淺埋煤層過(guò)溝開(kāi)采覆巖裂隙與地表裂縫演化規(guī)律數(shù)值模擬

魏江波，王雙明，宋世杰，孫 強(qiáng)

(1.西安科技大學(xué) 地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710054；2.陜西省煤炭綠色開(kāi)發(fā)地質(zhì)保障重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054；3.西安科技大學(xué) 煤炭綠色開(kāi)采地質(zhì)研究院，陜西 西安 710054)

黃土溝壑地貌作為陜北礦區(qū)重要且典型的地貌類(lèi)型之一，廣泛分布于神府礦區(qū)，對(duì)井下安全生產(chǎn)和地表生態(tài)穩(wěn)定都會(huì)產(chǎn)生顯著影響[1]。其中，溝谷處因松散層被大量沖蝕導(dǎo)致基巖裸露，煤層開(kāi)采擾動(dòng)下地表采動(dòng)損害問(wèn)題更加突出，例如地裂縫密集發(fā)育，而且引起井下礦壓陡增，誘發(fā)潰水等安全事故[2-3]。因此，研究并揭示過(guò)溝開(kāi)采條件下覆巖破壞規(guī)律及其地表變形效應(yīng)，對(duì)實(shí)現(xiàn)陜北礦區(qū)安全、綠色開(kāi)采具有重要的科學(xué)和實(shí)踐意義。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者通常將過(guò)溝開(kāi)采視為淺埋煤層開(kāi)采的一種特殊形式，采用現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)[4-5]、物理模擬[6-8]和數(shù)值模擬[9-12]等方法，研究其覆巖破壞及地表裂縫發(fā)育規(guī)律，并取得了一批有價(jià)值的研究成果。近些年，數(shù)值模擬方法因其操作簡(jiǎn)單、成本低、精度高、對(duì)比性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于淺埋煤層過(guò)溝開(kāi)采覆巖破壞及采動(dòng)裂縫的相關(guān)研究[13]。黃慶享等[14]采用FLAC模擬分析了陜北淺埋煤層群開(kāi)采的覆巖和地表裂縫的發(fā)育特征和規(guī)律，揭示地表裂縫的形成機(jī)理，并指出其主要由地表拉應(yīng)力導(dǎo)致。侯恩科等[15]運(yùn)用FLAC 軟件對(duì)陜北淺埋煤層過(guò)溝開(kāi)采覆巖破壞規(guī)律和地表裂縫發(fā)育特征進(jìn)行了模擬研究，認(rèn)為地裂縫寬度與地形的差異性變化密切相關(guān)。李建偉等[16]基于FLAC 數(shù)值方法對(duì)溝谷地形下煤層開(kāi)采對(duì)覆巖應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)和地表破壞場(chǎng)的演化規(guī)律進(jìn)行了模擬分析，揭示采動(dòng)作用在溝谷不同部位的地表破壞機(jī)制。孫學(xué)陽(yáng)等[17]采用FLAC 模擬得出淺埋煤層過(guò)溝開(kāi)采的地表應(yīng)力集中區(qū)為地表采動(dòng)裂縫發(fā)育的相對(duì)位置，并分析了溝深、坡度和溝谷跨度等地質(zhì)條件對(duì)地表裂縫發(fā)育位置的影響。

淺埋煤層過(guò)溝開(kāi)采往往造成貫穿覆巖、直達(dá)地表的采動(dòng)裂隙發(fā)育。此類(lèi)裂隙發(fā)育的過(guò)程一般始發(fā)于采動(dòng)作用下巖層內(nèi)的細(xì)小開(kāi)裂，后經(jīng)巖層內(nèi)或跨層的擴(kuò)展延伸逐漸發(fā)育成巖層破斷裂隙和離層裂隙，最后豎向貫通至地表形成地裂縫。然而，前述成果大多基于連續(xù)介質(zhì)的有限差分法原理進(jìn)行模擬分析，通過(guò)辨識(shí)和計(jì)算塑性區(qū)、主應(yīng)力等數(shù)值變化，間接描述淺埋煤層過(guò)溝開(kāi)采覆巖采動(dòng)裂隙發(fā)育特征的最終狀態(tài)，但與覆巖內(nèi)細(xì)小裂隙的形成、擴(kuò)展、延伸等發(fā)育初期的非連續(xù)變形特征有著較大的本質(zhì)差異，且模擬結(jié)果直觀性不高、精度不足，不利于真實(shí)準(zhǔn)確地掌握淺埋煤層過(guò)溝開(kāi)采覆巖采動(dòng)裂隙發(fā)育全過(guò)程的動(dòng)態(tài)特征及規(guī)律。

PFC (Partical Flow Code)是基于顆粒流離散元原理的數(shù)值模擬方法，能夠克服傳統(tǒng)連續(xù)介質(zhì)模型的連續(xù)性假設(shè)，較好地處理非連續(xù)介質(zhì)力學(xué)問(wèn)題，有效地模擬介質(zhì)的開(kāi)裂、分離等非連續(xù)現(xiàn)象。PFC 模擬淺埋煤層過(guò)溝開(kāi)采，不僅可以辨識(shí)采動(dòng)覆巖裂隙及地表裂縫發(fā)育的最終狀態(tài)，也可以精確模擬巖體破壞時(shí)微裂隙(最小模擬單元體之間的破壞裂隙)的產(chǎn)生、延伸和擴(kuò)展的動(dòng)態(tài)演化過(guò)程及規(guī)律[18]。Zhao Jianjun 等[19]采用PFC 研究了坡體表面采動(dòng)裂縫的形成規(guī)律和機(jī)制；武猛猛[20]、江成浩[21]等運(yùn)用PFC 數(shù)值軟件模擬分析了采空區(qū)覆巖破壞及裂隙分布特征。已有學(xué)者基于顆粒流離散元方法對(duì)采空區(qū)覆巖的非連續(xù)變形過(guò)程進(jìn)行了模擬分析，說(shuō)明該方法在采煤覆巖變形破壞過(guò)程的模擬是可行的，但對(duì)于巖層的破壞由微小裂隙逐漸貫通發(fā)育成縫的全過(guò)程分析并不全面。因此，為更系統(tǒng)地研究淺埋煤層過(guò)溝開(kāi)采覆巖采動(dòng)裂隙及地表裂縫發(fā)育的全過(guò)程。筆者以陜北安山井田125203 工作面菜溝段5-2煤層覆巖為地質(zhì)原型，采用PFC 構(gòu)建顆粒流數(shù)值模型，模擬分析淺埋煤層過(guò)溝開(kāi)采覆巖微裂隙的發(fā)育特征及對(duì)地裂縫發(fā)育規(guī)律的影響，以期為陜北礦區(qū)采動(dòng)損害防控提供依據(jù)。

1 研究區(qū)地質(zhì)特征

安山井田位于陜西省榆林市府谷縣廟哈孤礦區(qū)東南部，全區(qū)為黃土溝壑地貌。根據(jù)鉆孔揭露可知，井田地層由老至新依次為侏羅系下統(tǒng)富縣組(J1f)、中統(tǒng)延安組(J2y)、新近系(N2)及第四系(Q)。該井田主采煤層為5-2煤，埋深20～50m，煤層平均厚度2.5m。采用綜合機(jī)械化采煤方法開(kāi)采。125203 工作面作為安山井田的代表性工作面，位于井田西北部。該工作面頂板主要為粉砂巖和細(xì)砂巖，基巖上為第四系黃土覆蓋。地表發(fā)育一條季節(jié)性河流菜溝斜穿工作面區(qū)域，其主溝最大深度為25 m，跨度為224 m，兩側(cè)坡角均約19°，溝底煤層埋深最淺，約20 m，溝底基巖出露。受煤炭開(kāi)采影響，坡體及溝底產(chǎn)生大量的地表裂縫(圖1)。

圖1 野外地表裂縫Fig.1 Field surface cracks

2 數(shù)值模型構(gòu)建

PFC 基于牛頓第二定律和廣義胡克定律，運(yùn)用黏結(jié)顆粒力學(xué)模型中顆粒的相互作用和移動(dòng)模擬巖體的力學(xué)特性和變形特征[22]。黏結(jié)顆粒力學(xué)模型是在散體顆粒間施加黏結(jié)(類(lèi)似膠結(jié)物)，形成具有抗拉、抗彎、抗壓和抗剪等力學(xué)特性的塊體結(jié)構(gòu)[23]。黏結(jié)的破壞可引起巖體的開(kāi)裂和分離，可很好地模擬巖體擾動(dòng)裂隙的產(chǎn)生、擴(kuò)展和延伸，甚至巖體的破斷等損傷過(guò)程。

針對(duì)125203 工作面菜溝段地層剖面構(gòu)建顆粒流數(shù)值模型(圖2)。模型長(zhǎng)400 m，高57 m，左、右和底面為固定邊界，上頂面根據(jù)實(shí)際地表形態(tài)構(gòu)建，為自由邊界。模型層狀結(jié)構(gòu)按照覆巖實(shí)際地層層序和巖性進(jìn)行設(shè)置，各巖層內(nèi)設(shè)置適量的隨機(jī)節(jié)理模擬巖層內(nèi)的原生裂隙。考慮到計(jì)算效率及計(jì)算精度多方面要求，顆粒尺寸按照一定比例進(jìn)行擴(kuò)大[24]，顆粒半徑范圍為0.2～0.4 m。

圖2 125203 工作面菜溝段顆粒流數(shù)值模型Fig.2 Numerical model of particle flow in Cai ditch section of working face 125203

考慮到實(shí)際巖石的抗彎、抗扭轉(zhuǎn)和顯著的拉壓不對(duì)稱(chēng)性特性[25]，本文黏結(jié)顆粒模型選取使用較為廣泛的平行黏結(jié)模型(Parallel Bonded Model)，并引入彎矩貢獻(xiàn)因子。該模型具有一定的剛度和黏結(jié)強(qiáng)度特性，相較于點(diǎn)黏結(jié)模型不僅可以傳遞力，也可以傳遞力矩，可以更好地模擬煤巖體的抗拉和抗扭轉(zhuǎn)能力[26]。在顆粒運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，顆粒間的相互作用力和力矩不斷更新，當(dāng)顆粒間應(yīng)力大于黏結(jié)強(qiáng)度時(shí)，黏結(jié)發(fā)生破壞，微裂隙產(chǎn)生。平行黏結(jié)模型本構(gòu)模型如圖3 所示，對(duì)于二維模型中平行黏結(jié)的最大法向應(yīng)力和切向應(yīng)力表達(dá)公式[27]如下：

圖3 平行黏結(jié)模型本構(gòu)模型Fig.3 Constitutive model of parallel bond model

PFC 模型中的力學(xué)強(qiáng)度參數(shù)(密度ρ，有效彈性模量E*、黏聚力c、抗拉強(qiáng)度σc、力矩貢獻(xiàn)系數(shù)β、摩擦因數(shù)μ等)通常采用力學(xué)強(qiáng)度試驗(yàn)(單軸壓縮試驗(yàn)和巴西劈裂試驗(yàn)等)反復(fù)調(diào)試獲取[28]。通過(guò)多次調(diào)試，獲得數(shù)值模型力學(xué)強(qiáng)度參數(shù)見(jiàn)表1。經(jīng)計(jì)算分析，各巖石彈性模量、黏聚力和抗拉強(qiáng)度等宏觀力學(xué)強(qiáng)度參數(shù)的模擬值與實(shí)際值誤差均小于5%，說(shuō)明獲得的模型力學(xué)強(qiáng)度參數(shù)科學(xué)合理。對(duì)煤層開(kāi)采數(shù)值模型中各巖土層賦予表1 中的相應(yīng)力學(xué)強(qiáng)度參數(shù)，同時(shí)，不同巖層間設(shè)置無(wú)黏結(jié)光滑節(jié)理模型(Smooth Joint Model)模擬層間層理面的力學(xué)特征[27]，之后進(jìn)行重力作用下的平衡計(jì)算，完成初始顆粒流數(shù)值模型。

表1 PFC 數(shù)值模型力學(xué)參數(shù)Table 1 Mesoscopic strength parameters of particles model

3 覆巖微裂隙及地表裂縫發(fā)育規(guī)律

3.1 發(fā)育特征

煤層開(kāi)采過(guò)程中，工作面自左向右逐步推進(jìn)(左右兩側(cè)各留20 m 邊界煤柱，每次開(kāi)挖10 m)。當(dāng)工作面推進(jìn)至30 m 時(shí)，切眼正上方直接頂發(fā)育3 條微裂隙，工作面正上方直接頂發(fā)育微裂隙6 條，距離切眼18 m處，直接頂發(fā)育微裂隙6 條，采空區(qū)正上方10.5～13.0 m范圍內(nèi)發(fā)育微裂隙6 條，共發(fā)育微裂隙20 余條(圖4a)。

工作面推進(jìn)至40 m 時(shí)，切眼上方直接頂微裂隙向上延伸，發(fā)育36 條，其上方間隔10.0 m 豎向發(fā)育未貫通微裂隙10 條，表現(xiàn)出跳躍式微裂隙發(fā)育特征。工作面上方直接頂內(nèi)微裂隙豎向延伸，發(fā)育23 條，采空區(qū)上方直接頂內(nèi)多處發(fā)育微裂隙共55 條，且微裂隙橫向擴(kuò)展發(fā)育的同時(shí)，豎向發(fā)育切斷直接頂板。采空區(qū)中部上方基本頂巖層內(nèi)微裂隙繼續(xù)延伸發(fā)育，且其他位置零星伴有微裂隙發(fā)育，共累計(jì)發(fā)育微裂隙150 余條。微裂隙貫通巖層后在層面處橫向擴(kuò)展延伸，分別在采空區(qū)上方3.0 m 和6.5 m 處產(chǎn)生離層裂隙(由于層面接觸為無(wú)黏結(jié)光滑節(jié)理模型，所以不能顯示表征微裂隙的小短線)(圖4b)。

當(dāng)工作面推進(jìn)至50 m 時(shí)，切眼上方微裂隙豎直延伸擴(kuò)展至連通，并向上發(fā)育至22.0 m 處，其上29.0 m處跳躍式發(fā)育7 條微裂隙。工作面上方微裂隙向上延伸發(fā)育至31.0 m 處，貫通風(fēng)化基巖頂面。采空區(qū)中部微裂隙向上發(fā)育至10 m 處，原微裂隙繼續(xù)延伸發(fā)育。直接頂內(nèi)受垮落堆積影響，發(fā)育大量橫向擴(kuò)展的微裂隙。采空區(qū)上方支溝內(nèi)發(fā)育下行微裂隙13 條，形成地表裂縫(D1)，共累計(jì)發(fā)育微裂隙540 余條。采空區(qū)中部上方原3.0 m 處的離層裂隙受巖層移動(dòng)壓實(shí)而消失，原6.5 m 處的離層裂隙寬度增大，10.0 m 處產(chǎn)生新的離層裂隙，離層裂隙的產(chǎn)生抑制了微裂隙的豎向延伸和擴(kuò)展。因此，采空區(qū)兩端上方微裂隙發(fā)育高度明顯高于采空區(qū)中部。整體表現(xiàn)為采空區(qū)兩端上方跳躍式的豎向微裂隙發(fā)育和中部的離層裂隙發(fā)育(圖4c)。

當(dāng)工作面推進(jìn)至100 m 時(shí)，達(dá)到充分采動(dòng)，微裂隙在豎向延伸發(fā)育的同時(shí)，也會(huì)存在大量的層內(nèi)橫向擴(kuò)展發(fā)育。切眼上方微裂隙豎向連續(xù)發(fā)育直至地表形成地裂縫(D2)，采空區(qū)中部上方微裂隙向上發(fā)育至地表形成地裂縫(D3)，地表下行裂隙(D4)貫通黃土層，未與基巖微裂隙直接連通。工作面上方微裂隙跳躍式豎向發(fā)育，地表下行裂隙(D5)發(fā)育并貫通黃土層，但與基巖裂隙未連通。采空區(qū)中部上方直接頂及其上相鄰基本頂內(nèi)微裂隙豎向發(fā)育切斷巖層后以橫向擴(kuò)展為主，并集合成群，中部高于17.0 m 以上微裂隙以豎向延伸發(fā)育為主。地表發(fā)育地裂縫5 條。整體表現(xiàn)為采空區(qū)兩端微裂隙豎直相向連通發(fā)育和中部上層微裂隙的豎向延伸發(fā)育及中部下層的橫向擴(kuò)展發(fā)育，共累計(jì)發(fā)育微裂隙2 860 余條(圖4d)。整體表現(xiàn)為微裂隙在豎向延伸發(fā)育的同時(shí)，也會(huì)存在大量的層內(nèi)橫向擴(kuò)展發(fā)育。

當(dāng)工作面推進(jìn)至360 m 時(shí)，煤層停止開(kāi)采，覆巖微裂隙表現(xiàn)出周期性橫向擴(kuò)展的特征，地表裂縫共發(fā)育18 條(圖4e)，與現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)貫通性采動(dòng)地裂縫16 條的結(jié)果基本一致，進(jìn)一步驗(yàn)證了數(shù)值模型和模擬結(jié)果可靠。

圖4 工作面推進(jìn)不同距離時(shí)覆巖微裂隙演化規(guī)律Fig.4 Evolution law of overburden microfractures at different distance of working face advancing

綜上分析可知，在煤層開(kāi)采過(guò)程中，伴隨著覆巖應(yīng)力的釋放與傳遞，覆巖微裂隙不斷發(fā)育并貫通地表形成地裂縫。根據(jù)微裂隙的基本發(fā)育及分布特征，可將微裂隙的發(fā)育演化過(guò)程分為3 個(gè)發(fā)育階段：非連續(xù)跳躍式發(fā)育階段、連續(xù)貫通式發(fā)育階段和橫向擴(kuò)展式發(fā)育階段。其中，非連續(xù)跳躍式發(fā)育階段(工作面推進(jìn)小于50 m)，采空區(qū)兩端上方微裂隙自下而上跳躍式豎向發(fā)育，且未完全連通，中部上方微裂隙橫向擴(kuò)展發(fā)育為離層裂隙。微裂隙發(fā)育高度明顯中間低兩側(cè)高(圖5a)。連續(xù)貫通式發(fā)育階段(工作面推進(jìn)50～100 m)，采空區(qū)兩端上方和中部上層微裂隙相向連通發(fā)育的同時(shí)，豎向延伸貫通至地表形成地裂縫，中部下層微裂隙橫向擴(kuò)展，集合成群(圖5b)。橫向擴(kuò)展式發(fā)育階段(工作面推進(jìn)大于100 m)，工作面上方微裂隙周期性發(fā)育至地表形成地裂縫，切眼側(cè)微裂隙發(fā)育停止。微裂隙表現(xiàn)為周期性復(fù)制并橫向擴(kuò)展發(fā)育的特征(圖5c)。

圖5 覆巖裂隙發(fā)育3 階段特征Fig.5 Characteristics of three stages of fracture development in overlying strata

3.2 數(shù)量變化規(guī)律

在工作面推進(jìn)過(guò)程中，對(duì)覆巖微裂隙的發(fā)育總數(shù)量進(jìn)行實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)分析(圖6)。隨著工作面的不斷向前推進(jìn)，微裂隙的數(shù)量不斷增加。微裂縫數(shù)量與工作面推進(jìn)距離呈正相關(guān)。在非連續(xù)跳躍式發(fā)育階段和連續(xù)貫通式發(fā)育階段，微裂隙數(shù)量的變化特征基本一致，均表現(xiàn)為微裂隙數(shù)量隨采動(dòng)距離的增加呈指數(shù)增長(zhǎng)的非線性變化特征；橫向擴(kuò)展式發(fā)育階段，微裂隙數(shù)量隨采動(dòng)距離的增加呈線性增加。各階段微裂隙發(fā)育數(shù)量(N)與工作面推進(jìn)距離(L)之間的關(guān)系如下：

圖6 覆巖微裂隙發(fā)育數(shù)量變化曲線Fig.6 Variation curve of overburden microfractures number

對(duì)不同水平位置處的微裂隙發(fā)育數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析(圖7)。可以看出，覆巖微裂隙數(shù)量隨巖層高度h(以煤層底部為基準(zhǔn)面)的增大而減少。工作面推進(jìn)距離大于100 m 時(shí)，隨著工作面的推進(jìn)，各巖層高度范圍內(nèi)微裂隙數(shù)量呈線性增長(zhǎng)特征。停采后，0～6 m 巖層高度范圍內(nèi)微裂隙累計(jì)發(fā)育3 750 條，6～12 m 范圍內(nèi)2 088 條，12～18 m 范圍內(nèi)2 730 條，18～24 m 范圍內(nèi)1 473 條?？芍獛r層高度6～12 m 范圍內(nèi)微裂隙數(shù)量相比0～6 m 范圍內(nèi)減少了約44%，12～18 m 范圍內(nèi)相比6～12 m 范圍內(nèi)增加了約30%，18～24 m 范圍內(nèi)相比12～18 m 范圍內(nèi)減少了約46%。充分采動(dòng)之后，不同開(kāi)采階段微裂隙數(shù)量隨巖層高度的變化特征基本一致。結(jié)合巖性對(duì)比分析，巖層高度5.78～12.42 m 范圍內(nèi)為強(qiáng)度較高的細(xì)粒砂巖，比其他巖層破壞程度弱，所以6～12 m 范圍內(nèi)發(fā)育的微裂隙數(shù)量減少；12.42～18.84 m 范圍內(nèi)為強(qiáng)度較弱且易于破壞的粉砂巖，所以該范圍內(nèi)微裂隙發(fā)育數(shù)量有所增多。

圖7 不同位置處的微裂隙數(shù)量變化Fig.7 Variation in the number of microcracks at different locations

3.3 力鏈特征

在PFC 中，力鏈作為應(yīng)力的傳遞路徑，具有一定的承載特性[29-30]。力鏈按照是否存在黏性分為黏性力鏈和無(wú)黏性力鏈，按照強(qiáng)度相對(duì)大小分為強(qiáng)力鏈(寬線條)和弱力鏈(細(xì)線條)。強(qiáng)黏性力鏈區(qū)產(chǎn)生的應(yīng)力集中極易導(dǎo)致黏性力鏈破壞，進(jìn)而導(dǎo)致微裂隙產(chǎn)生。因此，微裂隙的產(chǎn)生是黏性力鏈破壞的結(jié)果，有必要分析覆巖力鏈的演化特征來(lái)揭示微裂隙的發(fā)育特征及機(jī)理。

煤層開(kāi)采前，覆巖受自重作用，力鏈以豎直為主，隨埋深的增大而逐漸增強(qiáng)，且整體處于平衡狀態(tài)。當(dāng)煤層開(kāi)采后，圍巖力鏈的平衡狀態(tài)被打破，力鏈重新分布并發(fā)生偏轉(zhuǎn)。在非連續(xù)跳躍式微裂隙發(fā)育階段，覆巖力鏈產(chǎn)生明顯的多層重疊強(qiáng)黏性力鏈拱，兩側(cè)拱腳分別位于采空區(qū)兩端圍巖中，強(qiáng)力鏈拱支撐上部巖層荷載(圖8a)。隨著工作面的不斷向前推進(jìn)，強(qiáng)黏性力鏈拱自下而上逐漸沿拱頂中部和拱腳外側(cè)發(fā)生破壞，破壞處強(qiáng)力鏈消失或變?yōu)槎谓佑|的無(wú)黏結(jié)弱力鏈，進(jìn)而導(dǎo)致微裂隙非連續(xù)發(fā)育(圖8b)。采空區(qū)兩端上方微裂隙兩側(cè)，由于應(yīng)力的傳遞使得外側(cè)力鏈逐漸增強(qiáng)，裂隙處力鏈減弱(圖8c)。在連續(xù)貫通式微裂隙發(fā)育階段，強(qiáng)力鏈拱發(fā)育至地表，拱頂破壞產(chǎn)生地裂縫。采空區(qū)兩側(cè)拱腳位置處黏性力鏈不斷貫通破壞至地表，形成地裂縫。覆巖內(nèi)強(qiáng)力鏈分布基本處于微裂隙的周?chē)?圖8d)。因此，黏性力鏈的破壞與微裂隙的發(fā)育基本同步發(fā)生。橫向擴(kuò)展微裂隙發(fā)育階段，切眼側(cè)覆巖力鏈基本達(dá)到新的平衡狀態(tài)，工作面上方力鏈周期性貫通破壞至地表，使得地表裂縫周期性發(fā)育。地表裂縫兩側(cè)力鏈增強(qiáng)，裂縫處無(wú)力鏈或形成二次無(wú)黏結(jié)接觸弱力鏈(圖8e)。

圖8 工作面推進(jìn)不同距離時(shí)覆巖力鏈變化特征Fig.8 Variation characteristics of overburden force chain at different distance of working face advancing

綜上分析可知，煤層開(kāi)采擾動(dòng)過(guò)程中，覆巖內(nèi)部具有黏性的力鏈發(fā)生斷裂破壞時(shí)，產(chǎn)生微裂隙，一部分應(yīng)力釋放，另一部分傳遞至周?chē)ば粤︽?。隨著應(yīng)力的傳遞，微裂隙處的力鏈逐漸消失或減弱，形成弱力鏈區(qū)。微裂隙尖端部和兩側(cè)的力鏈因應(yīng)力傳遞而逐漸增強(qiáng)，形成強(qiáng)力鏈區(qū)(圖9a)。尖端強(qiáng)力鏈區(qū)的黏性力鏈不斷破壞，并向地表演化，產(chǎn)生地裂縫。地裂縫處的應(yīng)力向兩側(cè)力鏈傳遞，使得兩側(cè)力鏈增強(qiáng)而形成強(qiáng)力鏈區(qū)，地裂縫處力鏈消失或減弱，形成弱力鏈區(qū)(圖9b)。

圖9 微裂隙與力鏈特性關(guān)系Fig.9 Relationship between micro fracture and force chain characteristics

4 結(jié)論

a.地裂縫發(fā)育特征的模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果具有較好的一致性，驗(yàn)證了PFC 數(shù)值方法可以有效地模擬淺埋煤層過(guò)溝開(kāi)采覆巖裂隙及地裂縫的動(dòng)態(tài)發(fā)育特征和演化規(guī)律。

b.煤層開(kāi)采過(guò)程中，覆巖微裂隙受局部應(yīng)力的控制，先后經(jīng)歷了“微裂隙產(chǎn)生-延伸和擴(kuò)展-聚合成群-貫通成縫”的動(dòng)態(tài)發(fā)育過(guò)程。隨著工作面的不斷推進(jìn)，微裂隙數(shù)量不斷增多，分布逐漸擴(kuò)大，根據(jù)微裂隙的基本發(fā)育特征及分布規(guī)律可將煤層全開(kāi)采階段劃分為非連續(xù)跳躍式、連續(xù)貫通式和橫向擴(kuò)展式3 個(gè)發(fā)育階段。

c.覆巖微裂隙數(shù)量隨工作面推進(jìn)距離的增大而增多，非連續(xù)跳躍式和連續(xù)貫通式發(fā)育階段呈指數(shù)增長(zhǎng)特征，覆巖微裂隙逐漸發(fā)育至地表；橫向擴(kuò)展式發(fā)育階段呈線性增長(zhǎng)特征。微裂隙數(shù)量隨巖層距煤層底板的距離增大而減小。

d.隨著工作面的推進(jìn)，覆巖力鏈不斷演化，強(qiáng)黏性力鏈的破壞致使微裂隙發(fā)育，局部產(chǎn)生應(yīng)力集中。強(qiáng)黏性力鏈拱自下而上逐漸破壞并貫通至地表，導(dǎo)致微裂隙延伸發(fā)育至地表形成地裂縫。力鏈在未貫通巖層的微裂隙兩側(cè)和尖端及地表裂縫兩側(cè)形成強(qiáng)力鏈區(qū)，微裂隙處形成弱(無(wú))力鏈區(qū)。