謝曉深　侯恩科　龍?zhí)煳摹●T棟　侯鵬飛　劉江斌　李洋

摘要：為掌握淺埋緩傾斜煤層開采覆巖及地表裂縫發(fā)育規(guī)律和形成機理，采用野外實地調(diào)查、模擬實驗和理論分析等方法，以羊場灣煤礦110207綜采工作面為工程背景開展研究。研究表明：淺埋緩傾斜煤層開采誘發(fā)的地表裂縫發(fā)育特征明顯。垂直回采方向裂縫呈弧形和直線形，平行間隔展布;平行回采方向裂縫展布于工作面兩側(cè)順槽外側(cè)，且工作面機巷側(cè)裂縫發(fā)育范圍大于工作面回風(fēng)巷道側(cè)。工作面頂板初次垮落步距60 m，周期性垮落步距平均為21.6 m，頂板以懸臂梁和鉸接巖梁的形式重復(fù)破斷活動;覆巖離層裂隙具有“產(chǎn)生—增大—減小—閉合”的演化規(guī)律，與豎向裂隙貫通后，導(dǎo)致導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度增大。地表裂縫具有動態(tài)發(fā)育和寬度動態(tài)變化2種動態(tài)規(guī)律，前者與覆巖周期性破斷引起的地表動態(tài)下沉有關(guān)，后者則有“只開不合”、“先開后合再開”和“先開后合”3種活動類型，與地表巖土體復(fù)雜運移特征密切相關(guān)。傾向上工作面機巷側(cè)（下山方向）裂縫發(fā)育范圍大是煤層傾斜地表移動變形非對稱偏移造成的。

關(guān)鍵詞：煤炭開采;地表裂縫;覆巖垮落;機理;緩傾斜煤層

中圖分類號：TP 325文獻標志碼：A

文章編號：1672-9315（2022）02-0200-10

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2022.0202開放科學(xué)（資源服務(wù)）標識碼（OSID）：

Development law and formation mechanism of overburden and surface

cracks induced by inclined coal seam mining in shallow buried areaXIE Xiaoshen HOU Enke LONG Tianwen FENG Dong

HOU Pengfei LIU Jiangbin LI Yang

（1.College of Geology and Environment，Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China;

2.Shaanxi Provincial Key Laboratory of Geological Support for Coal Green Exploitation，Xian 710054，China;

3.Yangchangwan Coal Mine，National Energy Group Ningxia Coal Industry Co.，Ltd.，Yinchuan 750410，China）Abstract：In order to master the development law and formation mechanism of cracks induced by gently-inclined coal seam mining in shallow buried area，a comprehensive method was used to explore 110207 working face in Yangchangwan Coal Mine：field investigation，indoor simulation experiment and theoretical analysis.The research results show that：the development characteristics of surface cracks induced by mining of gently-inclined coal seam in shallow-buried area were obvious.The cracks perpendicular to the mining direction were arc-shaped and linear，and distributed at parallel intervals.The fractures parallel to the mining direction are distributed on the outer side of the working face grooves，and the development range of the fractures in the downhill grooves is larger than that in the uphill grooves.The initial caving distance of the working face roof is 60 m，the average periodic caving distance is 21.6 m，and the repeated breaking activities occurred as the form of cantilever beam and articulated rock beam.The strata separation cracks in overburden rock evolve in the process of “generation-increase-decrease-closure”，which will lead to the increase of the height of the water-conducting fracture zone after it connects with the vertical fractures.There are two? dynamic development laws of surface fractures：dynamic expansion and dynamic development in width.The former is related to the dynamic subsidence caused by periodic overburden fractures，while the latter involves three kinds of activity types：“only open and not closed”，“open and then close again” and “open and then close first”，which is closely related to the complex migration characteristics of surface rock and soil mass.The large development range of the fractures in the upward and downhill channels is caused by the deformation and migration of the inclined surface of the coal seam.

Key words：coal mining;surface cracks;overburden caving;mechanism;gently-inclined coal seam

0引言

地下煤炭采出后勢必會破壞圍巖原有應(yīng)力平衡，導(dǎo)致覆巖及地表發(fā)生移動變形，產(chǎn)生裂隙（縫），在垂向上形成冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶“三帶”[1-3]。其中裂隙帶中的裂隙既是卸壓瓦斯富集區(qū)，也是地下水漏失的主要通道，地表裂縫則是造成淺層地下水、地表水漏失的主要通道[4-6]。因此，研究掌握巖層采動裂隙和地表裂縫發(fā)育規(guī)律與機理對煤礦實現(xiàn)安全、綠色開采具有重要意義[7-8]。

采動覆巖裂隙演化研究方面，黃慶享等揭示近距離淺埋煤層群開采覆巖裂隙演化規(guī)律，提出煤層錯距開采減輕地表損害的技術(shù)[9-10]。林海飛等揭示覆巖采動裂隙演化形態(tài)特征，得到采動覆巖破斷裂隙“M”狀分布以及“三階段”演化規(guī)律[11-12];李志梁等通過監(jiān)測覆巖采動裂隙演化過程中的聲發(fā)射特征，認為采動裂隙演化是一個復(fù)雜的能量釋放過程[13-14];魏宗勇等通過三維物理模擬實驗揭示大采高綜采覆巖裂隙演化特征[15];秦偉博利用分形理論揭示了傾斜煤層綜放開采裂隙演化特征[16]。

采動地表裂縫研究方面，侯恩科等對黃土溝壑區(qū)工作面過溝開采和風(fēng)沙灘地區(qū)中深埋工作面開采地表裂縫發(fā)育規(guī)律進行詳細研究，揭示順向坡、逆向坡以及溝底平坦區(qū)域地表裂縫動態(tài)發(fā)育規(guī)律，并通過模擬實驗闡明溝谷區(qū)覆巖應(yīng)力演變對地表裂縫的控制機理[17-19]。LI等揭示風(fēng)沙區(qū)地表裂縫“M”型發(fā)育規(guī)律，揭示雙關(guān)鍵層運移對“M”型裂縫活動的控制機理[20];范立民等利用分形方法，揭示工作面不同區(qū)域地表裂縫展布特征[21];CHEN等揭示風(fēng)沙灘地區(qū)地表移動變形規(guī)律，提出了地表沉陷預(yù)計方法[22];徐祝賀等通過現(xiàn)場實測、數(shù)值模擬實驗等方法揭示神東典型綜采工作面中部地表裂縫“雙周期+穩(wěn)定期”的動態(tài)發(fā)育特點，利用巖塊運移特征闡明動態(tài)發(fā)育機制[23];謝曉深等揭示羊場灣煤礦緩傾斜煤層開采地表位移場與裂縫發(fā)育的關(guān)系[24];LIU等探查地表裂縫地下形態(tài)特征，闡明塌陷型裂縫發(fā)育機理，提出地表裂縫治理標準[25]。

以上研究成果為采動覆巖及地表裂縫的深入研究奠定了基礎(chǔ)，但成果多集中在近水平煤層開采，對緩傾斜和傾斜煤層開采覆巖裂隙、地表裂縫演化的研究較少，特別是對緩傾斜煤層開采地表裂縫動態(tài)發(fā)育規(guī)律和活動機理的研究不足，無法為緩傾斜煤層開采地面塌陷預(yù)防工作提供科學(xué)指導(dǎo)。以寧夏羊場灣煤礦緩傾斜煤層綜采工作面為研究對象，通過相似材料模擬和數(shù)值模擬揭示淺埋緩傾斜煤層開采覆巖及地表裂隙（縫）發(fā)育規(guī)律和形成機理，以期為地面塌陷治理和生態(tài)修復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

1地質(zhì)特征

110207綜采工作面位于羊場灣煤礦北部邊界處，走向長1 096 m，傾向長190～232 m，在距切眼約400 m處傾向長由190 m變?yōu)?32 m（圖1）。工作面以一次性采全高的方式回采2煤層。

工作面內(nèi)2煤層位于侏羅系延安組第IV段，煤層厚度5.84～7.20 m，平均采厚5.8 m，采深80.8～142.8 m;煤層向東南方向傾斜即由工作面風(fēng)巷向工作面機巷傾斜，傾角10°～13°，平均115°。2煤層之上為延安組和直羅組地層，以粗砂巖、中砂巖為主，夾少量泥巖。地表被次生的黃土和亞沙土覆蓋，厚度較薄，平均14 m左右（圖2）。

2地表裂縫類型及展布規(guī)律

為清楚掌握采動地表裂縫發(fā)育規(guī)律，采用無人機航拍和人工填圖2種方法對110207工作面采后地表裂縫進行了調(diào)查。按照地表裂縫空間展布與回采方向的關(guān)系分為垂直回采方向裂縫和平行回采方向裂縫2類（圖3（a））。

垂直回采方向裂縫主要發(fā)育于面內(nèi)和切眼、停采線附近，相鄰2條裂縫平行間隔展布，間隔距離10～120 m。裂縫呈直線形或者弧形形態(tài)，彎曲朝向切眼。裂縫寬度最大約150 cm;裂縫落差大部分在15 cm左右。裂縫間隔距離的異常擴大是回采時間和調(diào)查時間相隔較長，裂縫被填埋且填埋痕跡消失造成的，但在一定程度上仍能反映地表裂縫沿走向方向的展布特征。

平行回采方向裂縫主要發(fā)育在工作面順槽邊界外側(cè)，裂縫延展長度較長，寬度較大，在垂向上具有落差，小型坡頂上方落差超過100 cm;裂縫形態(tài)呈線狀和弧狀，彎曲朝向采空區(qū)。工作面回風(fēng)巷道側(cè)（上山方向）最遠處裂縫距邊界約37 m，工作面機巷側(cè)（下山方向）最遠處裂縫距邊界約54 m（圖3（b））。

3采動覆巖及地表裂縫動態(tài)發(fā)育規(guī)律

3.1相似材料模擬設(shè)計

以1503鉆孔揭露的地質(zhì)資料和地形條件為基礎(chǔ)，結(jié)合巖石物理力學(xué)參數(shù)，采用平面應(yīng)力模型，構(gòu)建了110207工作面相似材料模型（圖4（a））。煤系地層結(jié)構(gòu)及巖石力學(xué)參數(shù)見表1。

根據(jù)相似條件和巖石物理力學(xué)參數(shù)，確定了相似材料模擬配比。模型尺寸2.0 m×0.2 m×05 m（長×寬×高），模型幾何相似比為1∶200，相似材料為沙，石膏，大白粉等。利用云母粉模擬層間層理和人工節(jié)理裂隙。模型正面點綴散斑，用于監(jiān)測采煤過程中覆巖應(yīng)變演化特征，頂部布設(shè)了18個監(jiān)測點，監(jiān)測地表下沉（圖4（b））。

模型風(fēng)干穩(wěn)定后，由A點向A′點開挖，切眼側(cè)留有40 m煤柱，每次開挖20 m，共開挖17步。

3.2采動覆巖垮落及裂隙發(fā)育規(guī)律

為消除模型正面散斑對覆巖移動破壞特征的影響，對模型反面的覆巖運移特征進行監(jiān)測，揭示覆巖垮落和裂隙演化規(guī)律。

3.2.1覆巖垮落規(guī)律

2煤開采后上覆巖體開始受到擾動發(fā)生彎曲下沉，當(dāng)彎曲程度超過覆巖極限后，巖體開始斷裂并發(fā)生垮落（圖5）。

當(dāng)工作面推進60 m時，頂板發(fā)生初次垮落，垮落體高度2 m，長度44 m，巖體垮落高度8 m（圖5（a））。當(dāng)工作面推進80 m時，頂板再次發(fā)生垮落，巖體垮落高度增加至25 m，巖層垮落角在切眼處為60°，煤壁處63°（圖5（b））。隨著工作面推進至90 m位置，上覆巖體在自重作用下再次垮落，垮落帶高度為28 m，其上方發(fā)育懸空高度8 m的離層空間;基本頂懸空形成懸臂，對正上方巖體仍具有支撐作用。煤壁處巖層垮落角為61°（圖5（c））。當(dāng)工作面推進100 m，前一步形成懸臂發(fā)生斷裂，與垮落后的巖體形成鉸接巖梁結(jié)構(gòu)?？迓涓叨仍黾又?2 m，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度為40 m。切眼處巖層垮落角是61°，煤壁處42°（圖5（d））。當(dāng)工作面推進180 m時，上覆巖層發(fā)生整體性下沉，工作面達到充分采動，覆巖垮落帶高度約34 m，切眼處豎向裂隙導(dǎo)通地表，裂隙帶發(fā)育高度約94 m（圖5（e））。

從上述覆巖垮落特征可知，110207工作面巖體垮落是以懸臂梁和鉸接巖梁的形式交替向前擴展，即隨著工作面推進，前方巖體發(fā)生“懸臂—斷裂—鉸接—垮落回轉(zhuǎn)—穩(wěn)定”的重復(fù)性破斷活動。工作面開采共記錄發(fā)生13次頂板垮落，頂板初次垮落步距為60 m，周期性垮落步距為10～32 m，平均21.6 m。

3.2.2覆巖裂隙發(fā)育規(guī)律

工作面開采后上覆巖體發(fā)育豎向裂隙和離層裂隙。豎向裂隙由巖體斷裂形成，主要發(fā)育在切眼和回采煤壁處沿垂向延展。一般情況下開采邊界處的豎向裂隙發(fā)育高度最大，面內(nèi)采空區(qū)上方較小。豎向裂隙是造成覆巖周期垮落的主要原因。

離層裂隙由相鄰巖體不均勻彎曲下沉形成，主要發(fā)育在面內(nèi)采空區(qū)上方，是裂隙帶向上擴展的主要形式。離層裂隙寬度具有“產(chǎn)生—增大—減小—閉合”的演化規(guī)律（圖5（a）～圖5（d））。當(dāng)離層裂隙與豎向裂隙相互貫通后，導(dǎo)水裂隙帶高度隨之增加。

導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度是表征導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育規(guī)律的基本參數(shù)。110207工作面垮落帶和導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育具有明顯的規(guī)律性（圖6）。開采前期垮落帶和導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度具有明顯的遞增性，當(dāng)工作面推采至140 m時，垮落帶高度發(fā)育至最大，為34 m;當(dāng)工作面推采至180 m時，切眼處覆巖豎向裂隙與地表裂縫貫通，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育至地表，高度為94 m。采空區(qū)中部離層裂隙發(fā)育高度高，覆巖豎向裂隙發(fā)育高度較低，兩者并未全部貫通，只在局部位置存在貫通現(xiàn)象。

3.3采動地表裂縫動態(tài)發(fā)育規(guī)律

3.3.1地表裂縫靜態(tài)發(fā)育規(guī)律

對110207工作面模型開挖過程中出現(xiàn)的地表裂縫位置及信息特征進行記錄，110207工作面開采過程中地表共出現(xiàn)8條裂縫，裂縫平行展布，間距8.0～72.0 m，多為彎曲狀裂縫。裂縫發(fā)育穩(wěn)定后，寬度0～40.0 cm，平均為11.0 cm（表2、圖7）。

3.3.2地表裂縫動態(tài)發(fā)育規(guī)律

由于地表裂縫調(diào)查是工作面回采結(jié)束后進行的，缺乏地表裂縫動態(tài)發(fā)育實測數(shù)據(jù)，因此，借助相似材料模擬實驗結(jié)果說明地表裂縫動態(tài)發(fā)育規(guī)律。從模型開采過程中地表裂縫發(fā)育特征可以看出，沿工作面走向方向地表裂縫具有動態(tài)發(fā)育特征，即隨著工作面的回采不斷產(chǎn)生、發(fā)育。裂縫整體滯后回采位置發(fā)育，滯后距6.0～120.0 m，平均44.6 m（表3）。

3.3.3地表裂縫寬度動態(tài)變化規(guī)律

模擬開采過程中出現(xiàn)的8條裂縫表現(xiàn)出3種動態(tài)變化特征，分別是“只開不合”型、“先開后合再開”型和“先開后合”型（圖8）。

“只開不合”型裂縫活動主要出現(xiàn)在開采邊界附近，裂縫寬度表現(xiàn)出持續(xù)增大至穩(wěn)定的變化特征，比如裂縫L₁和裂縫L₈;“先開后合再開”型裂縫活動主要出現(xiàn)在工作面內(nèi)，裂縫寬度表現(xiàn)出“先增大后減小再增大”的變化特征，如裂縫L₂;“先開后合”型裂縫活動則普遍出現(xiàn)在工作面內(nèi)，裂縫寬度表現(xiàn)出“先增大后減小”的特征。如裂縫L₃，L₄，L₅，L₆和L₇。

裂縫動態(tài)變化過程中裂縫最大寬度是初始寬度的1～5倍，平均為2.6倍，裂縫穩(wěn)定寬度是初始寬度的0.4～2.0倍，平均為0.85倍（圖9）。

4采動地表裂縫形成機理

4.1地表裂縫動態(tài)發(fā)育機理

4.1.1地表裂縫靜態(tài)發(fā)育機理

工作面開采過程中地表裂縫沿走向方向平行間隔展布，間隔距離8.0～72.0 m，平均37.14 m。統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，71.4%的裂縫間距數(shù)據(jù)與基本頂周期垮落步距基本一致，表明工作面走向地表裂縫展布與基本頂周期垮落密切相關(guān)。

110207工作面FLAC3D數(shù)值模擬結(jié)果顯示，工作面順槽邊界兩側(cè)為拉張塑性破壞區(qū)，表明傾向方向上的平行順槽裂縫均由拉張作用產(chǎn)生（圖10（a））。傾向上煤層傾斜導(dǎo)致地表水平移動呈現(xiàn)非對稱偏移特征。工作面回風(fēng)巷道附近（上山邊界）地表水平移動量最大為542.0 mm，最大水平變形20.44 mm/m;工作面機巷處（下山邊界）最大為-788.45 mm，其外側(cè)40 m的位置水平變形值最大，為27.71 mm/m（圖10（b））。統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，工作面回風(fēng)巷道和工作面機巷附近水平變形>1.0 mm/m的范圍分別是40 m和60 m，機巷>回風(fēng)巷道。表明工作面機巷一側(cè)達到裂縫發(fā)育臨界水平變形的范圍即裂縫發(fā)育范圍要大于工作面回風(fēng)巷道一側(cè)，與裂縫發(fā)育范圍實際觀測結(jié)果基本一致。

分析認為煤層傾斜導(dǎo)致了地表下沉和水平移動向下山方向偏移和增大，繼而造成了工作面傾向開采邊界地表裂縫的非對稱性展布。

4.1.2地表裂縫動態(tài)發(fā)育機理

走向上地表裂縫隨回采向前動態(tài)發(fā)育是“覆巖-地表”耦合聯(lián)動的結(jié)果。上覆巖層的周期性垮落導(dǎo)致了地表下沉盆地的動態(tài)發(fā)育，地表移動變形范圍和下沉曲線隨回采不斷向前擴展（圖11），當(dāng)?shù)乇硭阶冃瘟砍^表土體極限時，就會產(chǎn)生裂縫。因此走向上地表裂縫表現(xiàn)出隨回采向前動態(tài)發(fā)育的特征。

4.2地表裂縫寬度動態(tài)變化機理

4.2.1“只開不合”型動態(tài)變化機理

以模擬實驗過程中出現(xiàn)的裂縫L1為研究對象，從覆巖運移及地表移動變形2個角度闡述“只開不合”型裂縫寬度動態(tài)變化機理。根據(jù)實驗結(jié)果，裂縫L1為切眼處邊界裂縫且與覆巖豎向裂隙貫通。裂縫L1是由前方塊體2破斷形成的，在整個開挖周期內(nèi)，巖塊2始終處于拉伸狀態(tài)，向采空區(qū)傾斜未發(fā)生回轉(zhuǎn)（圖12）。因此，裂縫L1寬度持續(xù)增大至穩(wěn)定，沒有減小過程。

從地表移動變形的角度分析，裂縫L1位于地表下沉盆地邊緣，與地表測點3位置重合。模型整個開挖周期內(nèi)測點2與測點3以及測點3和測點4之間地表傾斜值始終為負，且后者遠大于前者，表明測點3處的地表土體始終逆回采方向傾斜，沒有倒轉(zhuǎn)。此外，從圖中還可以看出工作面推采160 m時裂縫L1開始發(fā)育，此時測點3的曲率為-5.3×10^-3m，表明該值是邊界裂縫發(fā)育的臨界曲率。至模型開挖結(jié)束測點3的曲率維持在-5.23×10^-3～-5.83×10^-3m，說明開采過程中測點3彎曲程度始終大于裂縫L1發(fā)育時的地表彎曲程度，地表始終處于拉伸變形，無“拉伸-壓縮”的轉(zhuǎn)變（圖13）。故裂縫L1寬度呈現(xiàn)出“持續(xù)增大至穩(wěn)定”的變化過程。

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