淺埋煤層開采地表裂縫發(fā)育規(guī)律及機理研究

苗彥平，謝曉深，陳小繩，從 通，王建文，侯恩科，馮 棟

（1.陜煤集團神木紅柳林礦業(yè)有限公司，陜西 神木 719300；2.西安科技大學(xué) 地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710054；3.煤炭綠色開采地質(zhì)研究院，陜西 西安 710054；4.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077；5.陜煤集團檸條塔礦業(yè)有限公司，陜西 神木 719300）

煤炭大規(guī)模開發(fā)利用會對表生環(huán)境產(chǎn)生一定的負(fù)面影響，嚴(yán)重時會導(dǎo)致水土流失、植被枯萎、水資源枯竭等[1-3]。地表裂縫是煤礦區(qū)常見的1 種災(zāi)害類型，也是使表生環(huán)境發(fā)生改變的主要原因，特別是在淺埋煤層開采區(qū)，地表裂縫發(fā)育程度高，局部位置會與覆巖裂隙貫通，增加了礦井漏風(fēng)、潰水的危險[4-7]。

榆神府礦區(qū)是陜北1 個重要的煤炭生產(chǎn)地，煤炭資源/儲量豐富，煤質(zhì)優(yōu)良，開采條件簡單，為該區(qū)的規(guī)模開發(fā)利用奠定了基礎(chǔ)[8-10]。目前，位于榆神府礦區(qū)中北部的淺埋煤層區(qū)是主要開采區(qū)，采煤方法主要為長壁綜采、自然垮落法管理頂板，特點是工作面規(guī)模大、開采強度高[11]。由于煤層埋藏淺、地形復(fù)雜，致使該地區(qū)采煤地表裂縫發(fā)育規(guī)律和形成機理更加多變。為解決這一問題，許多學(xué)者通過野外調(diào)查、數(shù)值模擬和相似材料模擬試驗揭示了淺埋煤層開采地表裂縫發(fā)育類型和靜、動態(tài)發(fā)育特征，闡明了覆巖應(yīng)力場、裂隙場演化對地表裂縫的控制作用，并提出了對應(yīng)的治理方法[12-15]。侯恩科等[16]通過無人機航拍和人工動態(tài)監(jiān)測揭示了黃土溝壑區(qū)極淺埋煤層開采地表裂縫“先開-后合-再開”的動態(tài)發(fā)育特征；范立民等[17]榆神府礦區(qū)典型工作面誘發(fā)的地表裂縫空間展布規(guī)律進行了分形統(tǒng)計，揭示不同位置區(qū)域的地表裂縫展布特征；余學(xué)義等[18]通過數(shù)值模擬和相似材料模擬試驗揭示了溝壑區(qū)淺埋煤層開采坡體滑移、臺階裂縫和閉合裂縫的破壞特征和形成機理；謝黨虎[19]基于相似材料模擬試驗闡述了溝谷地形下采動裂縫的發(fā)育規(guī)律，建立了基本頂受力模式；車曉陽等[20]利用野外人工監(jiān)測和相似材料模擬試驗揭示了溝谷區(qū)淺埋煤層覆巖演化特征與地表裂縫發(fā)育規(guī)律之間的關(guān)系；劉輝等[21]基于薄板利用給出淺埋煤層塌陷型裂縫的形成機理，認(rèn)為關(guān)鍵層是造成塌陷型裂縫滯后發(fā)育關(guān)鍵。以上研究成果為進一步揭示黃土溝壑區(qū)淺埋煤層開采地表裂縫發(fā)育規(guī)律、闡明其形成機理奠定了基礎(chǔ)，但由于開采地質(zhì)條件的差異，地表裂縫的表現(xiàn)類型、發(fā)育規(guī)律和形成機理需要更進一步研究，為此，以檸條塔井田N1212 工作面為主要研究對象開展研究，旨在為礦井安全開采及地表環(huán)境恢復(fù)治理提供基礎(chǔ)。

1 采動地表裂縫發(fā)育規(guī)律

N1212 工作面位于檸條塔井田東部，考考烏素溝以北，地表屬黃土溝壑地貌，沖溝發(fā)育。工作面走向長1 965 m，傾向長度170.4 m 和294.4 m，開采2-2煤層，開采厚度4.8 m，平均開采深度178 m，采用綜合機械化一次性采全高，全部垮落式管理頂板。工作面上方是N1118 工作面采空區(qū)。

1.1 地表裂縫類型及表現(xiàn)特征

經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，N1212 工作面回采后地表裂縫主要有2 類，一類是臺階型裂縫，裂縫兩側(cè)具有落差，形似“臺階”，按照臺階朝向與回采方向的關(guān)系分為“正臺階”和“負(fù)臺階”2 種；另一類是呈平直狀或者弧型的拉伸型裂縫，裂縫兩側(cè)高度基本持平，無落差，由地表拉伸作用產(chǎn)生。

在調(diào)查的125 條裂縫中，裂縫寬度0.1～150 cm。其中，＜5 cm 的裂縫條數(shù)占調(diào)查裂縫的46%，5～10 cm 的裂縫條數(shù)占比為25%，10～15 cm、15～20 cm和≥20 cm 寬度的裂縫占比分別為15%、5%和9%。裂縫整體平均寬度10 cm；裂縫落差0～120 cm，平均落差為18.6 cm。以5 cm 落差高度分界值劃分發(fā)現(xiàn)，＜5 cm 落差的裂縫占比為42%，5～10 cm、10～15 cm、15～20 cm 落差的裂縫占比分別為9%、7%和8%，≥20 cm 落差的裂縫占比達到34%。野外調(diào)查中，寬大裂縫大多分布在N1212 工作面和N1118 工作面疊置區(qū)域、坡頂?shù)任恢?。地表裂縫特征如圖1。

圖1 地表裂縫特征Fig.1 Characteristics of surface cracks

1.2 地表裂縫展布特征

N1212 工作面地表裂縫展布圖如圖2。從圖2中可以看出，N1212 工作面地表裂縫展布特征明顯，垂直回采方向的裂縫以相互間隔平行的方式展布在面內(nèi)和切眼外側(cè)（已被填埋），相鄰2 條裂縫之間間隔距離8～15 m，平均在10 m 左右；平行回采方向的裂縫以平行并列的方式展布在工作面巷道附近。

圖2 N1212 工作面地表裂縫展布圖Fig.2 Surface crack distribution of N1212 working face

1.3 地表裂縫活動特征

為全面揭示黃土溝壑區(qū)N1212 工作面采動地表裂縫活動特征，選取了面內(nèi)平行切眼裂縫和平行巷道裂縫進行地表裂縫活動監(jiān)測，其中，根據(jù)發(fā)育位置，又將面內(nèi)平行切眼裂縫分為了坡頂、正向斜坡、反向斜坡以及坡腳4 類。

地表裂縫活動曲線如圖3。從圖3 可以看出，N1212 工作面采動地表裂縫具有2 種活動特征，1種是“只開不合”的活動特征，即裂縫寬度由小變大再穩(wěn)定，主要發(fā)育在平行巷道裂縫以及位于坡頂、正向斜坡位置的面內(nèi)平行切眼裂縫，活動周期為4～9 d，另一種是“先開后合”的單峰活動特征，即裂縫寬度變現(xiàn)出由小變大再減小至穩(wěn)定的活動特征，主要發(fā)育在位于坡腳和逆向斜坡的面內(nèi)平行切眼裂縫中，裂縫活動周期為4～5 d。

圖3 地表裂縫活動曲線Fig.3 Surface cracks activity curves

2 采動地表裂縫形成機理

以N1212 工作面地質(zhì)條件為原型，采用顆粒流數(shù)值模擬軟件PFC2D構(gòu)建數(shù)值模擬模型，模擬2-2煤層開挖過程中覆巖及地表移動破壞過程，揭示地表裂縫的形成機理。數(shù)值模擬模型如圖4。

圖4 數(shù)值模擬模型Fig.4 Numerical simulation model

據(jù)《開采損害學(xué)》介紹，一般情況下，當(dāng)工作面走向回采長度大于1.4H（H 為平均埋深）時，地表達到充分采動。N1212 工作面地表達到充分采動的走向臨界回采長度為250 m，為保障達到該值，將模型尺寸定為：700 m×228.6 m，共劃分17 層巖體結(jié)構(gòu)。模型模擬開采2-2煤300 m，采用平行黏結(jié)模型，為消除邊界效應(yīng)對數(shù)值模擬結(jié)果的影響，設(shè)計模型時在開切眼和停采線2 側(cè)各生成200 m 邊界，共開挖30次，每步煤層開挖10 m。

2.1 力鏈演化規(guī)律

模型初始力鏈分布特征如圖5。覆巖應(yīng)力演化特征如圖6。

圖5 模型初始力鏈分布Fig.5 Model initial force chain distribution

圖6 力鏈演化特征圖Fig.6 Force chain evolution characteristic diagrams

從圖5 中可以看出，模型由深至淺，顆粒間力鏈強度逐漸減弱，符合自然條件下覆巖應(yīng)力分布特征，表明模型滿足開采要求。

從圖6（a）～圖6（d）可以看出，隨著煤層不斷被開采，上覆巖層應(yīng)力發(fā)生改變。切眼位置和回采位置的煤柱是應(yīng)力集中區(qū)，力鏈強度高，采空區(qū)上方應(yīng)力強度由強變?nèi)?，強度值減小，且上覆巖層應(yīng)力狀態(tài)呈現(xiàn)出“拱形”，表明上覆巖層仍具有一定的支撐力。隨著采空區(qū)范圍不斷擴大，“應(yīng)力拱”形態(tài)范圍也逐漸增大，高度不斷上升，表明隨著煤層推采，上覆巖層破壞高度不斷上升。當(dāng)回采結(jié)束，覆巖應(yīng)力“拱”的形態(tài)不再明顯，覆巖應(yīng)力呈現(xiàn)出強、弱力鏈混合狀態(tài)，強力鏈主要位于切眼和停采線附近，并向采空區(qū)方向偏移，但由于采空區(qū)范圍較大，強力鏈拱的強度不能承受采空導(dǎo)致的覆巖破壞，強力鏈拱作用弱化，應(yīng)力分散到其余基巖顆粒，說明此時采動覆巖破壞已達到地表，如圖6（e）。

2.2 覆巖及地表破壞特征

工作面推采10 m 時覆巖演化如圖7。工作面推采20 m 時覆巖演化如圖8。工作面推采30 m 覆巖演化如圖9。工作面推采50 m 覆巖演化如圖10。工作面推采300 m 覆巖特征如圖11。

圖7 工作面推進10 mFig.7 Working face advancing 10 m

圖8 工作面推進20 mFig.8 Working face advance 20 m

圖9 工作面推進30 mFig.9 Working face advancing 30 m

圖10 工作面推進50 mFig.10 Working face advancing 50 m

圖11 工作面推進300 mFig.11 Working face advancing 300 m

由圖7 可以看出，當(dāng)工作面推采10 m 時，煤層上覆巖層整體未發(fā)生斷裂和垮落，仍對其上覆巖層具有支撐作用。但從微觀角度看出，模型顆粒間開始出現(xiàn)不聯(lián)通的微小裂縫，表明巖體在重力作用下發(fā)生彎曲變形，內(nèi)部開始形成微小破裂，只是尚沒有達到其極限值。

由圖8 可以看出，隨著煤層不斷開挖，當(dāng)采煤工作面推進至20 m，采空區(qū)上覆巖層微小裂隙開始逐漸聯(lián)通并組合形成拱形，與覆巖應(yīng)力演化相對應(yīng)。裂隙兩端逐步向上發(fā)育，但頂板仍未發(fā)生垮落。

由圖9 可以看出，當(dāng)采煤工作面推進30 m 時，采空區(qū)范圍進一步擴大，上覆基巖裂隙開始密集發(fā)育并相互聯(lián)通，巖層彎曲下沉達到其極限值，頂板發(fā)生垮落，充填至采空區(qū)，但垮落區(qū)域未壓密實，從圖9 中看出垮落形態(tài)與“應(yīng)力拱”相似，也呈拱形。切眼以及回采位置煤柱上方微裂隙發(fā)育密集且高度較高，說明這2 處所受應(yīng)力較強且集中。

由圖10 可以看出，當(dāng)采煤工作面推進50 m，微裂隙不僅向上發(fā)育，采空區(qū)下方逐漸出現(xiàn)向下發(fā)育的裂隙，隨著微裂隙逐漸貫通形成大型裂隙，覆巖發(fā)生2 次垮落，覆巖破壞高度上升，前一步形成垮落區(qū)域進一步擠壓密實，覆巖開始進入周期性垮落階段。回采位置前方地表開始出現(xiàn)裂縫。

從圖11 中可以看出，當(dāng)模型開挖結(jié)束，上覆巖層均發(fā)育大量裂隙，且上覆巖層裂隙與地表裂縫發(fā)生貫通，表明導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育至地表。導(dǎo)水裂隙帶形態(tài)呈“倒梯形”，從裂縫發(fā)育密集程度而言，切眼上方地表裂隙密集程度相對高，表明切眼上方地表裂縫發(fā)育程度高、地表破壞程度大。

分析認(rèn)為：N1212 工作面回采覆巖破壞以“拱”型向前擴展，頂板初次垮落步距約30 m，周期垮落步距約10 m；覆巖破壞高度發(fā)育至地表，即導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育至地表，呈“倒梯”形。地表裂縫由拉張作用產(chǎn)生，超前發(fā)育，隨工作面回采逐漸與覆巖裂隙發(fā)生貫通。

2.3 地表移動變形特征

煤層推進過程中地表下沉盆地逐漸擴展成形。地表下沉曲線如圖12。

圖12 地表下沉曲線Fig.12 Surface subsidence curves

從圖12 可以看出，地表下沉曲線近似呈現(xiàn)“U”型，地表最大下沉點隨回采逐漸向前推移，當(dāng)煤層回采300 m 時，地表最大下沉量為4 740 mm，位于采空區(qū)中心位置附近。切眼位置地表曲線彎折程度大，斜率增速大，說明該處水平變形明顯，大于地表其它位置，也表明切眼上方地表裂縫發(fā)育程度高，與前文覆巖及地表裂隙發(fā)育相一致。

地表水平移動分為正值和負(fù)值，與工作面回采方向相同的位移方向為正，反之為負(fù)，地表水平位移曲線如圖13。

圖13 地表水平位移曲線Fig.13 Surface horizontal displacement curves

由圖13 可知，隨工作面回采，地表水平移動量逐漸增大，影響范圍逐漸前移，且具有超前性；采空區(qū)上方部分地表點水平移動量均呈現(xiàn)出“零-負(fù)值-正值”的變化特點，表明地表點隨回采先受拉張力逆回采方向移動，后因壓縮順回采方向移動特征，很好的解釋了地表裂縫“先開后合”的活動特征。此外，切眼及停采線上方地表水平移動量無正負(fù)轉(zhuǎn)化特點，切眼上方始終為正值，最大值為1 673 mm，停采線上方始終為負(fù)值，最大值為-791 mm，表明工作面邊界上方地表裂縫無閉合特點，工作面煤巷上方地表裂縫亦有此特點，與實際調(diào)查相吻合。

分析認(rèn)為：淺埋煤層開采地表裂縫的產(chǎn)生與地表水平移動和覆巖內(nèi)部裂隙發(fā)育均有關(guān)，而裂縫“先開后合”活動特征則與地表“拉伸-壓縮”水平移動轉(zhuǎn)化相關(guān)；“只開不合”的活動特則是地表只發(fā)生拉伸移動導(dǎo)致的，一般位于工作面邊界上方。而面內(nèi)地表裂縫“只開不合”的活動特征則與黃土溝壑的滑坡體滑移量有關(guān)。

3 結(jié) 論

1）淺埋煤層開采地表裂縫多以“臺階狀”和“平直狀”形態(tài)發(fā)育，“臺階狀”＞10 cm 寬度的裂縫占比29%，＞10 cm 落差高度的裂縫占比49%。地表裂縫存在“只開不合”和“先開后合”2 種活動特征，前者發(fā)育在工作面邊界上方地表裂縫以及位于坡頂、正斜坡位置的面內(nèi)平行切眼裂縫中，后者主要發(fā)育在坡腳和逆斜坡位置的面內(nèi)平行切眼裂縫中。

2）淺埋煤層開采上覆巖層應(yīng)力和破壞呈“拱”型向前擴展，頂板初次垮落步距約30 m，周期垮落步距約10 m；覆巖內(nèi)部裂隙與地表裂縫相互貫通，最終導(dǎo)水裂隙帶形態(tài)呈“倒梯”形。

3）淺埋煤層開采地表裂縫超前回采位置產(chǎn)生，與地表水平移動和覆巖內(nèi)部裂隙發(fā)育有關(guān)；裂縫“先開后合”活動特征則與地表“拉伸-壓縮”的水平移動轉(zhuǎn)化有關(guān)。“只開不合”的活動特征則是地表水平拉伸無壓縮的導(dǎo)致的，且與工作面邊界地表水平移動和坡體的滑移密切相關(guān)。