曉南礦深部開采重復采動引發地裂縫產生規律淺析

◎陳德新 梁樹民

鐵煤集團曉南礦所處的地理坐標位于21帶，東經123°為起點，海拔標高為+57m～+75m。鐵法盆地在大地構造中的位置，總體為一近似菱形的盆地。曉南井田位于鐵法煤田南部，曉南井田北鄰小青井田，西鄰大興井田，南鄰蔡牛井田。隨著曉南礦開采的不斷深入，地下采空區引發的地質災害給礦區周圍居民生產、生活帶來了嚴重的經濟損失，本文研究深部開采重復采動后地表地裂縫產生的規律，經實地測量后，井田區域內共發現了23條地裂縫，經過總結計算求出巖層裂縫角，為礦今后在同樣地質條件下開采下沉區域內建筑物的動遷及地面災害防治工作提供依據。

一、引言

近年來鐵法礦區并無地震發生，但地裂縫缺頻繁出現，僅在曉南井田區域自2010年起就發現？條地裂縫，尤其在近3年內地裂縫發生次數更為頻繁，地裂縫造成農田開裂，民房受損等直接災害，也為污染地下水提供直接渠道，礦山開采地裂縫災害所帶來的損失也是不容小覷的，嚴重時會阻礙社會的持續發展并威脅到人民的安全。

二、地裂縫調查情況

2018年9月14日曉南井田區域突降暴雨，2018年9月17日上午，宋荒地村委會、張莊村委會分別向曉南礦反映，在村耕地上發現地裂縫。隨后，經曉南礦相關人員現場初步查看，上述區域耕地上確有新地裂縫，宋荒地村耕地內共發現10條地裂，總長3905米。張莊村耕地內共發現10條地裂，總長2986米；劉景荒地村村耕地內共發現5條地裂，總長647米。通過測量人員對實地地裂縫測量，這些地裂縫斷斷續續發生，最長的地裂縫長度約920米，最短的地裂縫長度約110米，地表呈串珠狀塌陷，鋸齒狀彎曲，地裂縫總體走向為弧線。具體位置如圖1：

圖1：地裂縫位置圖

三、地裂縫產生原因

未經開采的含煤巖系原始地應力相互平衡，不同巖性巖石之間保持相對均衡穩定。但在煤炭資源開發條件下，隨著采礦活動持續進行，循序漸進的產生采空區，連續改變巖層及其圍巖的原始應力狀態，采空區上部逐漸垮落，其上覆巖層移動形成三帶，即跨落帶、裂隙帶和緩慢下沉帶。地表形成“鍋底式“下沉，隨著開采深部增加，開采煤層增多，目前曉南礦二水平工作面開采屬于深部開采重復采動，這就造成地表重復下沉，隨著工作面逐漸開采，隨著地下開采工作面逐步向前推進，煤層頂板臨空面積不斷擴大，上覆巖體重量隨之不斷增加。而當煤層頂板巖體拉伸應力達到或超過巖體力學抗拉極限時，采空區煤層頂板巖層便會發生垂向或側向拉伸位移變形。這種拉伸位移變形一般以橫梁或者懸臂梁形式沿巖層層面法線方向向下彎曲，并沿層面產生斷裂、離層空間和層間裂隙，同時導致地層破碎和冒頂塌落現象。當拉伸位移變形接近或直達采空區上覆地表時，若地應力呈線狀釋放便形成地裂縫。

四、地裂縫發展規律及巖層裂縫角實測

通過對地裂縫實測，比照曉南礦近幾年開采的工作面，確定宋荒地村、張莊村和劉景荒地村耕地上的地裂縫是受曉南礦工作面采煤沉陷影響。受2017年開采的SE-1403工作面采煤沉陷影響，在張莊村委會至宋荒地村道路西側，共發現4條地裂縫；受2016年開采的SW1402工作面采煤沉陷采影響，在曉南礦西二沙井南、西、北三側，共發現6條地裂縫；在張莊村道東共發現6條地裂縫；在張莊村道西（與大興礦井田邊界上）共發現3條地裂縫。在曉南礦至張莊村道東發現3條地裂縫。受2012年開采的SW1407工作面采煤沉陷影響，在劉景荒地養魚池西側發現1條長74米長地裂縫。通過對地裂縫實測，結合工作面實際位置，根據采空區邊界附近地表最外面的地裂縫與采空區控制邊界煤層底板點的連線傾角確定曉南井田深部開采重復采動引起的巖層裂縫角為40°。

五、地裂縫問題探討與防治

地裂縫成因首先是井下工作面開采引起地表塌陷，在自燃降雨，開采程度不斷加大的情況下不斷擴大明顯，其分布基本上與工作面順槽和切眼方向一致，并伴著開采進度逐漸加寬加長，裂縫上的隱伏狀態裂縫也會有所表現。由于人類對煤炭資源的開采日益增多，地裂縫一旦形成只能是不斷加深加寬，難以治理。地裂縫帶來的災害使耕地開裂，塌陷漏水，使民房道路損害，地下水污染加快加深，更有可能引起地表水通過地裂縫導入井下造成災害，地裂縫帶來的損失不可估量。地裂縫是構造應力和人類開采活動共同作用的產物，地裂縫的不斷發展給我們敲響了警鐘，我們不能視而不見，任其發展。

防治原則是合理避讓預防和減緩災害的發展，一經發現應及時填平夯實以地表水作用加速地裂縫的發展，節約和減少地下資源的開采才是最根本的方法。

六、結論

曉南井田深部開采重復采動引起的巖層裂縫角40°。地裂縫寬度在1.5米至3米，深度在0.8米至2.0米，裂縫帶上裂縫的深度不一致；地裂縫延伸方向與順槽和切眼方向基本一致并呈階梯狀成組出現；地裂縫一般在工作面開采6個月后首次出現，暴雨過后是地裂縫產生的高發時期。