溝谷地形下開采覆巖裂隙發育特征研究

謝黨虎

(陜西涌鑫礦業有限責任公司，陜西 府谷 719400)

神府礦區工作面所在區域地表形態復雜，溝壑縱橫，大部分區域煤層埋藏較淺，且薄基巖裸露較普遍，基巖以上被較厚的第四系黃土及新近系紅土覆蓋。與其他礦區開采煤層相比，其覆巖破斷特征、失穩運動形式及采動裂縫演化規律具有顯著的差異。

20世紀90年代以來，隨著淺埋煤層開采范圍的擴大，相關學者對其覆巖破斷失穩特征及裂縫發育規律等方面逐步進行了深入研究，并取得豐碩成果。文獻[1-4]通過對頂板結構穩定性的研究，很好的揭示了頂板破斷失穩機理，形象的描述了覆巖垮落形態。文獻[5]通過對神東礦區工作面過溝谷開采時礦壓顯現規律的研究，指出了工作面在上坡階段時易發生切頂冒落現象的原因，為工作面開采過程中覆巖破斷失穩位置的確定提供了理論指導。文獻[6，7]通過對淺埋大采高工作面頂板破斷特征、兩帶發育高度等研究，得到了比傳統冒落帶高度計算公式更接近的實測規律，為工作面安全開采提供了重要保障。文獻[8，9]基于分形幾何理論與數值模擬研究方法，從分形維數角度出發，較好的表征了采動巖體的裂隙發育特征，為不同損傷程度下裂縫發育規律的研究提供了參考依據。文獻[10-12]從覆巖結構斷裂的角度出發，給出了影響采空區地表裂縫分布形態的因素及機理，為類似條件下地表災害的防治提供了思路。文獻[13-15]通過對榆神府礦區不同開采強度下裂縫發育特征的研究，揭示了地裂縫在地表展布的分帶性。文獻[16，17]以神東礦區為研究目標，通過現場持續監測，揭示了地裂縫的動態發育規律，并建立了相應函數關系。文獻[18]基于覆巖組合結構與巖層拉伸變形的方法，對導水裂隙帶發育規律與巖層結構的相關性進行了研究，推導出了合理的拉伸率計算公式。

綜上所述，現有研究成果在巖層結構破斷失穩、覆巖垮落形態及裂縫發育規律等方面取得了豐碩的研究成果。但對于溝谷地形對薄基巖淺埋煤層開采過程中，基巖承載結構失穩誘發覆巖采動裂縫動態演化的規律仍有待研究。因此，結合安山煤礦5-2煤開采條件，對溝谷地形下薄基巖淺埋煤層開采過程中，基巖承載結構失穩對覆巖采動裂縫發育的影響進行了研究。

1 工程概況

1.1 礦井概況

安山井田為典型的黃土峁梁地貌，區內最低海拔為1075.9m、最高海拔為1364.5m，其落差較大，區域內煤層埋深為20～70m左右的溝谷地形較多，且薄基巖裸露較普遍，基巖以上被較厚的第四系黃土及新近系紅土覆蓋。

礦井目前主采煤層為5-2煤，125203工作面平均煤厚為2.3m，傾角為0°～1°，工作面走向長度為3152m，傾向長度為270.5m。工作面采用一次采全高，走向長壁綜合機械化采煤法，全部垮落法處理采空區，推進速度為14m/d左右。煤層水平標高為+1165m，地面標高為+1191～+1304m，地面位置位于沙蒿梁北側，菜溝西北側。從鉆孔資料和已揭露情況看，頂板巖性大致穩定，偽頂平均厚0.2m，炭質頁巖；直接頂為細粒砂巖，平均厚1.12m；基本頂為粉、細粒砂巖，平均厚12m，基巖以上被含沙土層所覆蓋。

1.2 現場勘察

通過對安山煤礦125203工作面地表采動裂縫發育形態及尺度特征的調研可知，淺埋煤層開采過程中，覆巖采動裂縫隨工作面的推進而呈周期性發育特征，即基巖破斷引起覆蓋層下滑，從而形成地表裂縫。工作面上方地表附近容易形成臺階型和塌陷型兩種典型的地表裂縫，其水平張開量或豎直錯動量較大，但塌陷型裂縫兩翼張開量較小；隨著工作面向前推進，采空區上方地表裂縫逐漸演化成錯動量及張開量較小的閉合型地表裂縫，且裂縫發育基本平行。

2 覆巖采動裂縫演化規律的模擬研究

2.1 試驗設計

工作面回采過程中，對基巖承載結構失穩誘發覆巖采動裂縫發育的規律很難通過現場探測得到和實現。因此，為了直觀方便的研究不同地表形態(深溝和淺溝)下的淺埋薄基巖煤層在下坡、溝底及上坡階段開采時，基巖承載結構失穩對覆巖采動裂縫發育的影響，根據安山煤礦125203工作面實際賦存情況，按照相似理論搭建了如圖1所示的平面模擬試驗平臺，模型被分成左、右兩個不同深度的溝谷地形，工作從深溝下坡段向淺溝上坡段方向推進。采用鋼尺對工作面推進過程中基巖破斷步距和采動裂縫張開量進行測量，并做好記錄。

圖1 試驗方案(cm)

相似試驗模型尺寸為3000mm×1000mm×200mm，幾何相似比為1∶100，速度相似比為1∶10。材料配制時，基巖以河沙為骨料，石膏和碳酸鈣為膠結物，而基巖上方覆蓋層屬于半固結狀態，強度極低，因此以河沙為骨料，黃土為膠結物。模型鋪設過程中，以云母片進行分層鋪設，來減小整層鋪設帶來的尺寸效應。模型巖層的厚度及配比見表1。

表1 相似模型材料配比

2.2 覆巖采動裂縫動態演化規律分析

深溝下坡階段如圖2所示，工作面在深溝下坡段從開切眼向前推進32m時發生初次來壓，基本頂由煤壁后方發生破裂而引起滑落失穩，但上方覆蓋層沒有隨基本頂失穩發生全厚切落現象，只有覆蓋層下部發生整體切落，覆蓋層上部雖有垂直裂縫發育，但受水平應力的作用，使得覆蓋層上部所受摩擦力大于其自重應力而沒有發生下滑。工作面向前推進至62m時發生第二次周期來壓，工作面后方覆蓋層隨基巖沿煤壁切落而發生整體塌陷，其垂直裂縫發育貫通地表，地表形成臺階下沉，礦壓顯現劇烈。工作面向前推進至83m時，即工作面過深溝溝底8m，基巖在非均布載荷作用下，使溝底處裂縫受上、下坡兩個不同回轉方向巖柱所產生的水平擠壓作用而逐漸閉合，地表出現隆起現象，從而降低了覆巖的導水漏氣性，其覆巖裂縫演化與其他區域相比存在一定的差異。

圖2 深溝下坡階段

深溝上坡階段如圖3所示，工作面在深溝上坡段推進過程中，由于煤壁上方載荷較大，而煤壁后方載荷較小，且工作面后方覆蓋層在水平方向為臨空狀態，使得基巖在非均布載荷作用下從懸臂梁結構逐漸轉變為鉸接結構[19]，工作面上方覆蓋層被拉伸而形成上寬下窄的“倒梯形”張開型裂縫，此時覆蓋層的深埋端在豎直方向臨空段的長度對巖塊兩端支反力的大小有著重要的影響，容易造成壓架事故的發生。工作面繼續向前推進，巖塊發生反向回轉，最終致使巖塊鉸接處被擠碎，鉸接巖塊發生滑落失穩，地表出現較明顯的臺階下沉現象，地表裂縫在覆巖回轉下逐漸閉合。

圖3 深溝上坡階段

淺溝下坡階段如圖4所示，工作面在淺溝下坡段推進過程中，覆蓋層下部隨基巖破斷發生滑落失穩，而呈非均布載荷的覆蓋層上部向采空區方向發生回轉，引起地表形成新的拉伸裂縫，覆巖采動裂縫在時空發育上表現出明顯的不同步性。工作面在淺溝溝底推進時，由于溝底較平，基巖受力較為均勻，覆巖發生整體切落后，地表裂縫張開度及錯動量較小。

圖4 淺溝下坡階段

淺溝上坡階段如圖5所示，工作面在淺溝上坡段推進過程中，受工作面上方覆蓋層埋深的影響，基巖破斷塊體長度相對于深溝上坡段所形成的塊體長度較短，且轉角較小，巖塊鉸接處不易被擠碎而發生滑落失穩，鉸接巖塊塊體數也從之前的兩個變為三個。工作面繼續向前推進一個周期來壓后，鉸接巖塊才發生滑落失穩，即覆巖在煤壁后方處發生整體切落，地表裂縫與工作面在水平方向存在滯后距，與之前相比來壓顯現更強烈，影響范圍更大。

圖5 淺溝上坡階段

綜上所述，淺埋煤層工作面過溝開采過程中，弱強度覆蓋層上的采動裂縫隨基巖破斷失穩而呈周期性動態發育演化特征，覆蓋層隨基巖切落失穩而發生下滑，裂縫形態發展變化較快，地表宏觀切落現象明顯，塌陷型和臺階型采動裂縫較為發育，形成了周期性分布的導水漏風通道。地表裂縫在時間效應和水平應力影響下，其水平張開量和豎直錯動量隨工作面周期性來壓而不斷發生突變，臨時性張開型裂縫的張開量逐漸變小。由于上坡階段工作面上方覆蓋層的后方臨空，因而上坡階段較下坡階段裂縫的張開量大；深溝溝底處裂縫受上、下坡兩個不同回轉方向巖柱所產生的水平擠壓作用而逐漸閉合，地表出現隆起現象，從而降低了覆巖的導水漏氣性。

特征參數結果分析如圖6所示，受地表形態差異的影響，125203工作面周期來壓步距和上方地表裂縫張開量存在明顯的離散性，周期來壓步距的平均值為17m，眾數與平均值相近。工作面上方地表裂縫張開量的平均值為0.8m，極差為1m，離散性系數為0.35，裂縫張開量離散性較大，但主要集中在0.5m左右，且地表裂縫平均滯后工作面5m發育，因而覆巖豎向裂縫發育角近似垂直。(注：為了減小試驗誤差，使統計分析更加準確和具有更高的信服度，分析時去掉了參數中的極大值和極小值。)

圖6 特征參數結果分析

3 溝谷地形對覆巖結構穩定性的影響

3.1 覆巖結構力學分析

覆巖采動裂縫發育受基巖承載層的控制，基巖破斷失穩直接引起覆蓋層整體運動，產生貫通型采動裂縫，覆巖形成全厚切落。因此，對溝谷地形下基巖極限承載能力及其影響因素的研究，可以為分析淺埋煤層開采過程中貫通型采動裂縫發育高度及間距的計算奠定基礎。

由于基巖上方覆蓋層屬于半固結狀態，強度極低，因而工作面回采后，在覆蓋層自重應力大于其下滑所需的摩擦力時，覆蓋層將隨基本頂的破斷而發生條柱式全厚切落，基巖承載結構實際所受壓力為覆巖自重與其兩側摩擦力之差。若將基本頂來壓步距作為承載結構的垮距，則工作面在溝谷地形下開采時，基本頂在其上方覆蓋層作用下形成如圖7所示的圍巖結構力學模型。

圖7 非均布載荷梁力學模型

為了承載結構受力計算方便，假設覆巖采動裂縫發育角為直角，即弱強度覆蓋層主動土壓力系數為1。

由梁的靜力平衡方程可知：

則非均布載荷梁兩端處的支反力大小為：

式中，FRA，FRB為非均布載荷梁兩端處的支反力，kN；a、b為非均布載荷梁上方覆蓋層的淺埋端和深埋端，m；γ為覆蓋層的平均體積力，kN/m3；L為基巖承載層的垮距，m；tanφ為覆蓋層滑移面的摩擦因數，取0.3[3]。

由式(2)可知，非均布載荷梁兩端處支反力的差值為：

因此，當垮距L<0.9(a+b)時，非均布載荷梁兩端處所受支反力的差值小于零，即非均布載荷梁在淺埋端反而受到更大壓力。a、b相等時，載荷梁兩端支反力大小相等，裂縫發育基本同步。

在非均布載荷梁AB段內取距原點為x的任意截面，由剪力計算方法可知：

式中，FS(x)為距原點為x的基巖斷面上所受到的剪力，kN；θ為覆蓋層表面坡度，(°)。

則這一截面上基巖斷面所受剪力為：

由式(5)可知，非均布載荷梁各截面處所受剪力隨x的變化而變化。為了解其變化規律，現對x求導，并令其等于零，則可知非均布載荷梁在區間(0，L)上單減，其所受剪力的極值為：

由上述關系可知：

1)若工作面沿上坡方向推進，則非均布載荷梁下的最大剪應力在工作面煤壁處，在基本頂所受剪應力大于其抗剪強度時，其將沿煤壁發生剪切破壞，從而使覆蓋層發生全厚切落，引起地表出現臺階下沉；若工作面沿下坡方向推進，則非均布載荷梁在工作面后方受最大剪應力破斷后，將引起基本頂在煤壁附近發生拉剪破斷失穩。

從基本頂力學性質和應力環境出發研究工作面開采過程中其自身的穩定性，是預測溝谷地形下淺埋薄基巖煤層工作面周期來壓步距的力學研究基礎。在最大剪力作用下，非均布載荷梁破斷時，其最大剪應力為：

式中，τmax為非均布載荷梁所受到的最大剪應力，MPa；h為非均布載荷梁的厚度，m。

因此，當非均布載荷梁所受到的最大剪應力達到其抗剪強度時，其垮距為：

式中，[τ]為非均布載荷梁的抗剪強度，MPa。

上述關系表明：

2)非均布載荷梁兩端所受支反力的大小見式(9)。

3.2 裂縫間距與覆蓋層厚度及坡度關系

為了研究覆蓋層厚度及坡度變化對覆巖采動裂縫間距及發育高度的影響規律，應用式(8)對其規律做了進一步分析，如圖8所示(其中h=12m、[τ]=1.29MPa、γ=20kN/m3)。

圖8 裂縫間距與覆蓋層厚度及坡度關系

從圖8中可以明顯看出，淺埋端從30m變化到90m，深埋端從150m變化到90m時，坡度減小39°，來壓步距僅增大約2m，因此不同地表坡度下的同一工作面在開采過程中，其上方覆蓋層厚度之和相等時，覆巖采動裂縫基本成等間距發育；而平均埋深從150m變為30m時，來壓步距增大27.5m，說明覆蓋層厚度對來壓步距影響較大。

4 結 論

1)淺埋薄基巖煤層開采過程中，覆巖采動裂縫隨基巖破斷失穩而呈周期性動態發育演化特征，覆蓋層隨基巖切落失穩而發生下滑，工作面上方地表附近塌陷型和臺階型采動裂縫較為發育，采空區上方地表裂縫逐漸演化成錯動量及張開量較小的閉合型地表裂縫。上坡階段較下坡階段裂縫的張開量大；深溝溝底處裂縫受上、下坡兩個不同回轉方向巖柱所產生的水平擠壓作用而逐漸閉合，地表出現隆起現象，從而降低了覆巖的導水漏氣性。

2)受地表形態差異的影響，125203工作面周期來壓步距和上方地表裂縫張開量存在明顯的離散性，周期來壓步距的平均值為17m，但眾數與平均值相近；工作面上方地表裂縫張開量的平均值為0.8m，但主要集中在0.5m左右，且地表裂縫平均滯后工作面5m發育，因而覆巖豎向裂縫發育角近似垂直。

3)基于溝谷地形下淺埋薄基巖煤層覆巖垮落結構特征，建立了非均布載荷梁結構力學模型，推導了覆巖結構穩定性判別條件，確定了基本頂兩端壓力、剪力及垮距等參數的計算公式，為覆巖采動裂縫間距與覆蓋層厚度及坡度關系的分析奠定了重要基礎。