淺埋煤層開采地裂縫發育特征研究*
——以陜西榆家梁煤礦為例

李海鵬

(神東煤炭集團榆家梁煤礦，陜西 神木 719315)

0 引言

隨著東部礦區資源的日漸衰竭，煤炭西進戰略已成現實，西部礦區地下資源開采造成的地裂縫災害日益引起人們的關注。西部礦區具有埋藏淺、基巖薄、厚松散層覆蓋、地形起伏大等特點，地裂縫受到地質采礦環境及地形地貌條件的雙重脅迫作用[1]，發育規律復雜。

針對薄基巖淺埋煤層開采造成的黃土溝壑區地表塌陷及地裂縫災害，國內外學者[2-5]分別采用理論分析、現場實測、數值模擬等方法進行了大量研究，在研究巖層移動、地表變形的基礎上，對西部礦區采動引起的巖層破斷及地裂縫災害的研究逐漸深入。研究主要從采動地裂縫的形成機理、采動地裂縫的發育規律等方面進行了研究、建立了采動裂縫與地表移動關系模型[6]、裂縫時空演變規律模型、裂隙采動累計效應模型等理論模型，取得了一定的理論與實踐成果。但是由于西部礦區地形起伏較大，采動地裂縫受到地質采礦環境與地形地貌雙重脅迫作用，其發育規律更為復雜，同時，受到現有技術條件的限制，通過實際現場勘測對采動地裂縫發育的研究較少[7-8]。

以陜西榆家梁煤礦43303-2工作面為研究對象，對其采動地裂縫進行監測，分析地裂縫的形態、區域分布情況以及影響因素，為進一步深入研究采動地裂縫形成機理及發育規律提供了理論依據和參考。

1 研究區域概況

榆家梁煤礦地處陜西省神木市店塔鎮，是神東煤炭集團所屬生產礦井之一。43303-2工作面走向長702.74 m，工作面傾向寬351.25 m，煤層厚度1.50～1.80 m，平均1.68 m，平均開采深度170 m，工作面內地層總趨勢是以極緩的坡度向北西傾斜的單斜構造，傾角1°～3°，斷層不發育，后生裂隙發育。工作面地表廣覆第四系松散沉積物，地形起伏變化比較大，區域位置示意圖如圖1所示。

圖1 研究區域位置

為了掌握其采煤沉陷引起地裂縫動態發育過程，當地表受工作面采動影響時，利用全站儀每天測量的方法測量裂縫發育位置，如圖2所示。采用小鋼尺量距方法測量新發育的裂縫進行寬度、落差和深度測量，對每條動態裂縫進行周期性觀測直至裂縫完全閉合或穩定，最終繪制地裂縫分布圖。

圖2 工作面上方地裂縫發育情況

2 采動裂縫實測規律分析

通過對工作面上方發育的地裂縫進行持續動態監測，地裂縫的分布圖如圖3所示。由此得出如下規律：煤炭資源從地下被開采后，原有地下應力平衡狀態被打破，采空區周邊的巖體向采空區移動變形，采空區的空間逐漸向上傳播，直到地表形成下沉盆地，但是由于43303-2工作面采深較小(深厚比<30)，地表主要由風積沙和黃土層組成，內聚力較小，抗拉伸能力較小，受采動影響在地表逐漸形成地裂縫。

圖3 地表監測裂縫井上下對照圖

隨著工作面的推進，地裂縫的發育是一個動態過程。首先在開切眼外側產生裂縫，產生與工作面推進方向垂直的閉合環帶，隨著工作面推進先增大后減小直至閉合。經計算平均以7～10 m在地表依次出現一道地裂縫圈，地裂縫超前影響距平均為13 m，平均超前影響角為85.63°。

根據發育過程，可以將采動過程中的裂縫分為臨時性裂縫和永久性裂縫兩種。臨時性裂縫穩定性差，隨著工作面的推進，先增大后減小直至閉合，工作面位于裂縫下方時，裂縫最寬，推進過后裂縫逐漸減小直至閉合。永久性裂縫是地表穩沉后而形成的永久性的破斷，穩沉后裂縫無法完全閉合。

3 地裂縫形成影響因素分析

3.1 深厚比對地裂縫的影響

一般情況下，當開采的深厚比<30時，地表才會形成較大的裂縫。當采深較大時，地表沉陷較小，且地表沉陷呈現連續變形，在地表形成沉陷盆地；當采深較小時，引起地表變形較大，變形值大于地表土體的抗拉或者抗剪輕度時，會形成地表裂縫。43303-2工作面深厚比<30，上方的裂縫以拉伸型、擠壓型裂縫為主。

3.2 表土層性質對地裂縫的影響

由于土體的松散特性，在地表發生移動變形時，會通過產生裂縫的形式吸收變形。相同地質采礦條件下，塑性較大的表土會集中吸收地表變形，導致產生的裂縫條數較小，間距較大，裂縫寬度大。塑性較大的黏土當地表變形超過6～10 mm時，會產生地裂縫，而塑性較小的黏土當地表變形達到2～3 mm時，就會產生地裂縫。

3.3 開采速度對地裂縫的影響

地裂縫形成是一個動態過程，開采速度對地裂縫形成的時間以及動態發育過程有一定影響。當開采速度較大時，地裂縫發育之后煤層開采一段時間；當開采速度較小時，地裂縫發育超前于煤層開采。

3.4 地形地貌對地裂縫的影響

地表受工作面采動拉伸影響，形成了裂縫圈，基本垂直于工作面推進方向，但是受到地表地形的影響，存在向下坡方向滑移的趨勢，使得地裂縫延伸方向受坡體的影響，同時地表坡度越大，滑移越明顯，地裂縫寬度越大。對43303-2工作面上方不同時間監測的地裂縫長度以及超前影響距進行分析(表1)，發現裂縫的長度基本在360～400 m左右，受到地形的影響較小，而超前影響距受到地形影響較大，如在2018年2月21日工作面推進位置的正上方位于一個正向坡上，使得裂縫產生位置位于工作面推進位置之后6 m處，而2月24日工作面推進位置的正上方位于一個逆向坡上，使得裂縫產生位置位于工作面推進位置之前32.8 m處。

表1 不同時間段的裂縫長度和超前影響距

4 結論

(1)隨著工作面的推進，地裂縫的發育是一個動態過程，但隨著工作面推進一段距離后，逐漸在地表產生地裂縫。首先在開切眼外側產生裂縫，然后，隨著工作面推進產生與工作面推進方向垂直的閉合環帶，同時地裂縫呈先增大后減小直至閉合的動態發育特征。

(2)采動過程中的地裂縫受多種因素的影響，主要有深厚比、表土層性質、開采速度以及地形地貌等因素的影響。