淺埋煤層開采地面塌陷裂縫規(guī)律及防治方法

侯恩科，謝曉深，馮 棟，陳秋計(jì)，車曉陽(yáng)，侯鵬飛

(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) 測(cè)繪科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710054；4.西安科技大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

地下煤炭開采勢(shì)必會(huì)打破覆巖及地表原有應(yīng)力平衡，破壞巖土層原有結(jié)構(gòu)的完整性，造成覆巖垮落和地表開裂，進(jìn)而損害煤礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境[1-3]。榆神府礦區(qū)是陜北煤炭基地重要的原煤生產(chǎn)區(qū)，賦煤面積約27 140 km2，構(gòu)造簡(jiǎn)單，開采規(guī)模大，強(qiáng)度高。區(qū)內(nèi)大規(guī)模、高強(qiáng)度開采誘發(fā)了大量地質(zhì)災(zāi)害，地面塌陷問(wèn)題尤為嚴(yán)重[4]。區(qū)內(nèi)東北部淺埋區(qū)煤層采高大，其誘發(fā)的地面塌陷不僅損毀了大量土地，加重了水土流失，使得表生環(huán)境惡化，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成潰水、漏風(fēng)威脅井下生產(chǎn)安全[5]。

為實(shí)現(xiàn)煤礦區(qū)“煤-水-生態(tài)”的協(xié)調(diào)發(fā)展和修復(fù)塌陷區(qū)生態(tài)環(huán)境，許多學(xué)者對(duì)采煤地面塌陷進(jìn)行了研究。錢鳴高等[6]闡述了煤炭開采與巖層運(yùn)動(dòng)的關(guān)系，分析了巖層移動(dòng)對(duì)地表沉陷類型的影響；王雙明等[7]對(duì)西部中深部煤層開采地表裂縫平面和垂向深度特征進(jìn)行了剖析，揭示其對(duì)表生環(huán)境的影響并構(gòu)建減損開采技術(shù)體系。胡振琪等[8]對(duì)風(fēng)積沙區(qū)地表裂縫動(dòng)態(tài)發(fā)育特征進(jìn)行細(xì)致研究，揭示了地表裂縫超前發(fā)育特征和“M”型動(dòng)態(tài)規(guī)律，而Xu Yuankun 等[9]根據(jù)相似材料模擬實(shí)驗(yàn)給出了“M”型裂縫的變化機(jī)理。侯恩科等[10-12]利用無(wú)人機(jī)航拍技術(shù)揭示了工作面地表裂縫展布特征并提出了基于無(wú)人機(jī)航拍的沉陷計(jì)算方法，并在后續(xù)研究中揭示了地表裂縫垂向剖面特征及動(dòng)態(tài)發(fā)育規(guī)律。胡振琪等[13]提出了煤礦塌陷區(qū)自修復(fù)和自然修復(fù)的理念。劉輝等[14]根據(jù)地表裂縫規(guī)律和形成機(jī)理給出了地表裂縫治理標(biāo)準(zhǔn)，并提出了超高水材料治理裂縫的方法。胡海峰等[15]歸納總結(jié)了山西黃土丘陵沉陷區(qū)生態(tài)環(huán)境破壞特征與修復(fù)技術(shù)。以上研究成果為地面塌陷規(guī)律、機(jī)理以及治理提供了堅(jiān)實(shí)的理論支撐，但尚未全面揭示淺埋煤層開采地面塌陷裂縫規(guī)律及機(jī)理，特別是裂縫動(dòng)態(tài)發(fā)育規(guī)律和活動(dòng)機(jī)理。

筆者以陜西榆神府礦區(qū)內(nèi)檸條塔井田和張家峁井田為研究區(qū)，以地面塌陷裂縫為研究對(duì)象，采用實(shí)地調(diào)查、相似材料模擬實(shí)驗(yàn)和理論分析相結(jié)合的方法，研究了淺埋煤層開采地表裂縫靜態(tài)、動(dòng)態(tài)發(fā)育規(guī)律，揭示黃土溝壑區(qū)采動(dòng)“覆巖-地表”運(yùn)移過(guò)程和不同位置地表裂縫活動(dòng)機(jī)理，提出了適宜的地表裂縫治理措施，以期為淺埋煤層開采地面塌陷防治和生態(tài)環(huán)境修復(fù)提供理論指導(dǎo)與技術(shù)參考。

1 研究區(qū)開采地質(zhì)條件概況

研究區(qū)位于毛烏素沙漠東南緣，榆神府礦區(qū)東北部，包括張家峁和檸條塔2 個(gè)井田(圖1)。

圖1 研究區(qū)位置Fig.1 Location map of study area

區(qū)內(nèi)地貌單元以風(fēng)沙灘地和黃土溝壑為主，地形高差較大，區(qū)域地層隸屬華北地層區(qū)鄂爾多斯地層分區(qū)，由下至上鉆孔揭露地層為三疊系上統(tǒng)永坪組(T3y)、侏羅系下統(tǒng)富縣組(J1f)、中統(tǒng)延安組(J2y)、直羅組(J2z)、安定組(J2a)、新近系上新統(tǒng)保德組(N2b)，第四系中更新統(tǒng)離石組(Q2l)，上更新統(tǒng)薩拉烏蘇組(Q3s)和馬蘭組(Q3m)，全新統(tǒng)風(fēng)積沙和沖積層，其中安定組(J2a)和馬蘭組(Q3m)在張家峁井田內(nèi)缺失，富縣組(J1f)地層在檸條塔井田內(nèi)缺失。張家峁煤礦目前正在開采延安組2-2煤層、4-2煤層和5-2煤層，檸條塔煤礦目前正在開采延安組1-2煤層和2-2煤層。兩礦相鄰，目前回采煤層采深一般小于200 m，裂采比基本一致，為27。依據(jù)區(qū)內(nèi)工作面實(shí)際開采情況，分別選取檸條塔井田北翼N1212 工作面、南翼的S1230 工作面、S12002 工作面和S12013 工作面以及張家峁井田的14209 工作面和15209 工作面進(jìn)行地表裂縫調(diào)查。工作面基本參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 工作面開采條件與裂縫寬度分區(qū)占比數(shù)據(jù)Table 1 Ratio data of mining conditions of working faces and widths of fracture zone

2 采煤地表裂縫發(fā)育規(guī)律與機(jī)理

2.1 發(fā)育規(guī)律

2.1.1 發(fā)育類型及組合方式

研究區(qū)地表裂縫發(fā)育類型主要包括拉張裂縫、擠壓隆起和臺(tái)階裂縫3 類。拉張裂縫由拉張作用產(chǎn)生，呈直線或弧線展布，裂縫兩側(cè)平直且無(wú)落差，一般發(fā)育在平坦地形區(qū)(圖2a)。擠壓隆起是地表受到擠壓形成的線狀隆起，多發(fā)育于山間平臺(tái)和坡腳處(圖2b)；臺(tái)階裂縫是兩側(cè)土體不均勻沉降造成的，兩側(cè)土體有垂直高度落差(圖2c)，于黃土溝壑區(qū)普遍發(fā)育。地表裂縫組合有平行并列組合、塌陷槽和交叉組合3 類(圖2d-圖2f)，其中，交叉組合由2 條延展方向不同的裂縫斜交構(gòu)成，多發(fā)育于上、下工作面斜交布置的疊置開采區(qū)。

圖2 地表裂縫類型及組合方式Fig.2 Types and combination modes of surface cracks

2.1.2 靜態(tài)發(fā)育規(guī)律

1) 展布特征

通過(guò)對(duì)研究區(qū)典型工作面地表裂縫進(jìn)行填圖發(fā)現(xiàn)：風(fēng)沙灘地區(qū)與黃土溝壑區(qū)地表裂縫平面展布規(guī)律基本一致，地表裂縫發(fā)育范圍大于工作面開采范圍，其中走向裂縫角76.5°～82.4°，平均78.0°，傾向裂縫角67.7°～81.5°，平均為76.7°；地表裂縫類型多樣，面內(nèi)發(fā)育有大量臺(tái)階狀裂縫，部分區(qū)域有塌陷槽，終采線及切眼外側(cè)以拉張型裂縫為主。

按照地表裂縫空間分布特征將其分為面內(nèi)裂縫和邊界裂縫(包括切眼裂縫、巷道裂縫和終采線裂縫)兩類。面內(nèi)裂縫以平行并列的組合方式間隔展布在面內(nèi)，主裂縫間隔距離8～15 m，一般小于工作面周期來(lái)壓步距，裂縫在走向中心線位置寬度和錯(cuò)臺(tái)高度最大，隨兩側(cè)延展逐漸變小。邊界裂縫圍繞工作面開采邊界發(fā)育，一般呈直線形，在開采邊界的連接處呈弧形。邊界裂縫寬度大，臺(tái)階落差明顯，其與面內(nèi)裂縫一起構(gòu)成了工作面地表裂縫 “O”型展布形態(tài)(圖3)。

圖3 地表裂縫平面展布特征Fig.3 Plane distribution characteristics of surface cracks

2) 靜態(tài)特征與開采條件的關(guān)系

表1 是工作面開采條件和裂縫寬度分區(qū)占比數(shù)據(jù)。對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，地表裂縫靜態(tài)發(fā)育特征(以裂縫寬度為研究對(duì)象)與開采條件關(guān)系密切。地表裂縫靜態(tài)發(fā)育特征與采高呈正相關(guān)關(guān)系(S1230 面和S12002 面對(duì)比)；與采深呈負(fù)相關(guān)關(guān)系(N1212 面和15209 面對(duì)比)；當(dāng)采高、采深條件相似時(shí)，黃土溝壑區(qū)地表裂縫靜態(tài)特征更明顯，發(fā)育程度更高(N1212 面和S12002 面對(duì)比)；當(dāng)工作面開采方式不同時(shí)，N00 工法可以較顯著地降低地表裂縫發(fā)育特征(S12013 面和S12002 面比較)。

對(duì)S1230 工作面不同位置(切眼、巷道和面內(nèi))的地表裂縫寬度占比統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，地表裂縫在0～5 cm寬度區(qū)間時(shí)，工作面內(nèi)地表裂縫占比最多，巷道地表裂縫占比最少；當(dāng)?shù)乇砹芽p在5～10 cm 和15～20 cm 寬度區(qū)間時(shí)，巷道地表裂縫占比最多，切眼地表裂縫占比最少；當(dāng)?shù)乇砹芽p在大于20 cm 寬度區(qū)間時(shí)切眼地表裂縫占比最多，巷道地表裂縫占比最少(圖4)。因此，對(duì)于同一工作面而言，地表裂縫靜態(tài)特征明顯程度由高至低為：切眼、巷道和面內(nèi)。

圖4 S1230 工作面不同位置地表裂縫寬度占比Fig.4 Ratio of surface crack width of working face S1230

2.1.3 動(dòng)態(tài)發(fā)育規(guī)律

一般認(rèn)為地表裂縫動(dòng)態(tài)發(fā)育規(guī)律包括動(dòng)態(tài)擴(kuò)展和裂縫活動(dòng)2 方面。對(duì)檸條塔煤礦北翼黃土溝壑區(qū)N1212工作面和南翼風(fēng)沙灘地區(qū)S12013 工作面的地表裂縫進(jìn)行動(dòng)態(tài)跟蹤調(diào)查。調(diào)查結(jié)果顯示兩工作面上方地表裂縫均超前工作面回采位置擴(kuò)展，黃土溝壑區(qū)地表裂縫超前距8.0～30.0 m，風(fēng)沙灘地區(qū)地表裂縫超前距11.8～43.5 m，平均30.8 m。地表裂縫表現(xiàn)出“只開不合”和“先開后(半)合”的活動(dòng)特征。邊界裂縫、面內(nèi)坡頂裂縫和下坡段坡體裂縫表現(xiàn)出“只開不合”的活動(dòng)特征，即裂縫寬度隨工作面推采呈現(xiàn)“開裂-增大-穩(wěn)定”的動(dòng)態(tài)變化特征；面內(nèi)坡腳裂縫、溝底裂縫和上坡段坡體裂縫主要表現(xiàn)“先開后合”的活動(dòng)特征即裂縫寬度隨推采呈現(xiàn)“開裂-增大-減小-穩(wěn)定”的變化，黃土溝壑區(qū)裂縫活動(dòng)時(shí)間為4～9 d(圖5a)，風(fēng)沙灘地區(qū)地表裂縫活動(dòng)時(shí)間6～9 d(圖5b)。地表裂縫“先開后(半)合”的活動(dòng)由“活動(dòng)上升階段”“活動(dòng)穩(wěn)定階段”和“活動(dòng)下降階段”構(gòu)成，且風(fēng)沙灘地區(qū)地表裂縫“活動(dòng)穩(wěn)定階段”時(shí)長(zhǎng)明顯大于黃土溝壑區(qū)，一般是后者的2 倍左右(圖5)，間接說(shuō)明風(fēng)沙灘地區(qū)的風(fēng)積沙層對(duì)開采擾動(dòng)的削弱能力更強(qiáng)。

圖5 不同區(qū)域部分地表裂縫活動(dòng)特征Fig.5 Characteristics of surface fracture activity

N1212 工作面(黃土溝壑)和S12013 工作面(風(fēng)沙灘地)地表裂縫活動(dòng)過(guò)程中其寬度具有明顯的變化規(guī)律。裂縫活動(dòng)期間初始開裂寬度、最大發(fā)育寬度和穩(wěn)定寬度的數(shù)據(jù)擬合結(jié)果顯示：活動(dòng)期間裂縫初始開裂寬度與最大發(fā)育寬度存在正相關(guān)線性關(guān)系；初始開裂寬度與活動(dòng)結(jié)束后的穩(wěn)定寬度存在正相關(guān)線性關(guān)系和正相關(guān)的指數(shù)函數(shù)關(guān)系(圖6)。

圖6 活動(dòng)期間裂縫寬度變化規(guī)律Fig.6 Variation law of crack width during activity

2.2 采煤地表裂縫形成及活動(dòng)機(jī)理

2.2.1 地表裂縫形成過(guò)程模擬

地表裂縫是“覆巖-地表”耦合運(yùn)移的產(chǎn)物，其形成過(guò)程與上覆巖體運(yùn)移(破斷、垮落)和表土移動(dòng)變形密切相關(guān)。相較于風(fēng)沙灘地區(qū)，黃土溝壑區(qū)淺埋煤層開采覆巖及地表移動(dòng)特征更為復(fù)雜，因此，筆者以陜北黃土溝壑區(qū)淺埋煤層開采為研究對(duì)象，通過(guò)相似材料模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)M地表裂縫形成過(guò)程，揭示采動(dòng)覆巖垮落及地表裂縫發(fā)育特征。

1) 相似材料模擬模型的構(gòu)建

利用河沙、大白粉、碳酸鈣、石膏和云母等材料構(gòu)建了黃土溝壑區(qū)淺埋厚煤層開采相似材料模擬模型(圖7)，模型采用1∶100 的幾何相似比搭建，設(shè)計(jì)尺寸長(zhǎng)×寬×高為400 cm×20 cm×101 cm。模擬開采4-2煤層，采高3.7 cm(實(shí)際為3.7 m)，模型左右兩側(cè)各留設(shè)30 cm 煤柱，由左向右開采，走向開采長(zhǎng)度 340 cm(實(shí)際長(zhǎng)340 m)。

圖7 相似材料模擬模型Fig.7 Similar material simulation model

2) 采動(dòng)覆巖垮落特征

模型開采過(guò)程中先后經(jīng)歷了“下坡開采”“溝底開采”和“上坡開采”3 個(gè)階段。下坡開采階段位于開采初期，工作面尚未達(dá)到充分采動(dòng)，上覆巖體不斷受到開采擾動(dòng)，破壞高度逐漸升高(圖8a)，走向上覆巖以“懸臂-鉸接-垮落-穩(wěn)定”的形式發(fā)生周期性垮落，垂向上以橫向離層裂隙和豎向裂隙組合的形式向上擴(kuò)展。當(dāng)工作面推采至溝底平坦區(qū)時(shí)，推采長(zhǎng)度超過(guò)1.5H(H為平均采深)，達(dá)到充分采動(dòng)，上覆巖體出現(xiàn)整體性下沉，覆巖破壞高度發(fā)育至地表。溝底開采階段上覆巖體破斷以下位“斜臺(tái)階巖梁”和上位“砌體梁”的結(jié)構(gòu)不斷演化，地表裂縫與覆巖內(nèi)部裂隙發(fā)生貫通，形成貫通型裂縫(圖8b)。下坡開采階段，工作面已經(jīng)達(dá)到超充分采動(dòng)，覆巖破壞高度直接導(dǎo)通地表，覆巖及地表的整體下沉導(dǎo)致相鄰貫通型裂縫之間組合形成斜型體(圖8c)。斜型體的頂點(diǎn)是裂縫發(fā)育位置，底端與水平方向的夾角近似等于巖塊破斷角。高位破斷裂縫發(fā)育明顯，形態(tài)、寬度等明顯強(qiáng)于低位破斷裂縫。當(dāng)工作面回采結(jié)束后，上覆巖層發(fā)育垮落帶和導(dǎo)水裂隙帶，不存在彎曲下沉帶，整體形態(tài)呈向內(nèi)收斂的“梯形”，符合應(yīng)力平衡拱展布特點(diǎn)。切眼和終采線內(nèi)側(cè)巖體呈鉸接結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出拉張?zhí)匦?。采空區(qū)上方巖體為壓實(shí)區(qū)，形成穩(wěn)定的砌體結(jié)構(gòu)(圖9)。

圖8 采動(dòng)覆巖垮落及結(jié)構(gòu)特征Fig.8 Caving and structural characteristics of mining overlying strata

圖9 開采結(jié)束覆巖及地表破壞特征Fig.9 Characteristics of overburden and surface failure at the end of mining

3) 采動(dòng)地表裂縫發(fā)育特征

根據(jù)工作面實(shí)際調(diào)查情況和相似材料模擬結(jié)果，黃土溝壑區(qū)地表裂縫發(fā)育具有明顯的橫向分區(qū)特征。就斜坡體而言，由坡頂至坡腳裂縫整體發(fā)育類型有“拉張型-滑動(dòng)型-擠壓隆起”的變化且裂縫表現(xiàn)特征由強(qiáng)變?nèi)酢＿@一橫向現(xiàn)象表明坡頂?shù)乇砹芽p由拉張作用形成，坡體裂縫是拉張和滑移雙重作用形成，而坡腳裂縫則是坡體滑移導(dǎo)致的擠壓作用和覆巖垮落后采空區(qū)上方巖體擠壓雙重因素導(dǎo)致的。此外，地表裂縫均與覆巖內(nèi)部裂隙貫通形成貫通裂縫，表明裂縫活動(dòng)與下伏關(guān)鍵巖層的垮落、破斷密切相關(guān)。

2.2.2 采煤地表裂縫活動(dòng)機(jī)理

1) 邊界裂縫

從連續(xù)性變形和破斷塊體運(yùn)移的角度來(lái)看，走向主斷面地表下沉盆地可分為拉伸區(qū)、拉-壓轉(zhuǎn)化區(qū)和壓縮區(qū)3 個(gè)區(qū)域(圖10)。拉伸區(qū)分布在開采邊界附近，是拉張裂縫的集中發(fā)育區(qū)，區(qū)內(nèi)地表隨工作面推采一直發(fā)生拉伸變形，表土破斷塊體始終向采空區(qū)傾斜，未發(fā)生倒轉(zhuǎn)。因此，該區(qū)域裂縫寬度表現(xiàn)出“持續(xù)增大-穩(wěn)定”的變化特征，即“只開不合”的活動(dòng)特征。

圖10 采煤“覆巖-地表”運(yùn)移模式Fig.10 “Overburden-surface” migration model of coal mining

2) 面內(nèi)坡體裂縫

以下坡開采階段的坡體裂縫為研究對(duì)象，根據(jù)相似材料模擬中地表裂縫的形成特征，利用K 和M 兩個(gè)塊體分析被裂縫切割的兩側(cè)塊體的穩(wěn)定性(圖11)。理論分析認(rèn)為，下坡開采階段K-M 裂縫隨工作面開采有可能出現(xiàn)“先開后合”和“只開不合”2 種活動(dòng)規(guī)律，“先開后合”的活動(dòng)特征是K 塊體沿回采方向倒轉(zhuǎn)和M 塊體逆回采方向回轉(zhuǎn)造成的。而“只開不合”的活動(dòng)特征則是M 塊體沿斜坡下滑造成。因此，M 塊體(裂縫下塊體)是否會(huì)沿著斜坡發(fā)生滑動(dòng)，即M 塊體穩(wěn)定系數(shù)(η)的大小是決定裂縫發(fā)生“只開不合”活動(dòng)的判定條件。K 和M 塊體的幾何結(jié)構(gòu)和力學(xué)特征如圖11 所示。

圖11 塊體幾何結(jié)構(gòu)與力學(xué)特征Fig.11 Geometric structure and mechanical characteristics of blocks

根據(jù)塊體結(jié)構(gòu)力學(xué)特征和摩爾-庫(kù)侖強(qiáng)度準(zhǔn)則[16-17]，M 塊體的抗滑力為：

M 塊體的下滑力為：

M 塊體的穩(wěn)定系數(shù)：

式中：G為M 塊體的自重力；Q為塊體K 對(duì)塊體M 的摩擦剪力；fm為 沿斜坡方向的摩擦力；C為塊體M 的黏聚力；Lm為塊體M 的可滑動(dòng)斜長(zhǎng)；α為坡體坡角。

進(jìn)一步對(duì)塊體K 和M 的接觸點(diǎn)力學(xué)特征進(jìn)行分析：

式中：f為作用在接觸點(diǎn)上的摩擦力；N為塊體K 對(duì)塊體M 的法向應(yīng)力；μ為摩擦因數(shù)；θ為塊體K 的破斷角。

對(duì)塊體M 所受的力按照斜坡方向進(jìn)行分解組合得到：

將式(4)—式(6)代入式(3)中可得：

裂縫出現(xiàn)“只開不合”的活動(dòng)特征的判定條件為M 塊體發(fā)生滑動(dòng)，即η＜1。由式(6)可知，塊體穩(wěn)定系數(shù)與坡角(α)呈正相關(guān)的一次冪函數(shù)，與Lm呈負(fù)相關(guān)一次冪函數(shù)，而Lm一般與坡體相鄰2 條主裂縫的發(fā)育間距一致，與工作面周期垮落步距有關(guān)。工作面實(shí)際調(diào)查過(guò)程中，下坡開采階段坡體地表裂縫間距小，坡度較大，塊體穩(wěn)定系數(shù)基本小于1，地表裂縫表現(xiàn)出“只開不合”的活動(dòng)特征。

對(duì)于上坡開采階段發(fā)育的地表裂縫而言，同樣可以利用上述公式對(duì)塊體穩(wěn)定性進(jìn)行判定，當(dāng)η＞1 時(shí)，地表裂縫上方塊體不發(fā)生滑動(dòng)，裂縫在其下側(cè)塊體的回轉(zhuǎn)作用下減??；當(dāng)η＜1 時(shí)，地表裂縫在下側(cè)塊體回轉(zhuǎn)和上側(cè)塊體滑移的雙重作用下發(fā)生閉合，因此，上坡開采時(shí)坡體地表裂縫只發(fā)生“先開后合”的活動(dòng)特征，與實(shí)際調(diào)查結(jié)果相符合。

3) 面內(nèi)溝底裂縫

相似材料模擬結(jié)果表明面內(nèi)溝底平坦區(qū)域地表裂縫是貫通型裂縫，其表層巖土塊體的運(yùn)移受到下伏關(guān)鍵巖層的控制。根據(jù)淺埋煤層開采巖層控制理論，淺埋煤層開采關(guān)鍵巖塊主要表現(xiàn)出回轉(zhuǎn)變形失穩(wěn)和滑落失穩(wěn)2 種失穩(wěn)特征[18]。一般情況下，上覆載荷層大于180 m 時(shí)會(huì)出現(xiàn)回轉(zhuǎn)變形失穩(wěn)，關(guān)鍵巖塊周期來(lái)壓期間破斷塊度(i)大于1.0 時(shí)出現(xiàn)滑落失穩(wěn)。實(shí)測(cè)表明，陜北淺埋厚煤層開采區(qū)關(guān)鍵巖塊破斷塊度一般大于1.0，關(guān)鍵巖塊易發(fā)生滑落失穩(wěn)[19]。鑒于此，筆者以3 塊表層巖塊體(K、M 和N)來(lái)說(shuō)明面內(nèi)溝底裂縫的活動(dòng)機(jī)理(圖12)。

圖12 溝底裂縫巖土塊體活動(dòng)機(jī)理Fig.12 An indication of the activity mechanism of cracks at the bottom of the trench

由圖12 可知，當(dāng)工作面推采至A位置時(shí)，K 塊體在拉張應(yīng)力作用下向采空區(qū)傾斜，在K 和M 塊體之間出現(xiàn)拉張裂縫L1，其寬度隨工作面推采逐漸增大。當(dāng)工作面推采至B位置時(shí)，K 塊體在關(guān)鍵層的控制下發(fā)生滑落失穩(wěn)，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育至地表，裂縫發(fā)生貫通，M 塊體向采空區(qū)傾斜，其與N 塊體的連接處發(fā)育裂縫L2，此時(shí)，裂縫L1由拉張型的平直裂縫變化為臺(tái)階狀裂縫，并在塊體M 的擠壓作用下閉合(圖12b)。當(dāng)工作面繼續(xù)推采，塊體M 發(fā)生滑落失穩(wěn)，N 塊體發(fā)生傾斜，裂縫L2發(fā)生閉合。因此，面內(nèi)溝底裂縫表現(xiàn)出“先開后合”的活動(dòng)特征。

塊體滑落失穩(wěn)期間，若M 塊體的下沉量小于K 塊體，即M 塊體頂端始終位于K 塊體之上，那么裂縫L1和L2組成同朝向的“類地壘”的平行并列組合；若M 塊體的下沉量大于K 塊體，裂縫L1和L2的組合方式則為“類地塹”式的塌陷槽。

3 采煤地面塌陷防治方法

3.1 減緩方法

采煤地表裂縫減緩方法是在掌握地表裂縫規(guī)律的基礎(chǔ)上，以采中減損為目標(biāo)提出的方法或技術(shù)。鑒于目前淺埋厚煤層的開采規(guī)模和強(qiáng)度，減緩技術(shù)主要有充填開采、限高開采、無(wú)煤柱開采以及煤層群協(xié)調(diào)開采技術(shù)等。

充填開采：通過(guò)壓縮上覆巖體的垮落空間，減小或者消除采動(dòng)對(duì)上覆巖體的擾動(dòng)，達(dá)到減緩地面塌陷的目的[20]。充填開采可最大程度減緩地面塌陷，但具有增大煤炭開采成本，降低回采效率的缺點(diǎn)。

限高開采：是通過(guò)合理限制開采高度，減小上覆巖層破斷后的滑落和回轉(zhuǎn)空間，達(dá)到減緩地面塌陷的一種開采方法[21]。該方法具有一定的局限性，一般適合在厚或特厚煤層開采區(qū)實(shí)施，而薄煤層開采區(qū)不具備實(shí)施條件。此外，限高開采會(huì)加大煤炭資源的浪費(fèi)，淺埋厚煤層開采區(qū)很少采用。

無(wú)煤柱開采：從表1 數(shù)據(jù)可以看出，相較于普通綜采，N00 工法工作面(S12013 工作面)地表裂縫發(fā)育程度弱，裂縫寬度均小于10 cm，其中裂縫寬度小于5 cm的占比達(dá)到91%，是綜采工作面的1.21 倍。實(shí)踐數(shù)據(jù)表明，無(wú)煤柱開采減緩地面塌陷的可行性。無(wú)煤柱開采雖然具有減緩地面塌陷效果，但需要配套的開采設(shè)備，且對(duì)于開采條件有一定的限制。

煤層群協(xié)調(diào)開采技術(shù)：通過(guò)上、下工作面錯(cuò)距布置削弱下煤層開采時(shí)煤柱應(yīng)力集中，增加地表連續(xù)性變形，達(dá)到實(shí)現(xiàn)地表均勻沉降，減緩地面塌陷的目的。黃慶享等[22]根據(jù)淺埋煤層群開采覆巖破斷規(guī)律、應(yīng)力分布和覆巖裂隙演化特征提出了實(shí)現(xiàn)減輕煤柱應(yīng)力集中和減緩地面塌陷耦合控制的區(qū)段煤柱錯(cuò)距模型。

實(shí)現(xiàn)減緩地面塌陷的區(qū)段煤柱錯(cuò)距：

式中：Lε為減緩地面塌陷的合理煤柱錯(cuò)距，m；m1為上煤層采高，m；m2為下煤層采高，m；α1為上煤層頂板平均回轉(zhuǎn)角，(°)；α2為下煤層頂板平均回轉(zhuǎn)角，(°)。

分析認(rèn)為：在不考慮煤炭經(jīng)濟(jì)成本的基礎(chǔ)上，充填開采減緩地表裂縫的效果最好。多煤層開采區(qū)更適合采用充填開采和煤層群協(xié)調(diào)開采技術(shù)減緩地表裂縫發(fā)育。

3.2 治理方法

3.2.1 黃土溝壑區(qū)

1) 溝底貫通型裂縫

發(fā)育在溝底的貫通型裂縫不僅對(duì)土地、表生環(huán)境有危害，還是地表水潰入井下和漏風(fēng)的主要通道。因此，針對(duì)溝底貫通型裂縫的治理不僅要考慮原生表層結(jié)構(gòu)特征，還要達(dá)到預(yù)防潰水、漏風(fēng)，保障安全生產(chǎn)的目的。為此，筆者提出了溝底裂縫的“裂縫填充+溝道恢復(fù)”治理技術(shù)和工藝，溝底裂縫治理結(jié)構(gòu)剖面如圖13 所示。

圖13 溝底貫通型地表裂縫治理Fig.13 Treatment of surface cracks with penetration at the bottom of the ditch

裂縫填充剖面為“襯墊層+防滲層+頂封層”的多層組合結(jié)構(gòu)，其中，襯墊層以碎石塊或水泥做材料對(duì)裂縫起到封堵作用；防滲層以三合土或紅土為材料，起到裂縫填充、隔水和固結(jié)的作用；以黃土作為頂封層進(jìn)行回填，進(jìn)一步封堵裂縫。

一般情況下，黃土溝壑的溝底地層為“基巖+薄洪積層”的結(jié)構(gòu)。需要將裂縫開挖至基巖層面即剝離原有洪積層，才能保證裂縫填充治理效果。因此，在考慮季節(jié)性洪水沖刷和原有表層的功能性上，提出了“隔水層+減沖層+功能表層”的溝道恢復(fù)治理技術(shù)。其中，隔水層以紅土層和防水布為材料鋪設(shè)在裂縫頂封層之上；減沖層位于隔水層之上，材料以碎石塊為主，起到減少洪水沖刷破壞的作用；功能表層則是在考慮原有表層的功能上，進(jìn)行合理選材、布設(shè)，保障治理前后表層功能一致，比如治理前為耕地，治理后仍要保持其耕作功能。溝底貫通型裂縫治理工序：開挖-裂縫填充-壓實(shí)-溝道恢復(fù)-夯實(shí)。

2) 坡體裂縫

實(shí)際調(diào)查發(fā)現(xiàn)坡體裂縫的開口寬度與臺(tái)階落差之間關(guān)系密切，一般寬大裂縫的臺(tái)階落差較大，微小裂縫落差較小。由于微小裂縫的危害程度較小，就地掩埋即可，而寬大的坡體裂縫需要進(jìn)行針對(duì)性治理。根據(jù)坡體裂縫延展方向和坡體的關(guān)系及其修復(fù)利用方向，提出了“裂縫充填+微地形改造”的治理方法。

坡體裂縫充填方法包括裂縫充填分區(qū)、充填土壤重構(gòu)和裂縫充填工藝3 個(gè)部分。坡體裂縫充填采用高階開挖回填的分區(qū)治理方法即高位臺(tái)階處開挖土方回填至裂縫內(nèi)，減小原來(lái)土方的使用量，充填區(qū)土壤重構(gòu)是 “墊層+生土層+覆蓋層+表土層”的多層組合剖面結(jié)構(gòu)(圖14a)，在達(dá)到裂縫充填土壤重構(gòu)的基礎(chǔ)上，考慮到實(shí)際施工效率，研究提出了“分段剝離+交錯(cuò)回填”的坡體裂縫充填施工工藝(圖14b)。

圖14 坡體裂縫治理方法Fig.14 Treatment method of slope crack

微地形改造技術(shù)是針對(duì)坡體裂縫治理后減少水土流失和提高植被生長(zhǎng)提出的，對(duì)于橫坡寬大裂縫(裂縫延展方向與坡向垂直)提出了水平階微地形改造技術(shù)(圖15a)，針對(duì)順坡寬大裂縫(裂縫延展方向與坡向平行)提出魚鱗坑微地形改造技術(shù)(圖15b)。前者通過(guò)修建水平階地，后者通過(guò)沿坡面修建月牙形魚鱗坑攔蓄地表徑流，減少水土流失，降低土壤水分蒸發(fā)，加速植被修復(fù)。

圖15 微地形改造技術(shù)Fig.15 Technology of micro-topography transformation

3.2.2 風(fēng)沙灘地區(qū)

根據(jù)以往研究成果[8,11]，風(fēng)沙灘地區(qū)地形平坦地表被風(fēng)沙覆蓋，采煤形成的地面塌陷程度小于黃土溝壑區(qū)且面內(nèi)地表裂縫具有較強(qiáng)的自修復(fù)和自然修復(fù)能力，因此，風(fēng)沙灘地區(qū)地面塌陷的治理相對(duì)容易。結(jié)合地表裂縫“O”型展布和地表移動(dòng)變形特點(diǎn)，筆者嘗試性提出風(fēng)沙灘地區(qū)地面塌陷“三圈”式治理模式(圖16)。從圖16 可以看出，風(fēng)沙灘區(qū)工作面開采導(dǎo)致的地面塌陷由外至里分為“自然修復(fù)圈(Ⅰ)”“人工促進(jìn)修復(fù)圈(Ⅱ)”和“人工誘導(dǎo)修復(fù)圈(Ⅲ)”。

圖16 風(fēng)沙灘地塌陷區(qū)“三圈”修復(fù)Fig.16 The sign of “three circles” restoration in the subsidence area of eolian sand beach

自然修復(fù)圈(Ⅰ)：位于塌陷區(qū)的邊緣部分，是下沉邊界角至裂縫角之間的區(qū)域，屬于連續(xù)變形區(qū)，地表一般不發(fā)育裂縫，對(duì)土壤和植被的擾動(dòng)程度小，主要依靠生態(tài)系統(tǒng)的自愈能力自行修復(fù)。

人工促進(jìn)修復(fù)圈(Ⅱ)：該區(qū)以非連續(xù)性變形為主，裂縫呈帶狀形式分布于采空區(qū)邊界所對(duì)應(yīng)的地表上方，裂縫角至開采邊界的區(qū)域。區(qū)內(nèi)發(fā)育“只開不合”活動(dòng)的邊界裂縫，對(duì)地表土壤和植被擾動(dòng)強(qiáng)度大，為采煤沉陷地的重點(diǎn)治理區(qū)域。采用“淺溝整地+沙障+植被”的治理措施進(jìn)行修復(fù)，促進(jìn)生態(tài)恢復(fù)。

人工誘導(dǎo)修復(fù)圈(Ⅲ)：是工作面采空區(qū)上方地表區(qū)域，該區(qū)域地表的擾動(dòng)以具有“先開后合”的面內(nèi)動(dòng)態(tài)裂縫為主，裂縫發(fā)育過(guò)程對(duì)土壤和植被的擾動(dòng)強(qiáng)度較大。主要采用“殘留裂縫治理+種草”人工誘導(dǎo)的方式，進(jìn)行生態(tài)恢復(fù)。

3.3 采煤塌陷區(qū)治理工程實(shí)踐與示范

3.3.1 安山煤礦地表裂縫

與張家峁煤礦類似，安山煤礦同屬陜西榆神府礦區(qū)，為黃土溝壑下采煤。煤礦125203 工作面位于井田中西部，工作面開采穿過(guò)一條最大寬度約100 m 的菜溝，5-2煤層采高約2.2 m，溝底開采深度約20 m。菜溝溝底土地利用類型多樣，存在基巖裸露區(qū)、土質(zhì)河道區(qū)和耕地區(qū)，過(guò)溝開采時(shí)(2019 年4 月)在地表形成了密集的臺(tái)階型裂縫并與覆巖內(nèi)部裂隙貫通，嚴(yán)重破壞土地和表生環(huán)境，同時(shí)存在雨季洪水潰入井下危險(xiǎn)(圖17)。

圖17 安山煤礦125203 工作面地形特征[23]Fig.17 Topographic characteristics of working face 125203 in Anshan Coal Mine[23]

為保障雨季125203 工作面安全生產(chǎn)，在2019 年4-5 月研究調(diào)查的基礎(chǔ)上，采用前文提出的溝底地表裂縫治理方法對(duì)125203 工作面過(guò)溝段進(jìn)行了治理，基巖裸露區(qū)位于溝道下游為地表水的排泄口，其功能表層采用水泥進(jìn)行鋪設(shè)保障其原有的排泄功能；土質(zhì)河道區(qū)的功能表層采用“三合土”鋪設(shè)保障其原有行人與行洪功能；而耕地區(qū)地形稍高，受洪水沖刷程度小，選用松散黃土作為功能表層，保持原有的耕種作用(圖18)。

圖18 陜北安山煤礦125203 面裂縫治理效果Fig.18 Governance effect of engineering practice in working face 125203 of Anshan Coal Mine of northern Shaanxi

3.3.2 檸條塔煤礦采煤塌陷坡地

檸條塔煤礦北翼屬黃土溝壑地貌，起伏大，下伏煤層開采后坡體裂縫發(fā)育明顯，坡體地貌和植被遭到嚴(yán)重破壞。為探索黃土溝壑區(qū)生態(tài)環(huán)境修復(fù)模式，提升煤礦區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量開展了相關(guān)治理工程。采用上述提出的坡體地表裂縫治理方法，檸條塔煤礦在北翼N1114 和N1206 工作面進(jìn)行了地面塌陷治理。在工程實(shí)踐過(guò)程中，筆者結(jié)合坡體生態(tài)環(huán)境提升情況，進(jìn)一步提出了“截流溝+植物籬+土谷坊”的坡體微地貌改造技術(shù)，旨在控制水土流失、促進(jìn)植被的生長(zhǎng)恢復(fù)(圖19)。

圖19 陜北檸條塔煤礦北翼部分實(shí)踐工程Fig.19 Part of practice projects in Ningtiaota Coal Mine of northern Shaanxi

3.3.3 檸條塔煤礦生態(tài)修復(fù)示范

在采煤塌陷治理的基礎(chǔ)上，檸條塔煤礦聯(lián)合西安科技大學(xué)和中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)等單位進(jìn)一步對(duì)黃土溝壑區(qū)生態(tài)修復(fù)中的優(yōu)勢(shì)植被物種擇選、植被組合模式和微生物修復(fù)技術(shù)等進(jìn)行了深入研究，取得了一系列研究成果，規(guī)劃建設(shè)了2.0×105m3生態(tài)修復(fù)示范區(qū)(圖20)，為陜北黃土溝壑區(qū)采煤塌陷治理和生態(tài)恢復(fù)奠定了理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。

圖20 陜北檸條塔煤礦北翼生態(tài)修復(fù)示范區(qū)Fig.20 Demonstration area of ecological restoration in the north of Ningtiaota Coal Mine of northern Shaanxi

4 結(jié)論

a.淺埋煤層開采地表裂縫有拉張裂縫、擠壓隆起和臺(tái)階裂縫3 類，組合方式有平行并列、塌陷槽和交叉組合3 種。裂縫具有“先開后(半)合”和“只開不合”2 種活動(dòng)類型，活動(dòng)期間裂縫初始開裂寬度與最大發(fā)育寬度呈線性正相關(guān)關(guān)系，與穩(wěn)定寬度呈線性和指數(shù)2 種正相關(guān)關(guān)系。

b.揭示了黃土溝壑區(qū)淺埋煤層開采地表裂縫活動(dòng)機(jī)理，提出塊體穩(wěn)定系數(shù)與坡角呈負(fù)相關(guān)的一次冪函數(shù)，與主裂縫間距呈正相關(guān)的一次冪函數(shù)。下坡開采，穩(wěn)定系數(shù)小于1，地表裂縫呈 “只開不合”活動(dòng)。上坡段開采，坡體裂縫受巖塊倒轉(zhuǎn)和坡體滑移雙重影響呈“先開后(半)合”活動(dòng)。面內(nèi)溝底裂縫“先開后合”的活動(dòng)特征受表層巖土塊運(yùn)移控制。

c.針對(duì)黃土溝壑區(qū)地面塌陷裂縫，提出溝底貫通裂縫采用“裂縫填充+溝道恢復(fù)”、坡體裂縫“裂縫充填+微地形改造”的治理方法；針對(duì)風(fēng)沙灘地采煤地面塌陷區(qū)，提出工作面“三圈”修復(fù)模式；分別在陜北安山煤礦和檸條塔煤礦進(jìn)行了工程實(shí)踐，效果良好。