地下水枯竭下松散含水层失水与地表协同沉降规律研究

《International Journal of Coal Science & Technology》：The coordinated settlement patterns between loose aquifer loss and surface ground due to groundwater depletion

　　本研究针对煤矿开采扰动及抽水导致的地下水流失引发松散含水层压缩和地表沉降问题，构建了“天-地-地下”三维沉降观测网络，采用分布式光纤传感技术（BOFDA）与时间序列InSAR（SBAS-InSAR）相结合的方法，揭示了第四含水层持续压缩和第三隔水层黏土弱化是地表沉降的主控因素，并建立了层-地协同沉降模型，为矿区地质灾害防控提供重要理论依据。

　　

在煤炭开采过程中，采矿扰动和人工抽水导致的地下水流失会引发松散含水层的压缩，进而造成地表沉降，严重威胁煤矿安全生产。随着矿区地下水持续超采，松散层失水沉降问题日益突出，但非采矿因素对松散含水层失水沉降的影响机制尚不明确。为此，研究人员在淮北煤田某矿区工业广场区域展开深入研究，通过构建“天-地-地下”一体化观测系统，揭示了深层含水层压缩与地表沉降的协同规律。相关成果发表于《International Journal of Coal Science & Technology》，为矿区地质灾害预警和生态修复提供了重要依据。

本研究主要依托分布式光纤传感技术（BOFDA）、SBAS-InSAR地表形变监测、水文动态监测（KJ402系统）以及土工力学实验等关键技术方法，结合矿区已有地质与水文地质数据，对松散层分层变形特征进行系统观测。研究样本来源于矿区工业广场布置的K1、K2、K3三个光纤观测孔及配套水文观测孔，通过长期监测获取了各层位应变数据与地下水动态变化信息。

2.1 松散层变形规律分析

通过分布式光纤监测发现，浅部第一含水层、第一隔水层及第二含水层变形呈现季节性波动，春夏膨胀、秋冬压缩，受降水和温度影响显著。深层第四含水层和第三隔水层则持续压缩，其中第四含水层压缩量与水头变化呈线性关系（R2最高达0.669），是其变形主因。第三隔水层中黏土因蒙脱石遇水膨胀发生弱化，弱化程度与埋深、地下水活动性相关，进一步加剧了层位压缩。

2.2 深层含水层变形机制

水文监测显示，第四含水层水头持续下降，地下水流动方向由W2、W3向W1迁移，最大水头降幅达0.9?m。结合土工试验数据，第三隔水层中蒙脱石体积膨胀率与含水率正相关，其弱化现象在近含水层、水流活跃区（如K2孔）尤为显著。深层含水层压缩变形符合有效应力原理，变形量可通过水头变化量及压缩模量定量表征。

2.3 地表变形规律

SBAS-InSAR监测表明，研究区地表整体持续沉降，年均沉降速率达0.57–5.46?mm/a，西北部沉降速率较高。通过多元线性回归建立地表沉降（y）与第四含水层变形（X1）、第三隔水层变形（X2）的关系模型：y=3.987X1-0.135X2-1.114（R2=0.517），证实深层含水层失水是地表沉降的主要诱因。

4 结论与讨论

本研究通过多技术融合揭示了松散层-地表协同沉降机制，明确第四含水层失水压缩和第三隔水层黏土弱化是主导因素。建立的层-地协同模型为矿区沉降预测提供了新方法。未来需优化光纤-填料耦合工艺，结合人工智能提升数据信噪比，并拓展二维沉降监测网络，以进一步提升模型的普适性与精度。该研究对矿区水资源管理与地质灾害防治具有重要实践意义。