淺埋煤層開采地表裂縫發育規律及機理研究

苗彥平，謝曉深，陳小繩，從 通，王建文，侯恩科，馮 棟

（1.陜煤集團神木紅柳林礦業有限公司，陜西 神木 719300；2.西安科技大學 地質與環境學院，陜西 西安 710054；3.煤炭綠色開采地質研究院，陜西 西安 710054；4.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077；5.陜煤集團檸條塔礦業有限公司，陜西 神木 719300）

煤炭大規模開發利用會對表生環境產生一定的負面影響，嚴重時會導致水土流失、植被枯萎、水資源枯竭等[1-3]。地表裂縫是煤礦區常見的1 種災害類型，也是使表生環境發生改變的主要原因，特別是在淺埋煤層開采區，地表裂縫發育程度高，局部位置會與覆巖裂隙貫通，增加了礦井漏風、潰水的危險[4-7]。

榆神府礦區是陜北1 個重要的煤炭生產地，煤炭資源/儲量豐富，煤質優良，開采條件簡單，為該區的規模開發利用奠定了基礎[8-10]。目前，位于榆神府礦區中北部的淺埋煤層區是主要開采區，采煤方法主要為長壁綜采、自然垮落法管理頂板，特點是工作面規模大、開采強度高[11]。由于煤層埋藏淺、地形復雜，致使該地區采煤地表裂縫發育規律和形成機理更加多變。為解決這一問題，許多學者通過野外調查、數值模擬和相似材料模擬試驗揭示了淺埋煤層開采地表裂縫發育類型和靜、動態發育特征，闡明了覆巖應力場、裂隙場演化對地表裂縫的控制作用，并提出了對應的治理方法[12-15]。侯恩科等[16]通過無人機航拍和人工動態監測揭示了黃土溝壑區極淺埋煤層開采地表裂縫“先開-后合-再開”的動態發育特征；范立民等[17]榆神府礦區典型工作面誘發的地表裂縫空間展布規律進行了分形統計，揭示不同位置區域的地表裂縫展布特征；余學義等[18]通過數值模擬和相似材料模擬試驗揭示了溝壑區淺埋煤層開采坡體滑移、臺階裂縫和閉合裂縫的破壞特征和形成機理；謝黨虎[19]基于相似材料模擬試驗闡述了溝谷地形下采動裂縫的發育規律，建立了基本頂受力模式；車曉陽等[20]利用野外人工監測和相似材料模擬試驗揭示了溝谷區淺埋煤層覆巖演化特征與地表裂縫發育規律之間的關系；劉輝等[21]基于薄板利用給出淺埋煤層塌陷型裂縫的形成機理，認為關鍵層是造成塌陷型裂縫滯后發育關鍵。以上研究成果為進一步揭示黃土溝壑區淺埋煤層開采地表裂縫發育規律、闡明其形成機理奠定了基礎，但由于開采地質條件的差異，地表裂縫的表現類型、發育規律和形成機理需要更進一步研究，為此，以檸條塔井田N1212 工作面為主要研究對象開展研究，旨在為礦井安全開采及地表環境恢復治理提供基礎。

1 采動地表裂縫發育規律

N1212 工作面位于檸條塔井田東部，考考烏素溝以北，地表屬黃土溝壑地貌，沖溝發育。工作面走向長1 965 m，傾向長度170.4 m 和294.4 m，開采2-2煤層，開采厚度4.8 m，平均開采深度178 m，采用綜合機械化一次性采全高，全部垮落式管理頂板。工作面上方是N1118 工作面采空區。

1.1 地表裂縫類型及表現特征

經調查發現，N1212 工作面回采后地表裂縫主要有2 類，一類是臺階型裂縫，裂縫兩側具有落差，形似“臺階”，按照臺階朝向與回采方向的關系分為“正臺階”和“負臺階”2 種；另一類是呈平直狀或者弧型的拉伸型裂縫，裂縫兩側高度基本持平，無落差，由地表拉伸作用產生。

在調查的125 條裂縫中，裂縫寬度0.1～150 cm。其中，＜5 cm 的裂縫條數占調查裂縫的46%，5～10 cm 的裂縫條數占比為25%，10～15 cm、15～20 cm和≥20 cm 寬度的裂縫占比分別為15%、5%和9%。裂縫整體平均寬度10 cm；裂縫落差0～120 cm，平均落差為18.6 cm。以5 cm 落差高度分界值劃分發現，＜5 cm 落差的裂縫占比為42%，5～10 cm、10～15 cm、15～20 cm 落差的裂縫占比分別為9%、7%和8%，≥20 cm 落差的裂縫占比達到34%。野外調查中，寬大裂縫大多分布在N1212 工作面和N1118 工作面疊置區域、坡頂等位置。地表裂縫特征如圖1。

圖1 地表裂縫特征Fig.1 Characteristics of surface cracks

1.2 地表裂縫展布特征

N1212 工作面地表裂縫展布圖如圖2。從圖2中可以看出，N1212 工作面地表裂縫展布特征明顯，垂直回采方向的裂縫以相互間隔平行的方式展布在面內和切眼外側（已被填埋），相鄰2 條裂縫之間間隔距離8～15 m，平均在10 m 左右；平行回采方向的裂縫以平行并列的方式展布在工作面巷道附近。

圖2 N1212 工作面地表裂縫展布圖Fig.2 Surface crack distribution of N1212 working face

1.3 地表裂縫活動特征

為全面揭示黃土溝壑區N1212 工作面采動地表裂縫活動特征，選取了面內平行切眼裂縫和平行巷道裂縫進行地表裂縫活動監測，其中，根據發育位置，又將面內平行切眼裂縫分為了坡頂、正向斜坡、反向斜坡以及坡腳4 類。

地表裂縫活動曲線如圖3。從圖3 可以看出，N1212 工作面采動地表裂縫具有2 種活動特征，1種是“只開不合”的活動特征，即裂縫寬度由小變大再穩定，主要發育在平行巷道裂縫以及位于坡頂、正向斜坡位置的面內平行切眼裂縫，活動周期為4～9 d，另一種是“先開后合”的單峰活動特征，即裂縫寬度變現出由小變大再減小至穩定的活動特征，主要發育在位于坡腳和逆向斜坡的面內平行切眼裂縫中，裂縫活動周期為4～5 d。

圖3 地表裂縫活動曲線Fig.3 Surface cracks activity curves

2 采動地表裂縫形成機理

以N1212 工作面地質條件為原型，采用顆粒流數值模擬軟件PFC2D構建數值模擬模型，模擬2-2煤層開挖過程中覆巖及地表移動破壞過程，揭示地表裂縫的形成機理。數值模擬模型如圖4。

圖4 數值模擬模型Fig.4 Numerical simulation model

據《開采損害學》介紹，一般情況下，當工作面走向回采長度大于1.4H（H 為平均埋深）時，地表達到充分采動。N1212 工作面地表達到充分采動的走向臨界回采長度為250 m，為保障達到該值，將模型尺寸定為：700 m×228.6 m，共劃分17 層巖體結構。模型模擬開采2-2煤300 m，采用平行黏結模型，為消除邊界效應對數值模擬結果的影響，設計模型時在開切眼和停采線2 側各生成200 m 邊界，共開挖30次，每步煤層開挖10 m。

2.1 力鏈演化規律

模型初始力鏈分布特征如圖5。覆巖應力演化特征如圖6。

圖5 模型初始力鏈分布Fig.5 Model initial force chain distribution

圖6 力鏈演化特征圖Fig.6 Force chain evolution characteristic diagrams

從圖5 中可以看出，模型由深至淺，顆粒間力鏈強度逐漸減弱，符合自然條件下覆巖應力分布特征，表明模型滿足開采要求。

從圖6（a）～圖6（d）可以看出，隨著煤層不斷被開采，上覆巖層應力發生改變。切眼位置和回采位置的煤柱是應力集中區，力鏈強度高，采空區上方應力強度由強變弱，強度值減小，且上覆巖層應力狀態呈現出“拱形”，表明上覆巖層仍具有一定的支撐力。隨著采空區范圍不斷擴大，“應力拱”形態范圍也逐漸增大，高度不斷上升，表明隨著煤層推采，上覆巖層破壞高度不斷上升。當回采結束，覆巖應力“拱”的形態不再明顯，覆巖應力呈現出強、弱力鏈混合狀態，強力鏈主要位于切眼和停采線附近，并向采空區方向偏移，但由于采空區范圍較大，強力鏈拱的強度不能承受采空導致的覆巖破壞，強力鏈拱作用弱化，應力分散到其余基巖顆粒，說明此時采動覆巖破壞已達到地表，如圖6（e）。

2.2 覆巖及地表破壞特征

工作面推采10 m 時覆巖演化如圖7。工作面推采20 m 時覆巖演化如圖8。工作面推采30 m 覆巖演化如圖9。工作面推采50 m 覆巖演化如圖10。工作面推采300 m 覆巖特征如圖11。

圖7 工作面推進10 mFig.7 Working face advancing 10 m

圖8 工作面推進20 mFig.8 Working face advance 20 m

圖9 工作面推進30 mFig.9 Working face advancing 30 m

圖10 工作面推進50 mFig.10 Working face advancing 50 m

圖11 工作面推進300 mFig.11 Working face advancing 300 m

由圖7 可以看出，當工作面推采10 m 時，煤層上覆巖層整體未發生斷裂和垮落，仍對其上覆巖層具有支撐作用。但從微觀角度看出，模型顆粒間開始出現不聯通的微小裂縫，表明巖體在重力作用下發生彎曲變形，內部開始形成微小破裂，只是尚沒有達到其極限值。

由圖8 可以看出，隨著煤層不斷開挖，當采煤工作面推進至20 m，采空區上覆巖層微小裂隙開始逐漸聯通并組合形成拱形，與覆巖應力演化相對應。裂隙兩端逐步向上發育，但頂板仍未發生垮落。

由圖9 可以看出，當采煤工作面推進30 m 時，采空區范圍進一步擴大，上覆基巖裂隙開始密集發育并相互聯通，巖層彎曲下沉達到其極限值，頂板發生垮落，充填至采空區，但垮落區域未壓密實，從圖9 中看出垮落形態與“應力拱”相似，也呈拱形。切眼以及回采位置煤柱上方微裂隙發育密集且高度較高，說明這2 處所受應力較強且集中。

由圖10 可以看出，當采煤工作面推進50 m，微裂隙不僅向上發育，采空區下方逐漸出現向下發育的裂隙，隨著微裂隙逐漸貫通形成大型裂隙，覆巖發生2 次垮落，覆巖破壞高度上升，前一步形成垮落區域進一步擠壓密實，覆巖開始進入周期性垮落階段。回采位置前方地表開始出現裂縫。

從圖11 中可以看出，當模型開挖結束，上覆巖層均發育大量裂隙，且上覆巖層裂隙與地表裂縫發生貫通，表明導水裂隙帶發育至地表。導水裂隙帶形態呈“倒梯形”，從裂縫發育密集程度而言，切眼上方地表裂隙密集程度相對高，表明切眼上方地表裂縫發育程度高、地表破壞程度大。

分析認為：N1212 工作面回采覆巖破壞以“拱”型向前擴展，頂板初次垮落步距約30 m，周期垮落步距約10 m；覆巖破壞高度發育至地表，即導水裂隙帶發育至地表，呈“倒梯”形。地表裂縫由拉張作用產生，超前發育，隨工作面回采逐漸與覆巖裂隙發生貫通。

2.3 地表移動變形特征

煤層推進過程中地表下沉盆地逐漸擴展成形。地表下沉曲線如圖12。

圖12 地表下沉曲線Fig.12 Surface subsidence curves

從圖12 可以看出，地表下沉曲線近似呈現“U”型，地表最大下沉點隨回采逐漸向前推移，當煤層回采300 m 時，地表最大下沉量為4 740 mm，位于采空區中心位置附近。切眼位置地表曲線彎折程度大，斜率增速大，說明該處水平變形明顯，大于地表其它位置，也表明切眼上方地表裂縫發育程度高，與前文覆巖及地表裂隙發育相一致。

地表水平移動分為正值和負值，與工作面回采方向相同的位移方向為正，反之為負，地表水平位移曲線如圖13。

圖13 地表水平位移曲線Fig.13 Surface horizontal displacement curves

由圖13 可知，隨工作面回采，地表水平移動量逐漸增大，影響范圍逐漸前移，且具有超前性；采空區上方部分地表點水平移動量均呈現出“零-負值-正值”的變化特點，表明地表點隨回采先受拉張力逆回采方向移動，后因壓縮順回采方向移動特征，很好的解釋了地表裂縫“先開后合”的活動特征。此外，切眼及停采線上方地表水平移動量無正負轉化特點，切眼上方始終為正值，最大值為1 673 mm，停采線上方始終為負值，最大值為-791 mm，表明工作面邊界上方地表裂縫無閉合特點，工作面煤巷上方地表裂縫亦有此特點，與實際調查相吻合。

分析認為：淺埋煤層開采地表裂縫的產生與地表水平移動和覆巖內部裂隙發育均有關，而裂縫“先開后合”活動特征則與地表“拉伸-壓縮”水平移動轉化相關；“只開不合”的活動特則是地表只發生拉伸移動導致的，一般位于工作面邊界上方。而面內地表裂縫“只開不合”的活動特征則與黃土溝壑的滑坡體滑移量有關。

3 結 論

1）淺埋煤層開采地表裂縫多以“臺階狀”和“平直狀”形態發育，“臺階狀”＞10 cm 寬度的裂縫占比29%，＞10 cm 落差高度的裂縫占比49%。地表裂縫存在“只開不合”和“先開后合”2 種活動特征，前者發育在工作面邊界上方地表裂縫以及位于坡頂、正斜坡位置的面內平行切眼裂縫中，后者主要發育在坡腳和逆斜坡位置的面內平行切眼裂縫中。

2）淺埋煤層開采上覆巖層應力和破壞呈“拱”型向前擴展，頂板初次垮落步距約30 m，周期垮落步距約10 m；覆巖內部裂隙與地表裂縫相互貫通，最終導水裂隙帶形態呈“倒梯”形。

3）淺埋煤層開采地表裂縫超前回采位置產生，與地表水平移動和覆巖內部裂隙發育有關；裂縫“先開后合”活動特征則與地表“拉伸-壓縮”的水平移動轉化有關。“只開不合”的活動特征則是地表水平拉伸無壓縮的導致的，且與工作面邊界地表水平移動和坡體的滑移密切相關。