不同地貌條件下采煤地表裂縫發(fā)育規(guī)律

張 艷，胡圣桃，龍建霖，吳彩艷

(1.陜西省一九四煤田地質有限公司，陜西 銅川 727000；2.陜西省一八五煤田地質有限公司，陜西 榆林 719000)

0 引言

陜北地區(qū)是我國煤炭開采的主要產(chǎn)區(qū)之一，處于黃土高原和毛烏素沙漠交接的位置[1]。煤炭開采與水資源、土地資源和生態(tài)環(huán)境的關系十分密切，采煤地表裂縫更是關鍵的一環(huán)[2-4]。目前，陜北采煤區(qū)包括神北礦區(qū)、神南礦區(qū)、神府礦區(qū)、榆神礦區(qū)和榆橫礦區(qū)等。其中，神北礦區(qū)以風沙灘地貌為主，榆神礦區(qū)、神府礦區(qū)等已經(jīng)開采區(qū)域以黃土梁峁地貌為主。神南礦區(qū)則橫跨兩大地貌，是目前已經(jīng)開采區(qū)域中地貌對比最強烈的區(qū)域。不同地貌下采煤對地表的擾動對比研究意義重大。

國內關于采煤地裂縫的研究十分豐富，在方法上有野外地質調查、遙感、無人機觀測、數(shù)值模擬、物理模擬及理論研究等[5-7]。在研究內容方面，有單一煤層開采地裂縫研究，有多煤層疊加開采地裂縫研究，有地表裂縫幾何特征研究，有隱伏地下裂縫幾何特征研究，有地裂縫對土壤影響的研究，有地裂縫對生態(tài)環(huán)境的影響研究，有采煤地裂縫發(fā)育機制研究，有單一地貌下地裂縫發(fā)育特征研究[8-12]。但在同一開采煤層不同地貌條件下，系統(tǒng)地采用野外地質調查方法對比分析采煤地裂縫發(fā)育規(guī)律的研究未見報道。

為此，以陜北典型的黃土梁峁地貌和風沙灘地貌為背景，同樣開采檸條塔煤礦2-2煤層，系統(tǒng)分析2個工作面的觀測邊界裂縫和平行裂縫特征，并對比其中的差異。

1 研究區(qū)概況

1.1 地形地貌條件

研究區(qū)為陜北侏羅紀煤田陜北礦區(qū)某大型煤礦，位于陜北神木市西北部，南部為榆神礦區(qū)，沿礦區(qū)中部考考烏素溝分割為2大類地貌單元，即北部為黃土溝壑地貌，南部為風沙灘地貌，如圖1所示。礦井內可開采煤層有11層，但目前主要開采1-2煤層和2-2煤層，其中2-2煤層2種地貌單元都大量賦存，是本次研究的目標煤層，其平均厚度5.56 m。已有的研究和實踐證明采煤地表裂縫受多種因素制約，其中地貌的影響就是其中的關鍵因素，因此選取以下相似工作面進行對比研究。

圖1 研究區(qū)典型地貌

1.2 采煤工作面概況

1.2.1 黃土溝壑區(qū)典型采煤工作面

本次選取的采煤工作面為N1209工作面，該工作面位于考考烏素溝以北，地表為典型黃土溝壑地貌。工作面傾向長度295 m，走向長度1 316 m，傾角0.3°。工作面開采2-2煤層，平均厚度5.87 m，煤層總體近于水平，構造簡單。該采煤工作面地表為黃土溝壑地區(qū)，中間高、東西低，煤層距離地表86～175 m，上覆黃土層厚度33～95 m，溝谷區(qū)薄，梁峁區(qū)厚，基巖厚度84～120 m，厚度變化與土層大體相當。

N1209工作面自2011年12月開始推采，于2012年5月回采完畢，采高平均4.02 m。該工作面老頂初次來壓步距為45.5 m。工作面上部周期來壓步距13.0～14.0 m，平均步距13.5 m；中部9.0～14.0 m，平均步距12.0 m；下部8.0～14.0 m，平均步距11.8 m，整個工作面老頂周期來壓步距最大為14 m，最小為9 m，平均13.41 m。

1.2.2 風沙灘地區(qū)典型采煤工作面

本次選取的采煤工作面為S1207工作面，該工作面位于考考烏素溝以南，地表為典型的風沙灘地地貌類型。該工作面開采2-2煤層，煤層厚度4.8～6.8 m，平均厚度5.9 m，煤層近水平，埋藏深度85～120 m，工作面煤層賦存穩(wěn)定。頂板基巖厚30.48～35.86 m。工作面地面為風積沙地貌，地形西、南高，東、北低，地勢較平坦，地面標高+1 227～+1 262 m。

S1207綜采工作面于2013年6月開始推采，2014年7月回采完畢，采高5.4 m左右。該工作面直接頂垮落步距為7.3～9.8 m，平均值為9.3 m，來壓強度為14.7～28.5 MPa，平均值為18.2 MPa；工作面老頂初次來壓步距為34～103.3 m，平均值為64.8 m；初次來壓強度為23.2～43.3 MPa，平均值27.3 MPa；工作面老頂周期來壓步距8.9～18.9 m，平均來壓步距為14.8 m；老頂周期來壓強度17.2～42.5 MPa，平均值為31.7 MPa。

2 野外地質調查

本次野外地質調查采用人工填圖開展采煤地裂縫調查，由于采煤工作面范圍較大，因此對其中一段進行填圖。主要觀測采煤地裂縫的空間展布和幾何特征，詳細地質調查結果如下。

2.1 黃土溝壑區(qū)典型采煤工作面地調結果

2.1.1 地質調查結果

對N1209采煤工作面的采煤地表裂隙進行了部分的地質調查，調查范圍位于采煤工作面的中部。地質調查的結果如圖2所示。由圖2可以看出調查區(qū)采煤地裂縫普遍分布，但總體可以分為2組，即邊界裂縫和平行裂縫。所謂平行裂縫是指大體垂直于工作面回采方向。所謂邊界裂縫是指采煤工作面兩巷投影地表的區(qū)域，該區(qū)域的裂縫與采煤工作面的邊界近似。

圖2 黃土溝壑區(qū)采煤地表裂縫空間展布

2.1.2 平行裂縫

空間連續(xù)性方面，同一次礦山壓力形成的裂縫連續(xù)性不好，存在明顯的斷開，一般在等高線變化具體的區(qū)域；另外，黃土溝壑區(qū)的平行裂縫存在明顯的分叉特性，如f9裂縫，在等高線變化較大的裂縫端部出現(xiàn)分叉現(xiàn)象。整體的連續(xù)形態(tài)多為弧形。采煤地裂縫間距方面，平行裂縫之間的距離為9～23 m不等，在上、下坡處變化較大，平坦的梁峁頂部變化較小，在溝谷處間距出現(xiàn)最大值。采煤地裂縫空間位態(tài)方面，由于黃土梁峁地形有起伏，在爬坡階段形成順坡地裂縫，在下坡時則容易形成塌陷槽，如f5裂縫。采煤地裂縫幾何特征如圖3所示，典型的采煤地裂縫落差集中在0.1～0.4 m，寬度集中在0.1～0.4 m，僅塌陷槽處寬度達到0.7～1.0 m。采煤地裂縫充填性方面，采煤地裂縫普遍開口，無顯著的充填特性，僅少量黃土充填。

圖3 黃土溝壑區(qū)典型采煤地表裂縫

2.1.3 邊界裂縫

空間連續(xù)性方面，邊界裂縫連續(xù)性不好，存在明顯的斷開，延伸約50 m后斷開；整體的連續(xù)形態(tài)為弧形。采煤地裂縫間距方面邊界裂縫1組由3～4條裂縫構成，各條邊界裂縫之間的距離為0～2 m，并最終交叉在一起。采煤地裂縫空間位態(tài)方面，由于黃土梁峁地形有起伏，在爬坡階段形成順坡地裂縫，在下坡時則容易形成塌陷槽。采煤地裂縫幾何特征如圖3所示，典型的采煤地裂縫落差集中在0.1～0.35 m，寬度集中在0.1～0.3 m。采煤地裂縫充填性方面，采煤地裂縫普遍開口，無顯著的充填特性，僅少量黃土充填。

2.2 風沙灘地典型采煤工作面地調結果

2.2.1 地質調查結果

對S1207采煤工作面的采煤地表裂隙進行了地質調查，調查范圍位于采煤工作面的開切眼段。地質調查的結果如圖4所示。由圖4可以看出調查區(qū)采煤地裂縫普遍分布，總體也可以分為2組，即邊界裂縫和平行裂縫。2種類型的采煤工作面的主要特征分述如下。

圖4 風沙灘區(qū)采煤地表裂縫空間展布

2.2.2 平行裂縫

空間連續(xù)性方面，同一次礦山壓力形成的裂縫連續(xù)性較好，僅少量采煤地裂縫存在斷開現(xiàn)象，且無明顯的分叉特性；整體的連續(xù)形態(tài)多為直線。采煤地裂縫間距方面，平行裂縫之間的距離為9～15 m不等，整體變化較小。采煤地裂縫垂直于地表向下發(fā)育，也有少量塌陷槽，如f10裂縫。采煤地裂縫幾何特征如圖5所示，典型的采煤地裂縫落差集中在0～0.2 m，寬度集中在0～0.2 m。采煤地裂縫普遍閉口，有顯著的充填彌合特性，充填物為風積沙。

圖5 風沙灘區(qū)典型采煤地表裂縫

2.2.3 邊界裂縫

空間連續(xù)性方面，風沙灘區(qū)邊界裂縫較黃土溝壑區(qū)連續(xù)性較好，但仍然存在斷開現(xiàn)象，但延伸約100 m。整體的連續(xù)形態(tài)多為弧線線。邊界裂縫1組僅1個采煤地裂縫，無間距。采煤地裂縫垂直于地表向下發(fā)育，未見塌陷槽。典型的采煤地裂縫落差集中在0～0.3 m，寬度集中在0～0.2 m，但開切眼處的采煤地裂縫形成了塌陷槽，落差最大達到0.7 m。采煤地裂縫普遍閉口，有顯著的充填彌合特性，充填物為風積沙。

3 不同地貌采煤地裂縫對比分析

3.1 不同地貌下采煤地裂縫差異特征

將不同的地面采煤地裂縫的相關數(shù)值統(tǒng)計，結果見表1。可以看出，黃土梁峁地貌下采煤地裂縫的連續(xù)率更低、采煤地裂縫的間距變化更大；采煤地裂縫的平均寬度和落差較風沙灘地貌都更大，采煤地裂縫的充填性更差。

表1 不同地貌采煤地裂縫差異統(tǒng)計

3.2 差異機理分析

研究區(qū)最大和最小海拔點就位于黃土梁峁區(qū)，說明黃土梁峁地貌的高差更大，山區(qū)松散層的穩(wěn)定性更差，有大量的黃土崩塌現(xiàn)象發(fā)育，最終造成黃土梁峁地貌下的采煤地裂縫的幾何尺寸更大。黃土梁峁地區(qū)的連續(xù)間斷區(qū)間主要集中在溝谷區(qū)域，此處是黃土高原水土運移的主要通道，容易發(fā)生裂縫愈合，因此黃土梁峁地貌下裂隙的連續(xù)性更差。通過井下的礦山壓力觀測可以得到黃土梁峁地區(qū)由于上覆荷載的不均勻性，來壓步距的方差較風沙灘區(qū)更大，而已有的研究認為平行裂縫主要是由于礦山來壓造成，因此黃土梁峁地貌的采煤地裂縫間距變化范圍更大。已有的研究證明，風沙灘區(qū)的風積沙的沉積速率遠大于黃土梁峁區(qū)，因此風沙灘區(qū)的采煤地裂縫普遍有高充填率特性。

4 結論

(1)黃土溝壑區(qū)與風沙灘區(qū)采煤地裂縫類型一致，均包括邊界裂縫和平行裂縫。其中，平行裂縫風沙灘區(qū)有明顯的充填彌合現(xiàn)象，充填率達到96%，黃土溝壑區(qū)彌合現(xiàn)象不顯著，充填率僅14%。

(2)黃土溝壑區(qū)平行裂縫展布不均勻，受黃土溝壑地貌影響顯著，間距方差達17，而風沙灘區(qū)裂隙間距僅3.2。

(3)黃土溝壑區(qū)平均裂隙寬度為0.21 m，而風沙灘區(qū)更小，平均裂隙寬度為0.10 m。