿越采空區(qū)，京滬、京臺、滬昆等高鐵、南水北調(diào)工程等位于開采沉陷區(qū)上方或邊緣。礦井關(guān)閉后，覆巖和地表次生移動變形將對沉陷區(qū)上方及周邊的交通、電力、通訊等基礎(chǔ)設(shè)施和工民用建構(gòu)筑物的安全構(gòu)成威脅，其移動變形大小成為對這些建(構(gòu))筑物安全影響評價和采取合理技術(shù)措施的關(guān)鍵。因此，研究關(guān)閉礦井地表沉陷機理、規(guī)律及預(yù)測方法具有重要的理論和實際意義。

有別于開采引起的覆巖與地表沉陷，關(guān)閉礦井覆巖與地表沉陷是由于礦井關(guān)閉，停止排水，地下水位上升引起采動破裂巖體、覆巖結(jié)構(gòu)及煤柱失穩(wěn)或再次移動變形，由此定義：礦井關(guān)閉后，地下水位上升，受地下水影響，使已處于相對穩(wěn)定的采動破裂巖體、覆巖結(jié)構(gòu)、煤(巖)柱等再次沉陷，這種非直接采動引起的覆巖及地表沉陷，稱為次生沉陷(Secondary Subsidence)，包括覆巖與地表沉降和上升。

對于關(guān)閉礦井次生沉陷國外進(jìn)行了一些監(jiān)測與分析研究，但國內(nèi)研究較少，為推動我國關(guān)閉礦井次生沉陷的研究，下面結(jié)合國內(nèi)外資料及徐州礦區(qū)實測研究情況，從關(guān)閉礦井次生沉陷監(jiān)測、機理、規(guī)律及預(yù)測方法等方面分析研究現(xiàn)狀，指出進(jìn)一步研究的問題，以推動關(guān)閉礦井次生沉陷的研究。

1 關(guān)閉礦井次生沉陷監(jiān)測研究現(xiàn)狀

對于工程及建構(gòu)筑物變形監(jiān)測目前主要有常規(guī)地面變形監(jiān)測方法、航天航空測量方法。常規(guī)地面變形監(jiān)測方法包括水準(zhǔn)儀、全站儀、GNSS、準(zhǔn)直測量、數(shù)字近景攝影測量、三維激光掃描等。水準(zhǔn)儀、全站儀、GNSS、準(zhǔn)直測量等精度高，是目前地面變形監(jiān)測的首選方法，但監(jiān)測成本高、勞動強度大，不便于進(jìn)行大區(qū)域地表變形監(jiān)測。數(shù)字近景攝影測量、三維激光掃描可進(jìn)行面域變形監(jiān)測，監(jiān)測范圍大、點密度可根據(jù)需要設(shè)計，但監(jiān)測精度較低，目前僅能到分米或厘米級。航空航天測量方法包括航空攝影測量、合成孔徑雷達(dá)干涉測量(Interferometric Synthetic Aperture Radar,InSAR)。航空攝影測量目前多采用無人機航空攝影測量系統(tǒng)，其優(yōu)勢是監(jiān)測范圍大、通過圖像可再現(xiàn)變形體變形前狀態(tài)，缺點是監(jiān)測精度低，僅到分米級，不適合關(guān)閉礦井小變形的監(jiān)測。InSAR技術(shù)具有全天時、全天候、廣覆蓋、高精度監(jiān)測地表變形的能力，通過SAR的相位信息，以毫米級或亞厘米級精度提取目標(biāo)區(qū)域的變形信息，同時可利用存檔SAR數(shù)據(jù)追溯歷史變形信息，是關(guān)閉礦井地表沉陷監(jiān)測經(jīng)濟可靠的方法，也是筆者重點關(guān)注的方法。

自1989年，GABRIEL等[11]首次論證了合成孔徑雷達(dá)差分干涉測量技術(shù)(DInSAR)技術(shù)監(jiān)測地表微小形變的能力以來，開采沉陷監(jiān)測便成了DInSAR技術(shù)的一個主要應(yīng)用方向。英國、波蘭、法國、德國等國的科研人員進(jìn)行了大量的試驗研究，驗證了DInSAR技術(shù)監(jiān)測開采沉陷的可靠性和有效性。

因受時空去相干及大氣效應(yīng)的影響嚴(yán)重，DInSAR技術(shù)難以獲得長時序高精度的測量結(jié)果。為了實現(xiàn)時間序列地表沉陷監(jiān)測，自20世紀(jì)90年代末以來，國外學(xué)者提出了時序InSAR技術(shù)，該技術(shù)可以抑制干涉圖中時空失相關(guān)和大氣延遲引起的噪聲，使變形監(jiān)測精度達(dá)到毫米級[12-14]。時序InSAR技術(shù)主要有基于單一主影像的最小二乘法[15-17]、永久散射體(Persistent Scatterers,PS)InSAR[18-19]、干涉點目標(biāo)分析(Interferometric Point Target Analysis,IPTA)[20]、相干目標(biāo)分析(Coherent Pixels Technique,CPT)[21]等；基于多主影像的短基線集(Small Baseline Subset,SBAS)技術(shù)[22]；以及聯(lián)合PS和SBAS的StaMPS/SBAS技術(shù)[23]等，并且各時序InSAR技術(shù)在礦區(qū)形變監(jiān)測中均得到了較好的應(yīng)用。

因時序InSAR技術(shù)在植被區(qū)域及建筑物較少的非城區(qū)所選相干點較少，難以獲取完整的地表沉陷信息。為增加時序分析中高相干點數(shù)量，2007年，ROCCA[24]提出了分布式目標(biāo)(Distributed Scatterers,DS)概念，用以增加高相干點數(shù)量，提高獲取地表沉陷的完整性。2011年，F(xiàn)ERRETTI等[25]將PS和DS相結(jié)合，提出了SqueeSAR技術(shù)，該技術(shù)通過同質(zhì)像元的識別和相位優(yōu)化技術(shù)增加了相干點目標(biāo)的數(shù)量和密度，提高了時序InSAR技術(shù)監(jiān)測地表沉陷的完整性，擴大了時序InSAR技術(shù)的應(yīng)用范圍。2012年，SAMSONOV等[26]提出了Multidimensional SBAS (MSBAS)技術(shù)，將SBAS技術(shù)從解算一維視線向形變拓展到了二維(忽略南北向形變)或三維形變。2013年，SOWTER等[27]提出了Intermittent SBAS (ISBAS)方法，選取在部分時間間隔內(nèi)保持高相干性的點，將其納入時序InSAR分析中，使在農(nóng)田、鄉(xiāng)村區(qū)域獲取的形變更完整。

由于時序InSAR技術(shù)的發(fā)展，國外科研人員大多采用時序InSAR技術(shù)監(jiān)測關(guān)閉礦井地面次生沉陷，文獻(xiàn)[33]采用DInSAR和PSInSAR技術(shù)監(jiān)測了法國諾德/帕斯德-卡拉伊斯煤田持續(xù)開采270 a煤礦的下沉，該礦區(qū)于1990年12月21日關(guān)閉，監(jiān)測表明1992—1999年，每年下沉10 mm，然后減小，2004—2007年一些地區(qū)下沉3 mm/a。文獻(xiàn)[7]采用InSAR監(jiān)測了荷蘭南部關(guān)閉煤礦地面次生沉陷，得到如下結(jié)論：①開采區(qū)斷層兩側(cè)上升量大小不同，可能與斷層兩側(cè)地下水上升量大小不同有關(guān)；②1992—2009年，鄰近的比利時煤礦地面上升220 mm。

雖然近年來，InSAR技術(shù)得到長足發(fā)展，但由于SAR觀測系統(tǒng)軌道誤差、信號傳播中大氣延遲誤差、側(cè)視成像條件等的限制，使InSAR技術(shù)在開采沉陷監(jiān)測的應(yīng)用中仍存在較多的不足：

1)礦區(qū)大梯度形變獲取精度低或無法獲取。雖然子帶干涉、Offset_Tracking技術(shù)部分克服了InSAR技術(shù)監(jiān)測大梯度形變的問題，但由于噪聲的影響導(dǎo)致2種方法監(jiān)測精度相對較低。

2)由于關(guān)閉礦井地表次生沉陷時間長、量級小，InSAR技術(shù)受大氣噪聲、DEM誤差影響較大，使次生沉陷信息與噪聲處于同一量級，難以分離。

3)礦區(qū)通常位于農(nóng)田植被區(qū)，InSAR技術(shù)所選高相干點較少，如何獲取更多的分布式永久散射體點成為研究的關(guān)鍵。

4)時序InSAR技術(shù)多采用線性模型進(jìn)行解算，與實際開采沉陷模型不符，導(dǎo)致模型求解誤差。

5)由于SAR系統(tǒng)采用側(cè)視成像、極軌飛行模式，使得InSAR技術(shù)難以有效獲取礦區(qū)三維形變，且獲取的南北向水平移動精度較低。

2 關(guān)閉礦井次生沉陷機理與規(guī)律研究現(xiàn)狀

2.1 關(guān)閉礦井覆巖及地表次生沉陷機理研究現(xiàn)狀

地下開采破壞了原有的應(yīng)力平衡，當(dāng)工作面推進(jìn)到一定距離后，采空區(qū)附近巖體在上覆巖體重力作用下，產(chǎn)生彎曲、斷裂和垮落，在采空區(qū)上方形成垮落帶、斷裂帶和彎曲下沉帶，垮落帶內(nèi)巖體破裂碎脹，存在較多的空隙，雖然后期在覆巖應(yīng)力作用下壓實，但始終不能恢復(fù)到垮落前狀態(tài)，仍保留較多的空隙，是覆巖及地表長期移動變形的主要變形源。斷裂帶內(nèi)巖體斷裂，但總體保持層狀，形成采動覆巖結(jié)構(gòu)支撐上覆巖體。彎曲下沉帶內(nèi)巖體保持完整性，不存在或較少存在空隙。由于地質(zhì)采礦環(huán)境和開采方式的不同，采空區(qū)上覆巖層在采動的影響下將形成不同的覆巖結(jié)構(gòu)，姜福興等[28]將采動覆巖空間結(jié)構(gòu)分為中間有支撐的“θ”型、中間無支撐的“O”型、“S”型和“C”型4類，如圖1所示。

圖1 覆巖空間結(jié)構(gòu)類型[28]Fig.1 Types of spatial structure of overlying strata[28]

1)“θ”型結(jié)構(gòu)。為厚煤層分層開采，煤柱兩側(cè)所采分層不同形成的覆巖結(jié)構(gòu)。其變形源為煤柱兩側(cè)空洞閉合、垮落巖體再壓密和煤柱變形，但兩層空洞大小和垮落巖體高度不同。

2)“O”型結(jié)構(gòu)。為工作面開采寬度較小，兩邊煤柱支撐條件下形成，頂板巖體雖然垮落，但未充分壓實，采空區(qū)邊緣存在較大的空洞，后期可變形量大。該結(jié)構(gòu)變形主要來源于空洞閉合、垮落巖體再壓密、煤柱變形。

3)“S”型結(jié)構(gòu)。一端充分開采，另一端為煤柱。該結(jié)構(gòu)的特點是覆巖充分垮落，垮落裂縫帶高度大，采空區(qū)垮落巖體充分壓實，但煤柱邊緣仍存在較大的空洞，因此，該結(jié)構(gòu)變形源主要來自垮落巖體空隙再壓密、采空區(qū)邊緣空洞閉合和煤柱變形。

4)“C”型結(jié)構(gòu)。為煤柱兩側(cè)工作面均開采，剩下孤立煤柱支撐上覆巖體，當(dāng)煤柱寬度較大時，煤柱不破壞，形成煤柱和采空區(qū)破裂巖體支撐的覆巖結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)變形源為煤柱兩側(cè)空洞閉合、破裂巖體再壓密和煤柱自身變形。

綜上可以看出長壁全陷法采空區(qū)變形主要來源于3個方面：①采動破裂巖體空隙在覆巖應(yīng)力作用下的再壓密；②殘留煤柱變形及失穩(wěn)引起的覆巖及地表移動變形；③采動覆巖結(jié)構(gòu)自身變形和失穩(wěn)導(dǎo)致空洞閉合引起的變形。

對于條帶和房柱式開采，由于頂板巖體冒落不充分，存在較大的殘留空洞，其變形主要來源于以下2方面：①煤柱在地下水作用下，強度弱化，煤柱失穩(wěn)破壞導(dǎo)致殘留空洞閉合和破裂巖體再壓密；②頂板巖體斷裂失穩(wěn)，導(dǎo)致覆巖及地表次生沉陷。

礦井關(guān)閉后，地下排水停止，水位上升，在地下水作用下，初期采動覆巖將受到以下方面影響：①采動破裂巖體間摩擦力減小，破裂巖體在覆巖應(yīng)力作用下再壓密，導(dǎo)致覆巖與地表次生移動變形；②地下水將弱化采動覆巖結(jié)構(gòu)的摩擦力，可能導(dǎo)致覆巖結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，使采空區(qū)邊緣空洞閉合，導(dǎo)致覆巖及地表次生移動變形；③地下水使煤柱強度弱化，導(dǎo)致煤柱失穩(wěn)，使“C”型、“θ”型結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，空洞閉合和破裂巖體再壓密，導(dǎo)致覆巖及地表次生移動變形；④地下水使煤(巖)柱強度弱化，巷道垮塌，引起覆巖及地表次生移動變形；⑤對于條帶開采和房柱式開采，地下水使煤柱和頂板強度弱化，導(dǎo)致煤柱、頂板變形和失穩(wěn)，引起覆巖及地表次生移動變形。

隨著地下水位升高，采動破裂巖體內(nèi)孔隙壓力增大，有效應(yīng)力減小，前期被壓縮的破裂巖體受到的有效應(yīng)力減小，出現(xiàn)回彈上升。同時，隨著水位的上升，使松散層含水層水位上升，導(dǎo)致松散層土體孔隙壓力增大，有效應(yīng)力降低，土體出現(xiàn)回彈。另外，當(dāng)煤系地層中含有高嶺土、蒙脫石等膨脹巖體時，可遇水膨脹，導(dǎo)致覆巖及地表出現(xiàn)上升。

以上分析表明，關(guān)閉礦井覆巖及地表沉陷可分為2階段：下沉階段和上升階段。在礦井關(guān)閉初期，水位上升，導(dǎo)致采動破裂巖體再壓密、采動覆巖結(jié)構(gòu)及煤柱失穩(wěn)、煤柱再壓縮、柱式開采頂板塌落等，使覆巖及地表產(chǎn)生下沉。當(dāng)水位達(dá)到一定高度后，采動破裂巖體及松散層內(nèi)孔隙壓力增大，有效應(yīng)力降低，采動破裂巖體及松散層出現(xiàn)回彈、膨脹巖體遇水膨脹，使覆巖及地表上升。

礦井關(guān)閉后，下沉階段是普遍存在的，而上升階段則與地下水位高低、松散層特性、覆巖中是否含有膨脹性巖石有關(guān)，當(dāng)?shù)叵滤徊荒艿竭_(dá)松散層時，松散層內(nèi)孔隙壓力不變化，不會導(dǎo)致松散層回彈。當(dāng)?shù)叵滤贿_(dá)不到含有較高高嶺土、蒙脫石的巖體時，不會導(dǎo)致這些巖石膨脹，也不會使覆巖及地表上升。當(dāng)?shù)叵滤膲毫^小，使采動破裂巖體的孔隙壓力增加較小，雖然可使破裂巖體出現(xiàn)微小回彈，但覆巖可能吸收部分回彈量，使地表不出現(xiàn)上升現(xiàn)象。

綜上，關(guān)閉礦井覆巖及地表次生沉陷可分為下沉階段和上升階段，2階段既有聯(lián)系也有區(qū)別，因此，研究關(guān)閉礦井覆巖及地表次生沉陷規(guī)律應(yīng)分為下沉和上升2階段，分別研究其移動變形規(guī)律。

2.2 關(guān)閉礦井覆巖及地表次生沉陷規(guī)律研究

圖2 某礦關(guān)閉后所選12個點時序沉陷分布Fig.2 Time series deformation of 12 selected points after a mine closure

前面的分析表明，關(guān)閉礦井覆巖與地表次生沉陷來源于地下水對長壁垮落法開采采動破裂巖體、覆巖結(jié)構(gòu)、柱式采空區(qū)頂板和煤柱穩(wěn)定性等的影響，開采厚度越大，采動破裂巖體高度越高，受到地下水影響后，其覆巖及地表次生沉陷量越大，覆巖與地表次生沉陷量與開采厚度成線性或非線性增大關(guān)系。在空間上，長壁全部垮落法開采，采空區(qū)中心次生沉陷主要是采動破裂巖體受水弱化，強度和變形模量降低，重新壓實的結(jié)果。當(dāng)?shù)叵滤痪鶆蛏仙龝r，覆巖與地表次生沉陷隨時間近于線性變化。在采空區(qū)邊緣，由于采動覆巖結(jié)構(gòu)受地下水作用后失穩(wěn)，這種覆巖結(jié)構(gòu)失穩(wěn)引起的覆巖及地表次生沉陷可能出現(xiàn)瞬時加速現(xiàn)象，隨時間呈現(xiàn)非線性變化，同樣，對于柱式開采采空區(qū)，覆巖與地表次生沉陷也可出現(xiàn)加速沉陷現(xiàn)象。

圖3為徐州西部某礦長壁垮落法和條帶開采區(qū)在礦井關(guān)閉后地表下沉對比。圖3a中點JH1、JH2和JH3位于長壁垮落法開采上方，由圖3可見地表下沉較均勻，各點下方工作面開采情況見表1。從表1可見，JH1下方開采3層煤，開采深度1 016、970、857 m，JH2點下方開采了2層煤，開采深度分別為1 050、965 m，JH3點下方開采了3層煤，開采深度分別為634、610、517 m，對比圖3a中各點下沉可知，JH1下沉速度最大，JH3下沉速度最小，其原因是JH1下方工作面開采時間晚、采深大，采動破裂巖體殘余下沉相對較大，且地下水回升早，因此，在地下水的影響下，地表下沉大。而JH3下方工作面開采時間早、采深小，監(jiān)測期內(nèi)地下水可能尚未完全影響其下的采動破裂巖體，故其地表次生沉陷量相對較小。圖3b中點JH4、JH5和JH6下方為條帶開采，采寬34～45 m，留寬44～46 m，從圖3可見，2016-10-04—2018-08-19地表次生沉降量小，2018年8月19日后地表次生沉陷量突然增大，可能是由于該區(qū)域開采深度小，在2018年8月前地下水尚未影響到采空區(qū)，使得地表次生沉降量?。坏?018年8月后地下水影響到采空區(qū)，條帶煤柱受地下水作用，其強度及變形模量減小，使煤柱失穩(wěn)或變形增大，從而使覆巖與地表沉陷加劇，到一定時間后再趨于穩(wěn)定，地表次生沉降量減小。文獻(xiàn)[36]給出英國Bedlington礦(1971年關(guān)閉)，關(guān)閉19～23 a后煤柱和頂板失穩(wěn)，導(dǎo)致地面沉降；英國Ryhope(1966年關(guān)閉)礦在關(guān)閉32 a后報告了20次地面震動。

圖3 長壁垮落法與條帶開采下沉對比Fig.3 Comparison of subsidence between longwall caving method and strip mining

圖4為徐州西部某礦2017年9月17日以后地表上升情況。從圖4可見，2017年9月17日J(rèn)H1和JH2點開始上升，2018年1月3日J(rèn)H3點開始上升，從表1中可見，JH1、JH2下方工作面開采深度大于JH3下方工作面開采深度，先于JH3點受到地下水影響，孔隙壓力也更大，因此，JH1和JH2點采動破裂巖體在孔隙壓力作用下先回彈上升，然后逐漸發(fā)展到淺部的JH3點，使JH3點出現(xiàn)上升。從地表點上升量大小來看，JH1初期小于JH2，原因是JH2點下方工作面開采深度大于JH1點下方工作面開采深度，使其受到的孔隙壓力更大，上升量更大。2019年8月28日后JH1點上升加速，且出現(xiàn)上升量大于JH2點上升，原因是地下水開始影響JH1的2煤采空區(qū)，使其上升量增加。JH3點下方雖然也開采了3個工作面，但其下方工作面開采深度小，受到的孔隙壓力小，導(dǎo)致其上升量較JH1、JH2小。

表1 各點下方工作面開采情況Table 1 Mining condition of working face below each point

從圖4中還可以看出JH1、JH2、JH3三個點在上升期間均存在上升速率“放緩”或“下沉”現(xiàn)象，這是由于多煤開采下煤層上升和上煤層下沉疊加的結(jié)果。

圖4 多煤層開采下，點JH1、JH2和JH3上升情況Fig.4 Uplift of JH1，JH2 and JH3 under multi-seam mining

對于多煤層開采，由于上下煤層采動破裂巖體受地下水作用時間不同，下煤層采動破裂巖體、覆巖結(jié)構(gòu)首先受地下水作用，覆巖與地表下沉，當(dāng)?shù)叵滤簧仙揭欢ǜ叨群?，下煤層采動破裂巖體、覆巖結(jié)構(gòu)受到的孔隙壓力增大，使下煤層采動破裂巖體、覆巖結(jié)構(gòu)出現(xiàn)上升。同時，地下水到達(dá)上煤層采空區(qū)后，使上煤層采動破裂巖體、覆巖結(jié)構(gòu)出現(xiàn)下沉，存在上煤層采動破裂巖體、覆巖結(jié)構(gòu)下沉和下煤層采動破裂巖體、覆巖結(jié)構(gòu)上升疊加現(xiàn)象，減小了覆巖與地表次生沉陷量，疊加后的覆巖與地表是上升還是下沉取決于上下煤層開采厚度和層間距，當(dāng)層間距小時，下層煤采動破裂巖體、覆巖結(jié)構(gòu)尚未出現(xiàn)上升，兩層煤下沉疊加，不會減小覆巖及地表次生沉陷量，當(dāng)煤層間距較大，下層煤上升和上層煤下沉完全疊加，是出現(xiàn)上升還是下沉取決上下煤層的上升量和下沉量。

從以上可以看出，國內(nèi)外通過大量研究，初步得到了關(guān)閉礦井地表次生沉陷規(guī)律，但尚有以下問題需要深入研究：

1)采動破裂巖體是關(guān)閉礦井覆巖及地表次生沉陷的主要因素，目前對采動破裂巖體本構(gòu)關(guān)系、力學(xué)特征、水巖耦合機理及與地下水動力效應(yīng)等的關(guān)系缺乏系統(tǒng)深入研究，同時，不同地質(zhì)采礦條件下，采動破裂巖體分布規(guī)律等也研究不夠。

2)采動覆巖結(jié)構(gòu)是關(guān)閉礦井次生沉陷又一主要變形源，不同地質(zhì)采礦條件下，采動覆巖結(jié)構(gòu)特征、穩(wěn)定性、影響因素及與采動破裂巖體協(xié)同作用機理等缺乏深入研究。

3)地質(zhì)采礦條件對采動破裂巖體、覆巖結(jié)構(gòu)等影響較大，次生沉陷量與覆巖巖性、傾角、開采厚度、開采深度、地質(zhì)構(gòu)造等關(guān)系需要進(jìn)一步研究。

4)多煤層開采覆巖及地表次生沉陷機理、規(guī)律涉及上下煤層間距、采深采厚、上下采空區(qū)位置關(guān)系、多煤層采動覆巖結(jié)構(gòu)、地下水上升速度等，需要深入研究。

5)柱式開采采空區(qū)頂板、煤(巖)柱受水作用變形機理、規(guī)律、穩(wěn)定性等需要深入研究。

6)目前對關(guān)閉礦井覆巖及地表沉降和上升機理、規(guī)律研究較多，對于水平移動、水平變形機理與規(guī)律缺乏研究。

7)關(guān)閉礦井覆巖中膨脹巖體遇水膨脹機理、規(guī)律需要深入研究等。

3 關(guān)閉礦井次生沉陷預(yù)測研究

關(guān)閉礦井采動破裂巖體、覆巖結(jié)構(gòu)、煤柱等在地下水作用下產(chǎn)生次生沉陷(沉降或上升)，由于關(guān)閉礦井次生沉降與上升機理不同，應(yīng)分開建立預(yù)測模型。

3.1 關(guān)閉礦井次生沉降量預(yù)測

國內(nèi)外的研究表明，次生沉降主要與垮落帶高度有關(guān)，因此，次生沉降可采用下式計算：

Wm=K1hm

(1)

式中：Wm為關(guān)閉礦井次生沉降量，mm；K1為與巖性有關(guān)的系數(shù)；hm為垮落帶高度，m。

文獻(xiàn)[29]根據(jù)SALAMON[30]給出的采空區(qū)內(nèi)破裂巖體應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系和YAVUZ[31]給出的初始變形模量E0與碎脹系數(shù)k0、破裂巖體抗壓強度之間的關(guān)系：

(2)

(3)

式中：σ為軸向應(yīng)力，MPa；E0為巖體初始變形模量，MPa；ε為軸向應(yīng)變；εm為破裂巖體恢復(fù)至原始體積可能產(chǎn)生的最大應(yīng)變；σc為破裂巖體抗壓強度，MPa；k0為采動破裂巖體碎脹系數(shù)。

結(jié)合采動破裂巖體本構(gòu)關(guān)系及垮落帶高度、覆巖應(yīng)力等建立了關(guān)閉礦井最大下沉量預(yù)測模型：

(4)

式中：γr為覆巖平均密度，t/m3；H為開采深度，m；Ew為破裂巖體受水作用后的變形模量，MPa。

對于充填開采，其變形機理與長壁垮落法開采相同，僅將垮落帶高度變?yōu)殚_采煤層厚度、采動破裂巖體變形模量變?yōu)槌涮铙w變形模量，可采用上述方法分析計算關(guān)閉礦井充填開采次生沉降量。

對于柱式開采次生沉降計算，可考慮2種情況：①當(dāng)深厚比小于30時，地表可能出現(xiàn)非連續(xù)沉降，無法預(yù)測沉降量的大??；②當(dāng)深厚比大于30時，地表呈現(xiàn)連續(xù)移動變形，此時仍有2種情況：煤柱失穩(wěn)，采空區(qū)垮落，此時可采用等效厚度法預(yù)測地面沉降；當(dāng)煤柱穩(wěn)定時，可認(rèn)為煤柱受水影響變形模量降低，從而在覆巖應(yīng)力作用下，產(chǎn)生次生沉降，其預(yù)測方法如下：

(5)

式中:wz為煤柱軟化后引起的覆巖及地表沉降量，mm；M為開采厚度，mm；Ec、Ecw分別為煤柱原始變形模量和遇水軟化后的變形模量，MPa；σ為條帶或房柱開采時煤柱承受的應(yīng)力，MPa。

3.2 關(guān)閉礦井地面上升量預(yù)測

關(guān)閉礦井覆巖及地表上升主要由于關(guān)閉礦井采動破裂巖體、松散層等隨地下水位上升，孔隙壓力增大，有效應(yīng)力降低，導(dǎo)致覆巖及地表回彈。國內(nèi)外大量實測表明，關(guān)閉礦井地表上升量與地下水位回升高度、開采煤層厚度等有關(guān)，其關(guān)系如下：

ws=k(Hw-H)，Hw>H
ws=0，Hw≤H

(6)

式中:ws為關(guān)閉礦井地面上升量，mm；k為系數(shù)，根據(jù)實測資料確定，無實測資料時，取k=0.2～1.0，累計開采厚度越大，k越大；Hw為關(guān)閉礦井水位回升標(biāo)高，m。

文獻(xiàn)[7]通過比利時煤田監(jiān)測數(shù)據(jù)回歸得到k=0.4～0.71；文獻(xiàn)[35]通過對波蘭銅礦、石膏礦的監(jiān)測，分析得水位上升1 m，地面上升0.556 mm；文獻(xiàn)[36]通過英國諾森伯蘭郡和達(dá)勒姆煤田監(jiān)測分析，得到地下水上升1 m，地面上升0.8 mm；文獻(xiàn)[29]給出的徐州韓橋礦地面上升量與水位的關(guān)系如圖5所示，兩者呈線性關(guān)系，回歸系數(shù)k=0.15。WESOOWSKI[32]分析認(rèn)為地面最大上升量可達(dá)開采時地面最大下沉量的8%。

圖5 地下水位回升與地表上升回歸分析Fig.5 Regression analysis of groundwater level rebounding and surface uplift

與關(guān)閉礦井覆巖與地表沉降相似，覆巖與地表上升可根據(jù)采動破裂巖體本構(gòu)關(guān)系和太沙基理論構(gòu)建。鄭美楠[29]根據(jù)采動破裂巖體本構(gòu)關(guān)系、太沙基孔隙壓力理論、覆巖破裂高度等，給出了長壁垮落法開采覆巖及地表上升量計算式：

(7)

式中：Wp為地下水作用下，覆巖與地表上升量，m；γw為水的密度，t/m3。

MATEUSZ DUDEK[32]首先給出了破裂巖體的本構(gòu)關(guān)系和采動破裂巖體變形模量為原始巖體變形模量的0.02～0.04倍，然后認(rèn)為地下水上升相當(dāng)于增加了覆巖浮力，減小了作用在破裂巖體上的覆巖應(yīng)力，基于反分析方法得到模擬計算參數(shù)，通過原巖場階段、采動階段和地下水上升階段的模擬計算，得到了地下開采各階段地表下沉和上升量，結(jié)果與現(xiàn)場實測規(guī)律相近。還有一些文獻(xiàn)采用太沙基孔隙壓力理論模擬計算覆巖及地表的上升量。

對于充填開采地表上升量預(yù)測可采用式(7)，僅采用不同的參數(shù)，如將垮落帶高度變?yōu)殚_采厚度、破裂巖體變形模量變?yōu)槌涮铙w變形模量。

文獻(xiàn)[29]給出了柱式開采采空區(qū)地表上升量預(yù)測公式。

1)條帶開采

(8)

式中：Wt為礦井關(guān)閉后，條帶開采區(qū)地表上升量，m；M為開采厚度，m；a，b分別為留寬和采寬，m；Ecw為煤柱受地下水作用后的變形模量，MPa。

2)房柱式開采

(9)

式中：Wf為地下水作用下，房柱開采區(qū)覆巖及地表上升量，mm；a0、b0分別為房柱的長度與寬度，m；s為房寬，m；Efw為房柱受水作用后的變形模量，MPa。

以上分析可以看出，目前關(guān)閉礦井次生沉陷預(yù)測研究尚處于起步階段，存在以下問題：①考慮的因素相對單一，目前大多數(shù)方法僅考慮了采動破裂巖體對覆巖及地表次生沉陷量的影響，未考慮采動覆巖結(jié)構(gòu)、地質(zhì)構(gòu)造等的影響；②現(xiàn)有方法假定采動破裂巖體高度、變形特征等在采空區(qū)中的分布是均勻的，實際上，采動破裂巖體在采空區(qū)中心壓實程度更高、變形模量更大，而在采空區(qū)邊緣壓實程度更低、變形模量更小，如何考慮這一影響需要進(jìn)一步研究；③采空區(qū)邊緣形成的采動覆巖結(jié)構(gòu)對覆巖及地表次生沉陷有較大的影響，不同地質(zhì)采礦條件下，采動覆巖結(jié)構(gòu)不同，在地下水作用，其引起的覆巖及地表次生沉陷量不同，研究不同地質(zhì)采礦條件下，覆巖結(jié)構(gòu)特征及受地下水作用的穩(wěn)定性、變形機理、規(guī)律是需要解決的另一問題；④現(xiàn)有方法未考慮傾斜煤層、急傾斜煤層采動破裂巖體高度在采空區(qū)上下山分布的差異，一般來說，上山方向采動破裂巖體高度總是高于下山方向，由此可見，現(xiàn)有方法不適用于傾斜、急傾斜煤層開采關(guān)閉礦井次生沉陷預(yù)測，需進(jìn)一步研究完善；⑤關(guān)閉礦井多煤層開采次生沉陷預(yù)測研究不充分，雖然文獻(xiàn)[29]給出了多煤層開采次生沉陷預(yù)測方法，但采動破裂巖體受地下水作用，其變形具有一定滯后性(初期穩(wěn)定階段)，多煤層開采涉及下煤層上升與上煤層下沉疊加，進(jìn)行動態(tài)預(yù)測時，如何確定上煤層下沉?xí)r間、下沉量尚需要進(jìn)一步研究；⑥目前的預(yù)測方法僅給出了最大次生沉陷量預(yù)測，不能進(jìn)行分布區(qū)域的預(yù)測，將最大次生沉陷量作為等效開采厚度能否采用現(xiàn)有的開采沉陷預(yù)測方法進(jìn)行預(yù)測是需要進(jìn)一步研究等。

4 結(jié) 論

1)InSAR技術(shù)是監(jiān)測關(guān)閉礦井地表次生沉陷經(jīng)濟有效的方法，今后應(yīng)加強長時序SAR影像噪聲去除方法、植被覆蓋區(qū)DS點選取方法、融合非線性模型的時序InSAR技術(shù)及大梯度形變InSAR高精度獲取方法等的研究，提高InSAR技術(shù)獲取次生沉陷的能力和精度。

2)關(guān)閉礦井次生沉陷與采動破裂巖體、采動覆巖結(jié)構(gòu)等有關(guān)，深入研究采動破裂巖體本構(gòu)關(guān)系、變形特征、水巖耦合作用機理及不同地質(zhì)采礦條件下，采動破裂巖體、覆巖結(jié)構(gòu)分布規(guī)律與分布特征，是關(guān)閉礦井覆巖及地表沉陷機理、規(guī)律和預(yù)測方法研究的基礎(chǔ)。

3)目前對關(guān)閉礦井覆巖及地表次生沉陷機理、規(guī)律認(rèn)識尚不完善，有必要結(jié)合地面次生沉陷監(jiān)測數(shù)據(jù)、地質(zhì)采礦和地下水觀測等資料，深入分析研究覆巖與地表次生沉陷時空分布規(guī)律與頂板管理方法、覆巖巖性、關(guān)鍵層層位、采深、采厚、煤層傾角、上下煤層關(guān)系、采空區(qū)空間分布、地下水動力效應(yīng)等的關(guān)系，明確關(guān)閉礦井覆巖與地表次生沉陷時空分布規(guī)律和機理。

4)應(yīng)在深入研究關(guān)閉礦井采動破裂巖體本構(gòu)關(guān)系、采動覆巖結(jié)構(gòu)和水巖耦合作用機理、地下水動力效應(yīng)等基礎(chǔ)上，明確地下水對采動破裂巖體、煤(巖)柱力學(xué)特性等的影響機理和規(guī)律，結(jié)合非線性動力學(xué)理論，分下沉和上升2階段分別建立長壁全陷法開采、柱式開采、充填開采及多煤層開采覆巖與地表下沉和上升預(yù)測模型，為關(guān)閉礦井地表沉陷災(zāi)害評估奠定理論基礎(chǔ)。

5)應(yīng)深入研究不同膨脹巖體遇水膨脹機理、規(guī)律及本構(gòu)關(guān)系，建立膨脹巖體膨脹引起的覆巖及地表上升預(yù)測方法。同時，應(yīng)深入研究地下水回升對松散層的影響，研究其回彈上升規(guī)律及預(yù)測方法。

6)關(guān)閉礦井地下水滲流涉及采動破裂巖體、采動裂隙、離層等非常復(fù)雜的介質(zhì)，同時，還有巷道、采空區(qū)邊緣空洞等，其滲流介質(zhì)、滲流通道復(fù)雜，對此研究不足，有必要在深入研究關(guān)閉礦井地下水滲流規(guī)律、動力效應(yīng)基礎(chǔ)上，明確關(guān)閉礦井地下水滲流規(guī)律、水巖耦合作用機理、規(guī)律及對采動破裂巖體、煤巖力學(xué)特性等的影響，為次生沉陷機理、規(guī)律、預(yù)測方法等研究提供理論支撐。