潞安矿区煤炭开采沉陷主要控制因素分析

刘东海，邓念东，姚 婷

(1.西安科技大学 地质与环境学院，陕西 西安 710054； 2.重庆市地质矿产勘查开发局107地质队，重庆 401120)

潞安矿区是我国重要的煤炭生产基地，位于山西省上党盆地沁水煤田东南部，矿区内煤炭资源储量丰富，分布有五阳、常村、王庄、漳村、司马、屯留等大型煤矿[1]。长期的煤炭开采活动导致地表沉陷面积达64.23 km2，造成了土地资源、建筑物、水体等的破坏，截至2013年，潞安矿区因采空区塌陷造成的经济损失高达24 854.33 万元[2]，开采沉陷问题严重制约了潞安矿区可持续发展的进程。研究表明，煤炭开采沉陷的产生和发展与地质、采矿条件有着密切的联系[3]，不同的地质、采矿条件下，煤矿开采引起的岩层和地表移动存在较大的差异，地表沉陷破坏类型也各不相同。基于上述原因所致的地表沉陷，相关科技工作者已做过许多深入的研究，并取得了较为成熟的研究成果。崔锋等根据峰峰矿区现有的地质条件，采用数值模拟手段研究了断层活化造成地表异常沉陷的影响因素，并建立了断层活化力学模型[4]；于秋鸽等通过引入地表下沉偏态程度，分析了各种因素对地表偏态下沉的影响，并利用数值模拟手段分析了松散层厚度对地表偏态下沉的影响[5]；高玉兵等采用现场实测和数值模拟等方法对不同基岩厚度、不同岩性地层进行模拟分析，研究了不同采动情况及不同地质条件下的地层变形特征[6]；宋世杰、赵晓光等采用灰色关联分析、主成分分析等方法筛选出影响陕北榆神府矿区开采沉陷的关键地矿因素[7-8]；罗海燕等利用正交试验系统分析了条带工作面采宽、留宽和煤体强度对采场沉陷的综合影响规律[9]；许国胜等通过多元线性回归分析，指出影响地表最大下沉速度滞后角正切值的主要因素是煤层上覆岩层的岩性强弱[10]；赵兵朝等通过数值模拟及正交试验分析得出厚松散层浅埋深煤层开采条件下地表最大下沉值的影响因素及其影响程度的排序[11-12]。

有关潞安矿区煤炭开采沉陷影响因素的研究较少。笔者从地质赋存条件和开采设计工艺2个方面初选出9个影响因子，并利用收集的潞安矿区10个工作面的地质采矿资料及观测资料对其进行灰色关联度分析和回归预计，进而确定出潞安矿区开采沉陷的主要控制因素，为潞安矿区的开采沉陷预计和防治提供理论依据，研究分析对矿区生态环境保护和推动绿色矿山建设具有重要的现实意义。

1 潞安矿区开采沉陷机理

潞安矿区地处长治盆地西部，广为厚湿陷性黄土覆盖。主采二叠系山西组3#煤层，煤层倾角为3°～8°，属近水平煤层，平均厚度为6.42 m，采高为5.61～7.23 m，煤层开采厚度大；煤层埋深一般在300 m左右。基岩以砂岩和砂质泥岩为主，覆岩类型属中硬，松散层厚度为0～150 m。采用综采放顶煤开采、全部陷落法控制顶板[13]。在煤炭开采过程中，随着工作面的不断推进，上覆岩层移动经历破裂→平衡→再破裂→再平衡的动态发展过程。随着开采范围的不断扩大，岩层的移动变形范围逐渐波及到地表，地表点经历开始移动→剧烈移动→移动停止的全过程，工作面煤炭开采停止后，经过长期缓慢的移动变形，地表会呈现为下沉盆地的形态[14]。当深厚比小于30时，地表沉陷为非连续变形；当深厚比大于30时，地表沉陷为连续变形[15]。潞安矿区的深厚比普遍在30以上，其地表沉陷一般为连续变形。潞安矿区煤层上覆基岩在开采后易发生冒落，顶板随采随垮，从而形成3种不同的采动影响带，即垮落带、断裂带和弯曲带。工作面采用综放开采方式一次采全高，采高及基岩厚度均较大，由于工作面推进速度快，开采强度大，顶板卸压速率快，导致基岩内部产生近似连续变形，离层、裂隙未得到充分发育便成块垮落，使得上覆岩层破坏异常剧烈，致使活跃期内地表移动变形更为剧烈且集中，从而加剧了地表的沉陷变形；由于松散层抗弯能力很差，相当于荷载上覆于基岩，加剧了岩层的移动破坏。与一般地质、采矿条件相比，上述因素导致地表下沉量增大，地表沉陷变形异常活跃；对采动影响范围广，其破坏性大，对地面建筑物的影响明显。

2 煤炭开采沉陷影响因素的灰色关联分析

2.1 灰色关联分析原理

灰色关联分析是通过灰色关联度来分析和确定系统因素间的影响程度或因素对系统主行为的贡献测度的一种方法，其计算步骤主要为：①确定母因素与子因素。将反映系统行为特征的某个因素作为母因素，将影响系统行为的因素作为子因素。②构建原始数据矩阵。通过搜集多组在不同时间不同空间内观测得到的母因素和子因素的相关数据，建立原始数据矩阵。③数据无量纲化处理。常用的方法有初值化和均值化。④绝对差值计算。计算各个子因素与母因素之间的绝对差值，并构建绝对差值矩阵。⑤计算关联系数矩阵。⑥计算关联度。计算关联系数各序列的平均值，即关联度，从而对子因素和母因素之间的相关程度进行总体比较。

2.2 影响因素选取

开采沉陷的影响因素较多，其中地质因素和采矿因素起主要影响作用。地质因素对开采沉陷起主要控制作用，影响开采沉陷的地质因素主要有覆岩结构、覆岩的物理力学性质、煤层倾角、松散层性质、构造环境等。采矿因素对开采沉陷起诱发作用，采空区的形成是地表沉陷的决定因素，煤炭资源的赋存状态和煤炭开采方式直接影响着地表沉陷的类型和特征；采矿因素主要有采高、采深、开采尺寸、开采工艺和顶板管理方法等[16]。笔者依据前人对潞安矿区煤炭开采沉陷机理的分析[17-18]，充分考虑潞安矿区的自身特点，结合实际的地质、采矿条件，遵循科学性、代表性和易操作性的原则，初选出 9个影响因素，如表1所示。

表1 开采沉陷影响因素

2.3 原始数据采集

笔者收集了潞安矿区10个典型工作面的地质和采矿条件等资料、观测数据[1]，将其整理分析后，以表征开采沉陷强度的地表下沉系数作为母因素X0，将选取出的9个影响因素作为子因素，得到灰色关联分析的原始数据矩阵，如表2所示。

表2 潞安矿区煤炭开采沉陷影响因素原始数据

2.4 灰色关联度计算结果

经过计算，可得到各影响因素与地表下沉系数的灰色关联度。关联度用G(0,i)表示，其中i代表第i个影响因素。选取的9个子因素与母因素的灰色关联度大小如表3所示。

表3 灰色关联度计算结果

由表3可以看出，将灰色关联度按照由大到小的顺序排列，得到灰色关联度排序如下：G(0,5)>G(0,7)>G(0,4)>G(0,9)>G(0,6)>G(0,8)>G(0,3)>G(0,1)>G(0,2)。即各因素对煤炭开采沉陷影响程度的大小依次为：采高M>工作面倾向长度D1>覆岩综合硬度Q>扰动系数n>采深H0>工作面走向长度D3>基岩厚度H岩>煤层倾角α>松散层厚度H土。

由灰色关联度计算结果可以看出，采高M、工作面倾向长度D1和覆岩综合硬度Q的灰色关联度均在0.800以上，其中采高M与地表下沉系数的关联度最大为0.850，工作面倾向长度D1和覆岩综合硬度Q次之，说明上覆岩层的力学性质和煤炭开采强度在很大程度上决定着煤炭开采沉陷损害的程度。上覆岩层力学性质体现了矿山地质环境抗损害的能力，而煤炭开采强度则体现了人类活动对矿山地质环境的破坏能力，二者之间的抗衡则通过地表沉陷程度得以表现[19]。扰动系数n、采深H0、工作面走向长度D3及基岩厚度H岩与地表下沉系数的关联度介于0.700～0.800，煤层倾角α与地表下沉系数的关联度超过0.650，表明开采沉陷损害的程度与覆岩的结构、煤层自身倾角大小及工作面的尺寸有着密切的联系。松散层厚度H土与地表下沉系数的关联度最小为0.531。

3 煤炭开采沉陷影响因素的逐步回归分析

3.1 回归模型建立

在自变量较多的情况下可通过逐步回归分析确定主要影响因素。逐步回归分析的基本思路是将变量逐个引入回归方程，每引入一个新的变量，便对引入的所有变量进行检验，当已引入的变量由于新变量的引入而变得不再显著时，便将其剔除，以保证引入的变量都是显著的，如此反复进行，直到不再引入新变量为止。

根据以上灰色关联度分析结果，将采高、工作面倾向长度、覆岩综合硬度、扰动系数、采深、工作面走向长度、基岩厚度、煤层倾角、松散层厚度9个影响因素作为自变量，地表最大下沉系数作为因变量，选取表2中第1～8组数据进行逐步回归分析。选取不同的阈值时，引入的自变量及回归方程的显著性检验结果如表4所示。

表4 逐步回归分析结果

由表4可知，当阈值为7.2时，引入方程的变量只有采高和覆岩综合硬度；将阈值减小至1.7时，同时引入了基岩厚度和松散层厚度；当阈值为1.0时，扰动系数、工作面倾向长度依次被引入，此时回归方程的复相关系数最大为1.000，标准差最小为0.004，回归方程最显著，对应的地表最大下沉系数与煤炭开采沉陷影响因素之间的线性回归方程为：

Y=-0.537+0.036X5+0.219X4-0.001X3+0.001X2-0.097X9+0.002X7

由偏回归系数可知，采高、覆岩综合硬度、松散层厚度，以及工作面倾向长度与地表下沉系数呈正相关关系；基岩厚度、扰动系数与地表下沉系数呈负相关关系。由偏回归系数可知各变量对地表下沉系数的贡献率大小依次为：覆岩综合硬度>扰动系数>采高>工作面倾向长度>基岩厚度、松散层厚度。

3.2 模型验证

运用回归模型，对潞安矿区10个工作面煤炭开采的下沉系数进行预计，并与实测值进行对比，实测值和回归预计值对比如表5所示。

表5 地表下沉系数实测值和回归预计值对比

由表5可知，最小偏差为0.003，最大偏差为0.057，平均偏差为0.032。说明该预计模型对潞安矿区典型工作面煤炭开采下沉系数预计效果较好，精度能够满足实际需求。

3.3 主要控制因子筛选

根据灰色关联度计算与逐步回归分析结果，将各因素对煤炭开采沉陷的影响程度进行对比，最终筛选出主要控制因子。各影响因素贡献率大小排序如表6所示。

表6 影响因素贡献率大小排序

由表6可知，灰色关联分析和逐步回归分析的结果均表明：采高、覆岩综合硬度、工作面倾向长度、扰动系数对煤炭开采沉陷的影响程度较大，因此，最终选择覆岩综合硬度、采高、工作面倾向长度、扰动系数作为潞安矿区煤炭开采沉陷的主要控制因素。

4 结论

1)从地质赋存条件和开采设计工艺两个方面初选出9个影响因素，并对其进行灰色关联度分析，得到各因素对煤炭开采沉陷影响程度的排序：采高>工作面倾向长度>覆岩综合硬度>扰动系数>采深>工作面走向长度>基岩厚度>煤层倾角>松散层厚度。

2)以地表最大下沉系数为因变量，各影响因素为自变量，建立煤炭开采沉陷回归模型，得到了地表最大下沉系数与煤炭开采沉陷影响因素之间的线性回归方程，其复相关系数最大为1.000，标准差最小为0.004，显著性较高，且据其得到的回归地表最大下沉系数与实测值的平均偏差为0.032，能较准确地反映煤炭开采沉陷与各影响因子之间的线性关系。

3)通过灰色关联度计算和逐步回归分析，最终确定潞安矿区采煤沉陷的主要控制因素为覆岩综合硬度、采高、工作面倾向长度及扰动系数。