安士凱，李昱昊，王曉鵬，周大偉，安魚飛，畢 波

(1.平安煤炭開采工程技術(shù)研究院有限責任公司 安徽省煤礦綠色低碳發(fā)展工程研究中心，安徽 淮南 232033；2.中國礦業(yè)大學 環(huán)境與測繪學院，江蘇 徐州 221116；3.中煤航測遙感集團有限公司，陜西 西安 710199)

0 引 言

厚沖積層礦區(qū)在我國東部礦區(qū)分布較廣，比如兩淮礦區(qū)，兗州礦區(qū)，平頂山礦區(qū)等。厚沖積層礦區(qū)與一般礦區(qū)(無或薄沖積層礦區(qū))相比，地表移動變形具有特殊性，如下沉系數(shù)大(甚至超過1.0)、邊界角較小、下沉盆地邊緣下沉曲線收斂緩慢、地表移動持續(xù)時間較長等地表移動特點[1-2]。針對厚沖積層沉陷的復雜性和特性，學者們從不同角度揭示了厚沖積層礦區(qū)地表下沉特殊性機理，吳侃等[3]通過相似材料模型實驗系統(tǒng)，確定了厚表土層地區(qū)完備的地表沉陷預測模型；李文平等[4]從吸附結(jié)合水含量及其性質(zhì)方面，論述了深部土體失水變形的機理與淺部已有認識的不同；王金莊等[5]提出采動程度衡量方法，揭示了厚松散層內(nèi)部移動破壞機理；李永樹[6]將復雜褶曲構(gòu)造煤層劃分為單斜構(gòu)造煤層實行曲面積分，得到了單元下沉盆地和水平移動理論模型；劉義新等[7]模擬建立巨厚松散層下深部寬條開采數(shù)值模型，得出地表下沉系數(shù)的函數(shù)關(guān)系式；梁慶華等[8]從黏土體失水的角度，推導該情況下地表下沉的計算公式；周大偉[9]提出“分開-綜合”的研究思路，揭示了厚沖積層巖土體的協(xié)同作用機理，構(gòu)建了開采沉陷組合預測模型。但是現(xiàn)有資料對于厚沖積層礦區(qū)地表移動持續(xù)時間預測方法的研究較少。

煤炭井工開采引起的地表移動與變形是一個復雜的時間和空間問題。隨著開采的推進，地表影響范圍內(nèi)某個點大致經(jīng)歷了開始階段、活躍階段和衰退階段，在衰退階段連續(xù)6個月累計地表下沉不超過30 mm，認為地表移動與變形穩(wěn)定；這3個階段所經(jīng)歷時間的總和稱為地表移動持續(xù)時間。地表移動持續(xù)時間是評估地表移動與變形是否穩(wěn)定的重要指標。隨著東部礦區(qū)資源枯竭，部分礦井逐漸關(guān)閉，關(guān)閉礦井面臨著諸多問題：如采煤塌陷地的治理、再利用，由礦方代理維護的國有設(shè)施的回收等[10]。政府回收土地再利用或設(shè)施回收的前提是地表或地面設(shè)施的穩(wěn)定性評估?；茨侠蠀^(qū)關(guān)閉礦井后，由礦方代理維護的國有大壩及泵站等設(shè)施需移交給政府，政府接受之前要求，對這些大壩、設(shè)施的穩(wěn)定性及閉井后續(xù)影響進行評估。因此精確預計地表移動持續(xù)時間對于地表及地面設(shè)施的穩(wěn)定性評估至關(guān)重要。李德海[11]通過對實際巖移觀測資料及Knothe時間函數(shù)的分析，得到了厚沖積層覆蓋時覆巖巖性參數(shù)P的計算方法，基于時間影響參數(shù)C與P的關(guān)系，建立了時間影響參數(shù)C的精確計算方法；張廣偉等[12]分析了巖石的物理力學性質(zhì)、開采深度、開采范圍和工作面尺寸與持續(xù)時間的關(guān)系，從下沉速度變化期移動時間入手推導地表移動總持續(xù)時間；鄭志剛等[13]在厚松散層綜放開采條件下，推導出開采深度、松散層厚度與地表移動時間之間的公式。綜上，已有專家對此問題進行了研究，并獲得有價值的成果。然而，依然缺少較合適的厚沖積層礦區(qū)地表移動持續(xù)時間的預計方法。筆者以淮南厚沖積層礦區(qū)實測地表移動持續(xù)時間為基礎(chǔ)，分析了地表移動持續(xù)時間的影響因素，通過建模構(gòu)建了一個更適用于厚沖積層礦區(qū)的的地表移動持續(xù)時間計算模型，并利用SBAS-InSAR監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比驗證。研究成果可在與淮南類似的厚沖積層礦區(qū)地表移動持續(xù)時間精確預計方面應(yīng)用。

1 地表移動持續(xù)時間規(guī)范公式在厚沖積層礦區(qū)的適用性

20世紀50—60年代，我國有計劃的在各礦區(qū)建立了地表移動觀測站，積攢了大量的地表移動觀測數(shù)據(jù)，建立了地表移動持續(xù)時間計算公式，并寫入《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》(以下簡稱“三下規(guī)范”)，公式如下(H為平均采深，m;T為地表移動持續(xù)時間)：T=2.5H，H≤400 m；T=1 000exp(1-400/H)，H>400 m?！叭乱?guī)范”是我國開采沉陷預測、煤礦開采地基穩(wěn)定性評估等方面的指導性文件，上述公式在各礦區(qū)地表移動持續(xù)時間計算中具有重要作用；為了驗證該計算方法在淮南潘謝新區(qū)的適用性，收集了15個潘謝新區(qū)實測值，見表1。利用該公式預計了該15個工作面的地表移動持續(xù)時間，預計結(jié)果與實測值對比，如圖1所示。從圖1可得，“三下規(guī)范”公式預計存一定的誤差，其中最大誤差為1 322 d(約3.6 a)，中誤差約為959 d(約2.6 a)；該公式不適用于厚沖積層礦區(qū)，一方面是該公式考慮的影響因素較少(只考慮采深的影響)，另一方面是由于厚沖積層土體的特殊性導致。

表1 淮南潘謝新區(qū)實測地表移動持續(xù)時間Table 1 Measured duration of surface movement in Panxie New Area，Huainan

圖1 實測數(shù)據(jù)與經(jīng)驗公式對比Fig.1 Comparison of measured data and empirical formulas

厚沖積層礦區(qū)地表移動持續(xù)時間具有特殊性。實測研究表明，與一般礦區(qū)相比，厚松散層礦區(qū)地表移動起始期更短，很快進入活躍期[14]，衰退期較長；地表移動初始期和活躍期占總移動時間比值較小，但占總下沉量的比值較大，而衰退期持續(xù)時間長，但下沉量較小[15-16]；如東龐礦實測起始期占總移動時間的6%，下沉量占總下沉量的2.7%，活躍期占總移動時間的37%，但下沉量卻占總下沉量的95.3%，衰退期占總移動時間的57%，而下沉量只占總下沉量的2%。

2 地表移動持續(xù)時間影響因素

根據(jù)研究，地表移動持續(xù)時間的影響因素主要有：采深、采厚、推進速度、采煤方法及頂板管理方法、覆巖巖性(淮南厚沖積層礦區(qū)主要考慮厚沖積層土體的作用)[17-21]。將表1中15個實測數(shù)據(jù)中的平均采深、推進速度以及松散層厚度等分別與地表移動持續(xù)時間建立散點圖，如圖2—圖5所示，分析各因素與地表移動持續(xù)時間的關(guān)系。

圖2 平均采厚與地表移動持續(xù)時間的關(guān)系Fig.2 Relationship between average mining depth and duration of surface movement

圖3 平均采深與地表移動持續(xù)時間的關(guān)系Fig.3 Relationship between average mining depth and duration of surface movement

圖4 推進速度與地表移動持續(xù)時間的關(guān)系Fig.4 Relationship between velocity of advance and duration of surface movement

圖5 松散層厚度與地表移動持續(xù)時間的關(guān)系Fig.5 Relationship between thickness of loose layer and duration of surface movement

由圖2—圖5可得：①采厚與地表移動持續(xù)時間程正相關(guān)。根據(jù)實測及已有研究表明：開采厚度越大，地表移動延續(xù)時間就越長。②平均采深與地表移動持續(xù)時間呈正相關(guān)。開采深度越大，地表移動時間越長，反之，開采深度越小，則地表移動時間越短。③推進速度與地表移動持續(xù)時間呈負相關(guān)。開采速度小，地表下沉緩慢，地表持續(xù)時間相對較長。④沖積層厚度與地表移動持續(xù)時間呈負相關(guān)。研究證實，巖性越硬地表移動持續(xù)時間越長，反之成立。沖積層土體在一定程度上使覆巖整體巖性弱化/軟化，因此沖積層越厚，覆巖整體巖性越軟，地表移動持續(xù)時間越短。

3 厚沖積層礦區(qū)地表移動持續(xù)時間計算模型建立

3.1 基于實測數(shù)據(jù)建模

計算得出地表移動持續(xù)時間：

(1)

3.2 計算精度分析

為驗證所建模型的可行性和精確度，將表1中的實測數(shù)據(jù)代入計算，得出利用模型公式計算出的地表移動持續(xù)時間T1，與已知值進行對比。再使用“三下規(guī)范”中地表移動持續(xù)時間T的經(jīng)驗公式計算出地表移動持續(xù)時間T2，比較T1和T2兩者的精確度。具體見圖7和表2。

圖7 修正模型和經(jīng)驗公式誤差分布Fig.7 Error distribution of modified models and empirical formulas

表2 地表移動持續(xù)時間計算模型與經(jīng)驗公式對比Table 2 Comparison between calculation model of surface movement duration

顯然可見，圖7建立的地表移動持續(xù)時間計算模型比“三下規(guī)范”中的經(jīng)驗公式更準確。由表2可知，修正模型計算結(jié)果中誤差為137 d，而經(jīng)驗公式計算結(jié)果中誤差為959 d，修正模型的計算精度相對于經(jīng)驗公式的精度提高了86%左右，在厚沖積層礦區(qū)適用性較好。

以上實測數(shù)據(jù)均用于建立地表移動持續(xù)時間計算模型，為了更充分的驗證新建模型，收集其他未參與建模的厚沖積層礦區(qū)實測數(shù)據(jù)進行對比分析，結(jié)果見表3和圖8。

表3 地表移動持續(xù)時間計算模型可靠性驗證Table 3 Reliability verification of the calculation model of surface moving duration

圖8 修正模型和經(jīng)驗公式誤差分布Fig.8 Error distribution of modified models and empirical formula

由表3和圖8可知，采用未參與建模的實測數(shù)據(jù)，代入修正模型中計算出的地表移動持續(xù)時間的精度仍然比經(jīng)驗公式的精度要高：新建模型的預計中誤差為462 d，經(jīng)驗公式的預計中誤差為818 d，新建模型的預計精度提高了約44%。相較之下，新建模型更適合厚沖積層礦區(qū)地表移動持續(xù)時間的預測工作，預計結(jié)果優(yōu)于“三下規(guī)范”中的經(jīng)驗公式。

4 基于SBAS-InSAR的實測驗證

合成孔徑雷達干涉測量(InSAR)是近年來興起的一種新型空間對地觀測技術(shù)，具有全天候、無接觸、大面積、高空間分辨率、高精度(厘米至毫米級)的特點，尤其在高精度的地表形變監(jiān)測中應(yīng)用廣泛。實踐研究表明，InSAR在礦區(qū)快速大變形監(jiān)測誤差較大，而其在礦區(qū)地表緩慢沉降的監(jiān)測精度可達到毫米級別[22-23]。根據(jù)淮南地區(qū)的地表特點，采用SBAS-InSAR方法對地表移動進行監(jiān)測。

4.1 實驗區(qū)與實驗數(shù)據(jù)

1)實驗區(qū)概況?；茨系V區(qū)潘謝新區(qū)位于淮河以北，由厚沖積層覆蓋，厚度一般在300～500 m，基巖相對較薄。實驗區(qū)選取顧橋礦西南13-1煤層1211(3)工作面，該工作面平均采深550 m，沖積層厚度約為300 m，開采速度約為5 m/d，平均采厚為5.5 m，工作面的長度1 600 m，寬度為250 m，開采時間為2014年11月。采用綜合機械化采煤方式。

2)數(shù)據(jù)源情況。本次地表形變解譯采用的是SARscape軟件，星軌道數(shù)據(jù)為歐空局提供的DORIS精密軌道數(shù)據(jù)，DEM采用CIAT機構(gòu)分發(fā)的SRTM3V4 DEM。試驗所用的SAR數(shù)據(jù)為2016-05-13—2018-12-17共26景Sentinel-1單視復數(shù)降軌數(shù)據(jù)，VV極化方式。

3)SBAS-InSAR數(shù)據(jù)處理流程。數(shù)據(jù)處理過程中參數(shù)設(shè)置如下：①干涉處理過程中距離向與方位向的視數(shù)比設(shè)置為4:1，濾波方法選用自適應(yīng)濾波法，解纏方法采用最小費用流法，解纏相干性閾值設(shè)置為0.2。②選擇沒有殘余地形條紋，遠離形變區(qū)域的控制點，采用三次多項式模型進行軌道精煉和重去平。③其他參數(shù)均選用SARscape處理Sentinel-1數(shù)據(jù)的推薦參數(shù)[24]。

4.2 試驗結(jié)果分析

在研究區(qū)中選取4個像素點(圖9)，命名ABCD，繪制其沉降序列圖，進行時間序列分析，沉降序列圖如圖10所示。

圖9 研究的像素點與工作面的對應(yīng)關(guān)系Fig.9 Relation ship between pixel and working face

圖10 線段點位置示意及其時間序列沉降Fig.10 Line point position schematic and time series settlement profiles

由圖11得到，當工作面推進到B點時，工作面前方1號點受到采動影響開始移動，推進到C點時，前方2號點受到采動影響開始移動，這種在工作面推進過程中，工作面前方的地表受采動影響開始移動的現(xiàn)象稱為超前影響，開始移動的點到工作面的水平距離為超前影響距。通過計算1211(3)工作面的超前影響距，結(jié)合推進速度可知：當工作面推進至圖9中1號點時，工作面前方A點開始受采動影響而下沉，當工作面推進至A點時，B點開始下沉，以此類推。

H0—平均采深；ω—超前影響角；W—下沉曲線；δ0—走向邊界角圖11 工作面推進過程中的超前影響Fig.11 Advance influence in advancing process of working face

表4 淮南顧橋礦區(qū)1211(3)工作面地表監(jiān)測點的地表移動持續(xù)時間Table 4 Surface movement duration of No.1211(3) working facein Guqiao Mining Area of Huainan

結(jié)合圖9和圖10，以D點為例，地表點D從2015年3月25日開始移動，從圖10可知，在2016-07-24—2017-01-23的時間內(nèi)，該地表點下沉量小于30 mm，根據(jù)地表移動持續(xù)時間定義：地表連續(xù)6個月下沉不超過30 mm，認為地表沉陷穩(wěn)定。因此，該點于2017年1月份已經(jīng)穩(wěn)定，2015年3月至2017年1月，該地表的移動持續(xù)時間為670 d，根據(jù)新建地表移動持續(xù)時間計算模型(式(2))計算得到該地表點移動持續(xù)時間為622 d，相對誤差為7.2%，二者基本一致。以此分析A、B、C三點，地表移動持續(xù)時間實測值見表，相對誤差分別為12%、8.8%和11%。而用“三下規(guī)范”公式計算該地表點移動持續(xù)時間為1 309 d，誤差最大的點是D點，最大相對誤差為95.4%。再次證實了新建計算方法的正確性。

5 結(jié) 論

1)基于地表移動持續(xù)時間實測數(shù)據(jù)，由于現(xiàn)有地表移動持續(xù)時間計算公式考慮的影響因素較少(只考慮采深的影響)和厚沖積層土體的特殊性，導致其在厚沖積層礦區(qū)預計誤差較大：預計中誤差約為959 d(約2.6 a)，現(xiàn)有公式不適用于厚沖積層礦區(qū)。針對該問題，綜合考慮了采深、采厚、沖積層厚度(覆巖綜合巖性)和推進速度等地表移動時間影響因素，基于淮南潘謝新區(qū)15個工作面的實測數(shù)據(jù)，分析了各影響因素與地表移動持續(xù)時間的關(guān)系；并建立了厚沖積層礦區(qū)地表移動持續(xù)時間新的計算模型。

2)基于實測數(shù)據(jù)，采用參與建模的數(shù)據(jù)進行預計計算，得到新模型預計中誤差為137 d，而經(jīng)驗公式計算中誤差為959 d，新模型的精度提高了86%；采用未參與建模的數(shù)據(jù)進行預計，得到新建模型預計中誤差為462 d，經(jīng)驗公式預計中誤差為818 d，新建模型的精度提高了約44%。

3)采用SBAS-InSAR技術(shù)，利用Sentinel-1數(shù)據(jù)解算了淮南潘謝新區(qū)顧橋礦的1211(3)工作面地表的移動持續(xù)時間為670 d，利用新建模型計算得到地表點移動持續(xù)時間為622 d，相對誤差最小為7.2%，二者基本一致，再次證實了該計算方法的正確性。對比傳統(tǒng)經(jīng)驗公式，新建模型適用性更強，精度更高，為厚沖積層礦區(qū)采動地基穩(wěn)定性評價等相關(guān)工作提供技術(shù)參考。