煤礦工作中地表裂縫的成因與防治

＊杜 江

（晉能控股煤業集團煤峪口礦 山西 037000）

引言

煤礦工作中，最主要的工作內容便是對煤炭資源的合理開發與利用，然而在煤炭資源十分緊缺的形勢下，煤礦開采的難度也逐漸增大?，F階段的煤礦開采工作多以地下開采為主，很少有礦區適合采取露天開采措施，這無疑會加大煤礦開采的危險系數。雖然目前的煤礦開采中已經逐步實現了自動化，但還有部分工作內容是機械技術無法取代的，這意味著開采人員的人身安全將受到一定威脅。其中地表裂縫問題較為常發，對開采作業安全性的影響也較大。因此，對地表裂縫的防治策略展開研究極為必要。

1.地表裂縫的類型及成因

煤礦開采的過程中，開采作業對土層結構會產生較大的擾動影響，地層結構在外力破壞下很容易打破原有的平衡，致使在多方應力發生改變的情況下產生地表裂縫的問題。總結前期的煤礦開采經驗，可將地表裂縫細分為拉伸裂縫、擠壓裂縫和塌陷裂縫三種類型，其中拉伸裂縫和擠壓裂縫的成因相似，均與巖體應力相關，而塌陷裂縫則不同。根據裂縫成因的不同需要采取特定的防治措施，現就三種地表裂縫的成因進行分別闡述，為后續的防治工作奠定一定的基礎。

(1)拉伸、擠壓型裂縫的成因

拉伸裂縫指的是，由于地表拉應力大于地表結構承受范圍拉裂形成的一類裂縫，一般會分布于地表變形較為嚴重的區域，且分布較為密集，但寬度小，發育也較為遲緩，不會產生臺階（見圖1）。擠壓裂縫則是指，由于地表被壓縮，且其壓縮值超出地表結構的抗擠壓能力的情況下所產生的地表開裂和隆起現象。擠壓裂縫會隨著開采工作的進行而緩慢發育，通常會在地表出現隆起，且縫隙較?。ㄒ妶D2）。

圖1 拉伸型裂縫

圖2 擠壓型裂縫

主要成因：通過對開采區域應力分布狀況的分析可以得出，在采空區上部的土層結構需要同時受到兩種應力影響，分別為拉應力和壓應力。一般在采空區的正上方主要受到壓應力影響，根據采空區的結構特點，通常會在局部產生擠壓作應力，形成擠壓裂縫。而在煤柱區域分布的應力則以拉應力為主，發生拉伸裂縫的幾率較大。隨著煤礦開采工作的推進，會在礦區內形成較大的采空區，由于下方的煤炭被采出，采空區下部因缺少結構支撐將發生沉降反應，此時則會在地表形成兩個變形區，分別受壓力和拉力影響，產生拉伸變形區和壓縮變形區，我們將變形區的拐點位置稱之為分界點。煤礦開采的整個過程，拉伸裂縫和擠壓裂縫均會在其固有的區域內持續發育，當拉應力加大或者擠壓力增大的情況下，變化產生較為集中和明顯的地表裂縫，不僅威脅煤礦生產安全，還影響區域生態環境。

(2)塌陷裂縫的成因

塌陷裂縫是指，在開采過程中由于地層結構被不斷破壞，導致地面塌陷所引發的裂縫問題，通常裂縫的發育與開采作業進程相關，隨著開采工作的深入，塌陷裂縫的寬度會快速發育，形成深度和寬度較大的地表裂縫。

圖3 塌陷型裂縫

主要成因：塌陷裂縫與煤礦采空區的面積相關，采空區的面積越大，塌陷程度越嚴重，所產生的裂縫也會呈現出深度大和寬度大的特性。當地表土層發生破斷后，便會引發地表塌陷問題，在塌陷區域產生集中分布的裂縫。

2.煤礦工作中地表裂縫的防治

地表裂縫防治的主要目標是降低地表裂縫問題的發生率，減少因地表裂縫所引發的生產安全事件。結合地表裂縫的成因，需要采取如下幾點防治措施。

(1)做好礦區地表觀測

在煤礦開采之前，對礦區的土質狀況以及地層分布特點進行全面勘察，結合勘察結果確定區域內的重點觀測區，即對于地層結構中巖體結構較弱的部分進行重點觀測，在其中設置多個觀測點，及時探查地表移動狀況。隨著開采深度的加大，地表會出現明顯的移動現象，當其移動值超出規范值之后便會形成地表塌陷，從而引發裂縫。因此，在觀測地表移動狀況的同時，應根據觀測數據及時采取結構加固措施，防治地表裂縫問題的發生。

(2)采取邊開采邊填充的作業手段

地表裂縫問題集中發生在采空區，由于下部被采空，缺少支撐而出現地面塌陷裂縫的案例數不勝數，目前較為有效的防治手段為采取邊開采邊填充的作業方法，即在采取分段開采的手段，開采完一段并將煤渣運出后，便可將開采過程中產生的石渣以及固體廢棄物填回采空區域，并進行夯實處理，使其能夠起到良好的支撐作用，對采空區上部土層結構的穩定性加以保護。將碎石以及砂礫等填充至采空區，還可減少上層壓應力對頂板結構的破壞影響，控制覆巖的下沉現象，從而維系地表結構的穩定性。此外，該種作業方式也能在一定程度上保障井下作業的安全性，尤其可以保護開采人員的人身安全。

(3)根據地表裂縫機理設計開采方案

煤層開采時對于地表結構的擾動影響是誘發地表塌陷問題的關鍵性因素，為能達成防治地表裂縫的目標，需要結合地表裂縫的機理對于開采方案進行科學設計。主要內容包括對開采面的合理布置與劃分；對地面的有效保護措施；對應力集中現象的合理控制等。此外，還應根據各類地表裂縫的分布特征制定科學可行的防治預案，盡可能將地表裂縫問題控制在萌芽階段，降低地表裂縫對煤礦開采作業的影響。

(4)觀測巖層變化規律

巖層的變動過程十分復雜，它不僅受地質條件本身的影響，還受到諸多外部因素的影響。對于巖層變動規律的分析可以為地表裂縫提供一定的參考，使其成功預測地表塌陷問題，并結合以往的地表塌陷表現制定出合理的防治措施。因此，在進行煤礦開采的同時，也需加強對巖層變動的重視，采取有效的觀測手段對巖層變化現象進行具體分析，最終總結出巖層變化的規律，確保為地表裂縫防治工作奠定良好的基礎。

3.結束語

上文針對地表裂縫類型以及成因進行了分別闡述，通過對地表裂縫成因的分析可以發現，其同時受到開采作用力的影響和地質構造本身的影響，當受到外力作用致使原本平衡的應力分布被打破后，便會影響地層結構的穩定性，進而引發地表裂縫。因此，在對地表裂縫問題進行防治時，也需結合其成因，對開采作業方法進行科學選擇與科學設計，盡可能降低對地層結構的擾動影響，且對于采空區這種地表裂縫集中發生的區域需要進行重點觀測，在開采完成后及時填充，保障上層結構的穩定性。