黃土礦區開采沉陷與地表損害研究述評

蘆家欣，湯伏全，2，趙軍儀，閆照存

(1.西安科技大學 測繪科學與技術學院，陜西 西安 710054；2.國土資源部 煤炭資源開發與綜合利用重點實驗室，陜西 西安 710021)

0 引 言

中國是世界上最大的煤炭生產與消費國，煤炭資源開發與利用在國民經濟與社會發展中具有舉足輕重的戰略地位[1]。西部黃土高原及其過渡地帶橫跨中西部六省區，是21世紀中國乃至全球主要的煤炭生產基地。大規模地下采煤已造成大范圍地表沉陷與損害，導致礦區內適合居民安置和工程建設的選址范圍不斷減小，引發資源開發與環境保護之間的矛盾日益突出，制約西部礦區經濟社會的可持續發展[2]，已成為社會關注和學術界研究的重大課題[3]。長期以來，開采沉陷理論與實踐研究的重點，主要集中在中東部平原礦區和薄表土層覆蓋的礦區，學術界主要關注基巖尤其是堅硬巖層對開采沉陷的控制性影響，對于地表土層和山區條件下的開采沉陷研究較少。作者及西安科技大學團隊長期致力于西部復雜地理、地質條件礦區的開采沉陷規律研究，通過系統總結黃土礦區開采沉陷與地表損害研究的主要成果，分析該領域研究的現狀及其展望，為西部礦區綠色安全開采與生態環境保護研究提供借鑒。

1 黃土礦區開采沉陷與地表損害特征

西部黃土礦區地形起伏多變，黃土層厚度占到開采深度的30%～70%，對于地表沉陷規律產生重要影響。黃土層中垂直節理發育，并具有不同程度的濕陷性和較大的天然孔隙比與壓縮系數，其物理力學特性既不同于巖層，也有別于東部礦區的飽水粘土層，在采動過程中黃土層本身產生明顯的附加變形，并與開采沉陷形成疊加效應，導致黃土礦區地表沉陷變形及損害的特殊性，歸結為以下幾方面。

1)地表移動具有變形劇烈、發展快速的特征。黃土礦區綜放開采條件下地表沉陷具有變形劇烈、下沉速度大，非連續破壞嚴重、起動距偏小、裂縫角偏大等特征。地表移動參數與黃土層厚度及其在采深中的占比存在密切關系[4]。

2)開采裂縫發育及破壞程度較中東部平原礦區更劇烈。尤其在厚黃土層薄基巖開采條件下，黃土層隨基巖的斷裂沉陷而產生開裂，使其連續性破壞并被切割成塊體結構，各塊體之間產生剪切錯動，造成地表臺階狀裂縫。

3)開采沉陷過程中地表產生顯著的附加變形。黃土層具有較強的濕陷特性和較大的天然孔隙比與壓縮系數。在基巖面不均勻沉陷影響下，黃土層產生明顯的附加變形。主要包括：飽和黃土失水固結變形、采動地表土體單元體積變形、黃土層浸水濕陷變形、黃土溝壑區山坡滑移變形。上述附加變形與開采沉陷形成疊加效應，導致黃土礦區開采沉陷規律的復雜性和特殊性[4]。

4)黃土山區下采煤可能誘發山體發生滑坡災害。黃土山區滑坡范圍一般與采空區位置有一定的關系，但主要取決于地貌、地質條件的控制作用。采動滑坡發生的時間和規模主要取決于開采沉陷及其它誘發因素的共同影響，具有突發性。

5)開采沉陷導致地表環境退化與損傷。黃土礦區大規模采煤引起的地表沉陷導致地形因子、土壤侵蝕、土體理化特性、土地利用、植被覆蓋等環境因子的退化和損傷，破壞土壤結構，造成水土流失，引起土壤中水分、濕度、有機質含量等理化性質發生變化[5-6]，使土壤環境和生態系統退化。

2 黃土礦區開采沉陷與地表損害機理

2.1 開采沉陷中土巖互饋作用機理

黃土礦區地表沉陷破壞特征與地質、采礦條件之間關系密切。地表沉陷與土層、基巖特性、開采參數之間存在一定的量化關系。基巖層的物理力學強度明顯高于黃土層，2種不同性質的介質在開采沉陷機理上存在顯著差別。地表開采沉陷實質上是基巖的沉陷變形和黃土層的沉陷變形共同影響的結果。作者將黃土礦區開采沉陷模型分解為基巖的開采沉陷以及基巖面不均勻沉降引起的黃土層變形。前者等效于不考慮表土層的巖層開采沉陷模型上施加黃土層等效荷載的情形；后者等效于基巖面沉降在土層中傳遞引起的沉陷變形與采動土體單元本身產生的附加變形的疊加。黃土層在整體結構未破壞之前具有一定的支撐強度，對于下覆基巖的荷載一般小于其自重荷載。數值模擬分析表明，在常規“三帶”型開采條件下，黃土層施加于基巖層上的等效荷載由本身自重荷載和開采充分程度(即開采寬度與開采深度之比，稱為寬深比)所決定，而這種等效荷載影響可以轉化為開采充分程度的增量(即等效開采寬度)。數值模擬表明，在基巖面達到充分下沉之前，等效開采寬度與黃土層等效荷載和開采充分程度(即實際寬深比)呈正相關，在基巖面達到充分下沉狀態后，等效開采寬度不再增大，黃土層對基巖沉陷的荷載作用基本消失。

2.2 黃土層開采沉陷變形機理

黃土礦區基巖面不均勻沉陷是導致黃土層產生附加應力和變形的主要原因。模擬研究表明，黃土層的下沉隨著開采寬深比的增大而變大，當基巖面達到充分下沉狀態后，黃土層的整體性遭到破壞，下沉系數達到最大值；在黃土層與基巖交界面附近，黃土層隨著基巖面的不均勻沉陷變形產生明顯的剪切滑動和拉伸破壞[7]；地表附近土體單元變形由水平向附加應力所主導，在移動盆地邊緣附近產生明顯的體積膨脹變形，在移動盆地中央充分下沉區的體積變形接近為零，地表土體單元的體積變形、水平變形、豎直變形具有相同的分布特征[8]。

2.3 黃土層中附加變形機理

黃土山區開采沉陷過程中發生的主要附加變形包括飽和黃土失水固結變形、采動地表土體單元體積變形、黃土層浸水濕陷變形、黃土溝壑區山坡滑移變形。其中飽和黃土失水固結變形機理為，黃土層開采沉陷變形或裂隙引起土體滲透特性改變和土中孔隙水的排出，引起飽和黃土中地下水流失和地下水位下降，使孔隙水所承擔的應力減小，土體中的有效應力增大，造成地下水位以下的飽和黃土體產生滲透固結變形。在此過程中，采動附加應力瞬間引起的超靜孔隙水壓力加速了滲透固結過程。

地表土體單元體積變形機理為，近地表黃土層彎曲引起的水平向附加應力遠大于垂直向附加應力，土體單元的平均法向應力增量由水平向應力增量所主導，引起非飽和土骨架變形，導致地表土體單元體積變形。

采動黃土層濕陷變形機理為，地表具有自重濕陷特性的黃土層因采動裂縫和土體剪切破壞導致地表水滲入，開采沉陷變形和土體單元體積變形改變了土體的初始孔隙比，使濕陷性黃土的滲透特性發生變化，導致深部土層受到浸水影響而喪失其結構強度，引起濕陷變形。

采動山坡滑移變形的機理為，采煤引起的地層動態移動打破了山坡原有的平衡狀態，導致斜坡應力場發生變化而使山坡產生指向下坡方向的塑性變形，并與開采沉陷變形形成疊加效應，導致地表沉陷變形背離類似平原礦區的一般規律性[9]。一般在正向坡情況下地表變形加劇；在反向坡情況下地表變形有所減小，在組合坡情況下使地表變形更為復雜，溝谷處地表在下沉過程中可能產生抬升現象。

2.4 黃土層開采裂縫與臺階形成機理

開采沉陷變形引起水平向應力松弛，使土體單元的最小主應力減小，導致土體單元達到剪切破壞或開裂的極限平衡狀態而發生開裂。當黃土層中裂縫或剪切破裂面上下貫通時，黃土層的整體性遭到破壞，土層將分割成塊體形式而產生移動，在地表形成裂縫與臺階破壞。地表裂縫發育程度和破壞等級與基巖頂界面應力、應變之間存在密切關系[7]，裂縫發育深度可根據地表變形指標和黃土物理力學參數確定[10]。實測資料表明，在淺埋煤層條件下，地表裂縫發育深度與寬度之間存在正比例關系，深度與落差之間存在對數關系[11]。

2.5 開采沉陷誘發的黃土山區滑坡機理

黃土山區斜坡在開采擾動使之達到極限平衡狀態后，將導致整體性滑移失穩，稱之為采動滑坡。上世紀90年代初，田家琦等人首先提出了地下開采誘發山體滑坡的課題，并對其形成機理進行了初步研究。一些學者利用相似材料模型實驗和數值分析等手段研究了不同地形坡度及斜坡組合條件下，地表局部滑移破壞的分布特征。在國外，Greco V R,Ghose A K,Homoud A I等人利用斷裂力學和塑性力學理論研究了采動滑坡力學機理[12-13]；Chamine H L等應用數值模擬技術研究了采動斜坡體的動態變形特征。工程地質學者在研究上述采動滑坡時，通常是將地下開采影響視為一種外動力因素定性地給予考慮。由于采動斜坡失穩的根源在于地下采空引起的基巖沉陷導致土層發生形變，只有在微觀層次上研究土體變形的分布特征，才能真正建立“開采沉陷”與“斜坡穩定性”之間的關系，這方面的研究目前還很不充分。

2.6 開采沉陷引起的地表環境損傷機理

地表開采沉陷盆地的形成改變了地面坡度、坡向、地形起伏度和破碎程度等地形因子，引起地表徑流變化和水土侵蝕加劇，造成土地損毀和土壤理化特性改變[14]，尤其在溝谷地形下會影響到地表徑流分布和區域水系環境。一些學者從地理學的土壤侵蝕角度出發，基于野外考查和GIS，RS技術分析表明，黃土高原煤炭開采區的水土流失和土壤侵蝕強度與原有地貌條件下的水土流失特征之間存在密切的關系，黃土礦區土壤侵蝕強度的空間分布與原有地形、植被等因子相關，也與采煤強度相關。沉陷區土壤侵蝕和土壤結構的破壞導致土壤理化性質惡化，在水土流失作用下，造成土壤的營養流失及土地損傷。一些學者針對煤礦區生態環境破壞過程進行了研究，并揭示煤礦開采區環境破壞具有一定的自修復特征和自我修復效應[15]。目前，對于開采沉陷區地表環境損傷過程及其機理的研究尚不充分。

3 黃土礦區開采沉陷預計模型

常規的開采沉陷預計模型包括概率積分法、負指數函數法、典型曲線法、力學模型法等，主要是針對平地條件下單一長壁工作面基巖層開采沉陷原理建立的，難以適用于西部黃土山區條件下的開采沉陷預計[16]。近十多年來，一些學者將黃土山區的土層和基巖視為2種不同介質，將斜坡自重滑移變形與平地條件的開采沉陷量進行疊加建模，提出了多種開采沉陷模型。主要有：從變形傳遞疊加角度構建的開采沉陷分層介質預計模型[17]、基于巖土力學和開采沉陷學理論建立的土、巖雙層介質下沉空間逐層傳遞的開采沉陷模型[18]、加入地形變化修正參數的影響函數法改進模型、考慮黃土斜坡滑移變形的溝壑區潛在滑坡模型[19]等。作者將黃土礦區地表沉陷分解為黃土層荷載作用下的基巖采煤沉陷以及基巖面不均勻沉降導致的黃土層沉陷，建立了黃土覆蓋礦區開采沉陷的雙層介質模型，通過數值模擬確定了黃土層自重作用于基巖的等效荷載與開采充分程度的量化關系，導出了適合黃土礦區的概率積分法改進模型[16]，基于黃土山區采動附加變形機理模型導出了各種附加變形的預計模型。

地表最大下沉值直接反映開采沉陷的強度并控制著其它移動變形量，是衡量開采沉陷的主要指標。目前，針對黃土礦區最大下沉量的預計主要通過數值模擬或實測數據建立相關的經驗公式。如通過數值模擬得出地質采礦因素對地表最大下沉值的影響程度，利用回歸分析擬合得到地表最大下沉值與多因素的函數表達式。上述預計模型對黃土礦區沉陷預計具有一定的適用性。

4 黃土礦區開采沉陷與地表損害監測

4.1 地表沉陷變形監測

對礦區地表開采沉陷進行實地監測是確保礦山安全生產及礦區生態環境治理的基本手段。傳統的布設地表移動觀測線或觀測網的常規工程測量、GNSS測量、近景攝影測量等，不便于大范圍的地表形變監測[20]。近年來，利用三維激光雷達掃描(Light Detection and Ranging，LiDAR)技術開展礦區沉陷監測已經取得了一定成效，利用機載或地基LiDAR技術可以監測整個礦區沉陷的動態變化[21]。

多年來，合成孔徑雷達干涉測量(Interferometric Synthetic Aperture Radar，InSAR)技術已成功應用于礦區地表沉陷監測[22]。許多學者利用InSAR及其差分干涉測量(Differential Interferomertry Synthetic Aperture Radar，D-InSAR)技術獲取了礦區地裂縫的分布范圍、黃土溝壑區地表變形分布圖、開采沉陷區動態時序形變圖等。針對D-InSAR難以監測到礦區大梯度沉陷的問題，一些學者采用高分辨率SAR影像結合SBAS技術和Offset-tracking技術，獲取開采過程中地表大量級沉陷的時間序列[23-24]，但高分辨率的SAR數據需要根據開采計劃提前預訂和購置，所獲取影像還可能存在失相干風險，且購置時間成本與費用較高，這成為該技術在礦區大梯度形變監測中推廣的障礙。作者多年來利用雷達遙感技術開展了黃土礦區變形監測試驗，發現在黃土山區地貌地形條件下，對于SAR影像的干涉對選擇、噪聲濾波、氣象改正、去平地效應、地形起伏等環節的處理較平原礦區更為復雜，還存在許多技術問題。

4.2 黃土礦區地表環境變化監測

目前，國內外針對礦區土壤理化性質變化的研究主要采用三維相似材料模擬實驗、現場取樣及室內測定[25]、遙感反演[26]等手段，研究礦區土地利用、土地覆蓋變化主要采用(LUCC)模型法。國內對于煤礦區土壤環境及土地利用動態變化的研究比較薄弱。多年來在遙感技術監測礦區地表環境變化方面取得了一些進展。如利用遙感時序方法分析沉陷區地物的變化趨勢；通過高分遙感影像提取開采區植被NDVI指數，分析采礦因素的影響；利用無人機遙感反演模型分析沉陷區農作物變化[27]等。近幾年來，筆者采用Landsat和Modis影像對銅川礦區、彬長礦區等植被覆蓋指數和土壤濕度變化進行了監測，取得了一定的成效。

4.3 沉陷區地表持續變形和長期穩定性監測

黃土礦區在非充分采動條件下，沉陷區內破裂巖土中往往存在大量的空洞或空隙，在上覆巖土特別是巨厚黃土層自重作用下會發生壓縮或黃土濕陷變形，導致沉陷區地表產生持續的殘余變形。目前，利用InSAR結合GNSS連續監測技術已成為沉陷區地表持續變形監測的主要手段，如通過InSAR影像處理獲得老采空區地表變形數據，建立地表殘余下沉速度與地質采礦參數的經驗關系式[28]，可以評價采空區地表長期穩定性。

針對采空區“空洞”效應導致的重力場變化，作者基于布格重力理論采用數值模擬方法得到了采空區地表的重力異常分布特征，建立了采空區深度、寬度、厚度、開采邊界與地表重力異常分布的關系，為利用重力異常變化監測數據反演煤礦采空區演變提供了基礎[29]。

5 黃土礦區開采沉陷與地表損害研究展望

近十多年，隨著煤炭開采規模的不斷擴大和監測技術的快速進步，學術界針對黃土礦區開采沉陷與地表損害的研究取得了一定的進展，已經基本掌握了黃土礦區開采沉陷與地表損害的基本類型、特征，初步揭示了黃土山區開采沉陷變形與地面破壞的發生機理，建立了簡單地質采礦條件下開采沉陷的預計模型，利用新的測繪技術手段開展了地表沉陷與環境損害監測試驗。然而，西部黃土覆蓋礦區開采沉陷與地表損害規律十分復雜且影響因素眾多，目前的研究還存在許多薄弱環節有待突破，作者根據個人的理解將其歸結為如下幾方面。

1)黃土礦區開采沉陷變形與破壞的細觀和微觀特征研究。目前，在現場監測、規律分析、理論建模等方面，主要針對地表沉陷的“宏觀”特征開展研究。從“宏觀”上看，地表沉陷主要受開采強度、覆巖特性、地質構造、開采深度等因素控制[30]。而黃土層變形的“細觀”和“微觀”特征對于地面建筑物、生態環境、地下水文特征的影響更為顯著。從地表變形的“細觀”尺度上看，即使地表沒有因地質構造或山坡滑移等引起的較大開裂和臺階，其局部范圍內地表沉陷(主要是變形)也總是非連續的。黃土礦區地表變形的這種細觀特征更為顯著，其危害性也更為嚴重。從“微觀”尺度來觀察地表土體變形，就是土體內部結構中固體顆粒、水、空氣和收縮膜四相介質的相對運動在地表的體現，其微觀特征不僅與基底絕對移動量(即采煤引起的基巖面下沉)有關，還與土層特性密切相關。地表變形的細觀特征是“微觀”土體變形因節理或地形等因素產生的變異；地表變形的宏觀特征就是一定尺度內上述細觀和微觀變形的疊加。對于采動黃土層變形的這種多層次特征，還有待深入研究。在地形起伏條件下，采煤引起的斜坡失穩根源在于地下采空引起的基巖沉陷導致土層發生形變，只有在微觀層次上研究土體變形的分布特征，才能真正建立“開采沉陷”與“斜坡穩定性”之間的關系。針對地下開采對于黃土斜坡穩定性的影響機理，涉及開采沉陷學、工程地質學和土力學等多學科理論，目前的研究還很不充分。

2)黃土礦區復雜條件下開采沉陷預計模型研究。現有的開采沉陷監測和預計模型主要是針對單一工作面開采引起的地表沉陷特征構建的。由于單一工作面開采的地表沉陷首先取決于基巖層斷裂狀態和不同的下沉模式，目前對于黃土層荷載作用下基巖開采充分程度及下陷模式缺乏有效的判別方法，現有的開采沉陷預計模型主要針對接近于充分開采的下沉模式而建立的，這些模型在應用于基巖彎曲下沉和斷裂下沉的非充分開采情形時，地表沉陷預計甚至會出現數量級上的偏差。西部黃土礦區的大型現代化礦井多采用長壁綜放工作面開采，在多工作面連續開采、跳采、分層重復開采、條帶開采等采煤條件下，地表沉陷變形往往會受到相鄰工作面開采沉陷的疊加影響，其規律與單一工作面開采情形顯著不同。目前，由于缺乏開采沉陷全過程、全礦區、高分辨率的地表時序監測數據的支持和驗證，在多工作面開采地表三維動態沉陷規律和預計模型研究方面，還有待取得突破。

3)老采空區地表長期穩定性研究。隨著煤炭開采的不斷推進，黃土礦區的老采空區面積不斷擴大，由于采空區殘留煤柱的影響，各個工作面開采的地表沉陷往往沒有達到充分下沉程度，采空區上覆巖土中仍然存在大量的離層空隙，在上覆巖層尤其是巨厚黃土層的自重荷載作用下，導致工作面間的殘留煤柱破壞而引起基巖破斷下沉，并使巖土中的離層空隙被壓縮，造成地表形變“復活”，即老采空區活化。這種情形已在銅川、彬長等礦區多處發生。針對采空區地表的安全穩定性問題，目前尚缺乏有效的探測和研究手段。現有成果主要從地質力學建模分析和形變監測方面來評價采空區的穩定性，難以揭示沉陷區內部破碎巖土中的空洞演變特征及所帶來的安全隱患。根據重力場理論，沉陷區內空洞的運移和巖土密度場的變化必然導致地表重力場變化，學術界普遍認為這種重力異常因量級小而難以進行測量和數據反演。近年來，作者探索了利用重力異常測量結合地面InSAR形變數據來反演分析采空區地表長期穩定性的可行性。由于煤礦地下采空導致的地表重力場的變化量本身較小(約50～300 μGal)，西部黃土溝壑地貌區重力場變化復雜，加上重力測量儀器本身的誤差影響，目前對于重力測量數據的噪聲處理及重力異常數據反演理論建模等方面的研究尚不深入，有待進一步開展現場試驗和反演理論研究。

4)黃土礦區采煤沉陷和地表環境損傷的時空效應研究。長期以來，學術界主要研究地表沉陷的幾何特征及其變化，將沉陷變形所引起的地表損害視為不可逆轉的破壞。西部黃土礦區地廣人稀，土地貧瘠，生態環境脆弱，開采沉陷損害不僅表現為地面沉陷、設施破壞、地質災害等不可逆的破壞形式，更多地反映在地理、地質環境的損傷方面，而這種環境損傷一方面受開采沉陷和環境條件的影響，在沉陷發展的不同階段呈現出復雜的空間分布特征，在經過較長時間自然力的作用后，也會產生一定的“恢復性”，呈現出隨時間演變的特征。目前，地理學和環境地質學者主要在現象上探討采煤對于地形因子、土壤侵蝕、土體理化特性、土地利用/覆被變化等環境因子的影響，從定性的和靜態的角度對地表環境損傷程度開展評估。隨著無人機激光掃描技術、高分辨率遙感技術的進步，在地表沉陷全過程的高分辨率時序監測數據的支持下，將揭示出黃土礦區采煤沉陷與環境損傷過程的時空效應，推進該領域科學研究與技術應用的發展。

6 結 論

1)西部黃土礦區的黃土層特性及地貌、地質條件是影響開采沉陷與地表損害規律的重要因素。現有研究成果表明，厚黃土層與基巖在開采沉陷過程中形成復雜的互饋效應，黃土山區采動過程中發生多種附加變形并與開采沉陷本身形成疊加效應，導致地表沉陷與損害的特征及其形成機理較其它礦區更為復雜。

2)黃土礦區土層和巖層2種介質具有不同的沉陷機理，常規的針對平地條件下單一長壁工作面基巖層開采沉陷原理建立的地表沉陷預計模型，難以適用于西部黃土山區多工作面開采條件。多年來，一些學者根據地表土層變形機理和山坡側向滑移特征提出了多種改進的開采預計模型，具有一定的適用性。

3)西部黃土礦區大范圍地表沉陷與損害過程復雜且影響因素眾多，由于缺乏地表沉陷全過程、全盆地、高分辨率時序監測數據的支持與驗證，目前在開采沉陷及地表變形的細觀特征和微觀機理、多工作面開采三維動態沉陷預計、采空區地表長期穩定性探測與評價、地表沉陷與環境損傷過程的時空效應等方面，還有待開展深入系統的研究。