采空塌陷區(qū)地表裂縫發(fā)育規(guī)律分析

王云廣,郭文兵,2

(1.河南理工大學能源科學與工程學院,河南 焦作 454000；2.煤炭安全生產河南省協同創(chuàng)新中心,河南 焦作 454000)

采空塌陷區(qū)地表裂縫發(fā)育規(guī)律分析

王云廣1,郭文兵1,2

(1.河南理工大學能源科學與工程學院,河南 焦作 454000；2.煤炭安全生產河南省協同創(chuàng)新中心,河南 焦作 454000)

為研究開采沉陷覆巖移動地表裂縫的發(fā)育狀況,論文基于沉陷盆地主斷面移動變形特征,將地表移動變形影響區(qū)劃分為拉伸區(qū)、壓縮區(qū)和先拉伸后壓縮區(qū),并分析了各區(qū)的裂縫發(fā)育特征;先拉伸后壓縮區(qū)合理解釋了裂縫的自修復現象;運用下沉曲線計算模型借助于數學計算軟件,計算了沉陷盆地主斷面下沉曲線的長度,提出了基于下沉曲線長度計算判斷采動拉伸區(qū)裂縫發(fā)育的方法;從理論上推斷了一定條件下壓縮區(qū)地表可產生擠壓凸起,結合工程實例,分析了地表裂縫的發(fā)育特征。

下沉盆地主斷面;地表移動變形;地表裂縫;開采沉陷;特征研究

0 引言

礦業(yè)是對地質環(huán)境影響最大的產業(yè),采煤引起的地表裂縫是開采沉陷對地表破壞的常見形式之一[1-2]。我國煤炭開采量居世界第一,煤礦地裂縫也最多[3]。伴隨著我國東部礦區(qū)資源的衰竭,對西部煤炭等資源的依賴越來越強,西部地區(qū)煤炭資源分布廣泛、埋藏較淺、地表生態(tài)脆弱[4],由煤炭開采引起的一系列生態(tài)問題日趨嚴重,已成為煤炭采區(qū)的共性問題[5]。采動裂縫造成地下水流系統的改變和含水層的疏干,還對植被根系發(fā)育、生長產生嚴重影響[6],并造成地下水滲漏和水位下降,改變地下水徑流條件,減少地表水體面積,嚴重破壞了區(qū)內地質環(huán)境,加劇地表淺表層的水土流失[7-10]。本文從分析沉陷盆地主斷面移動變形特征及變形性質分區(qū)入手,通過計算地表下沉后對采前原巖地表的拉伸量,結合采空區(qū)地表覆巖(土體或巖層)自身抗拉特性,給出了一種判定下沉盆地拉伸裂縫發(fā)育的新方法,這為判斷采動裂縫發(fā)育提供了新手段,這對我國煤炭資源合理開發(fā)、水土保持、生態(tài)環(huán)境安全治理及可持續(xù)發(fā)展等具有積極意義。

1 下沉盆地主斷面拉伸及壓縮變形分區(qū)

主斷面下沉曲線拉伸、壓縮區(qū)域的劃分可根據對應水平變形曲線特征進行。水平變形曲線上,水平變形值ε大于零對應的橫軸區(qū)域為覆巖移動變形的拉伸區(qū),水平變形值ε小于零對應的橫軸區(qū)域為覆巖移動變形的壓縮區(qū)。對于水平煤層,非充分采動時,水平變形曲線有三個極值,兩個相等的正極值和一個負極值,正極值表示最大拉伸量,負值表示最大壓縮量;最大拉伸位于邊界點和拐點之間,最大壓縮位于最大下沉點處;邊界點和拐點處水平變形為零;充分采動時下沉曲線的拉伸區(qū),水平變形ε與非充分采動時相同;在壓縮區(qū),水平變形曲線形態(tài)由“V”型演化為“W”型;超充分采動時,下沉曲線呈平底盆地裝,其對應的水平變形ε在開采邊界附近時與充分采動類似,但在下沉曲線盆底的中部,出現了一定寬度的先拉伸后壓縮影響(復合影響)區(qū)域。圖1和圖2為按照超充分采動時主斷面下沉及水平變形劃分的地表移動變形的主斷面和全盆地拉伸、壓縮區(qū)域的劃分。

圖1 超充分采動主斷面拉伸區(qū)和壓縮區(qū)分布Fig.1 Tensile and compression zone of supercritical mining

圖2 超充分采動全盆地拉伸區(qū)和壓縮區(qū)分布Fig.2 Tensile and compression zone of supercritical subsidence basin

2 基于主斷面變形特征的地表裂縫發(fā)育分析

地表裂縫產生是由于巖層中積累的拉應力超過巖體或土地的抗拉強度,導致巖體或土體被拉斷,繼而產生開裂或切落。根據國內外采礦經驗[2]深厚比H/m小于30時,采動過程中地表沉陷和變形在空間和時間上都有明顯的不連續(xù)特征,特別是在淺埋深厚煤層開采時更容易在地表形成裂縫。

2.1 主斷面下沉對地表的拉伸

為研究覆巖下沉對地表產生的水平拉伸,選取超充分采動下沉曲線為研究對象,因超充分采動包含地表移動變形的各個過程(非充分和充分)。圖3為超充分采動下沉曲線的分析模型,L1為下沉曲線兩側水平移動為0的A、B兩點間的水平距離;L2為下沉曲線兩側水平移動為0的點間下沉曲線的長度。

圖3 下沉曲線分析模型Fig.3 Subsidence curve analysis model

定義:

(1)

式中：△L——L1在下沉曲線L2上的拉伸量/m。

(2)

式中：P——L1在下沉曲線L2上的拉伸率。

2.2 拉伸裂縫判定

將覆巖承受的單位長度拉伸致裂特征[11]用ε0表示,單位mm/m,則理論上主斷面下沉曲線對原巖的拉伸變形符合公式(3)時,地表不出現裂縫,當符合公式(4)時,地表出現裂縫。

(3)

不出現裂縫。

(4)

出現裂縫。

2.3 采動裂縫分區(qū)變形特征

采動裂縫出現的能量來源是采空區(qū)覆巖經復雜運移傳遞至地表產生對地表的拉伸或剪切作用。因此,采動裂縫多出現在拉伸區(qū)。根據拉伸壓縮區(qū)域的劃分,非充分和充分采動時,在采空區(qū)邊界附近的拉伸區(qū)會出現拉伸裂縫。對于超充分采動,在下沉盆地上出現了平底盆地,在盆底區(qū)域的移動變形復合影響區(qū) (平底部分先經受拉伸后經受壓縮作用)。因此采動裂縫即出現在邊界拉伸區(qū)域和平底中心區(qū)域的復合影響區(qū)。理論上在壓縮區(qū)由于不承受拉伸作用,一般不出現拉伸裂縫,這是由覆巖抗壓特性遠大于抗拉伸特性決定的。但實際觀測中壓縮區(qū)也有裂縫存在,這可能是因覆巖周期破斷引發(fā)的覆巖剪切破斷或松散層受水平方向的擠壓引起的擠壓凸起。

采空區(qū)外邊緣的裂縫位于拉伸變形區(qū),此區(qū)域分布的裂縫往往為永久性裂縫[12];在采空區(qū)走向和傾向上,采空區(qū)地表覆巖(或松散層)在走向和傾向兩個方向上向采空區(qū)的幾何中心移動,由于兩個方向移動變形的共同作用,故裂縫在平面分布上,非充分采動和充分采動時的裂縫分布近似于“O”型[13],而對于超充分開采,裂縫區(qū)域的分布近似于“橢圓形”。

在超充分采動的平底區(qū),由于先經受拉伸后經壓縮,故該區(qū)域的裂縫將經歷裂縫出現直至該地質條件下的最大寬度和深度,之后將在壓縮變形下,裂縫寬度逐漸收縮甚至閉合,但一般仍留有裂縫痕跡。即該區(qū)域的裂縫呈現“裂縫出現→寬度逐漸發(fā)育→裂縫寬度至最大→裂縫寬度變小→裂縫發(fā)育停止或閉合”的“生命周期”過程。這是因在回采過程中覆巖先在拉伸應力的作用下發(fā)生周期破斷,之后由于工作面不斷推進,該區(qū)域由經受拉伸應力逐漸轉換成壓縮應力的緣故。對采空區(qū)覆巖這一受力過程的分析,從理論上解釋了采空區(qū)動態(tài)裂縫自修復至閉合的現象。裂縫的周期破斷間距,可參考文獻[14]等給出的方法獲得。

2.4 地表裂縫與覆巖破壞的關系

煤炭開采后采空區(qū)上覆巖層在重力作用下發(fā)生由下至上的垮落破斷,已有研究成果[15-17]將采空區(qū)覆巖破壞劃分為“二帶”、“三帶”和“四帶”模式。近年通過對高強度開采覆巖破壞的觀測,發(fā)現某些高強度開采由于煤層埋深小、采厚大、推進速度快等原因,理論計算[18]及現場觀測均發(fā)現覆巖破壞可直達地表,工作面發(fā)生潰砂、漏風等現象。這是由于在采空區(qū)上覆巖內出現了自采空區(qū)直接頂至地表的貫通裂縫,覆巖出現了整體性垮落。根據開采沉陷學對覆巖破壞分帶的定義,因僅出現垮落帶,未出現裂隙帶和彎曲下沉帶,即在覆巖上部僅有“一帶”發(fā)育?；谝陨戏治稣J為在某些埋深較小、煤層厚度大的區(qū)域,采空區(qū)覆巖可能發(fā)生整體性的垮塌,此時覆巖的破壞類型為“一帶”模型。根據覆巖破壞特征,當覆巖破壞為“一帶”和“兩帶”模型時,采動裂縫以剪切型裂縫為主;當覆巖破壞屬于“三帶”和“四帶”模型時,采動裂縫以拉伸型裂縫為主。

3 主斷面下沉曲線長度計算

開采沉陷預計的概率積分法理論[19]認為,非充分、充分和超充分采動都可用半無限開采經疊加表示。半無限開采下沉和水平變形模型見圖4。

圖4 下沉曲線長度計算模型Fig.4 Calculation model of subsidence curve length

半無限開采下沉曲線的表達式見公式(5):

(5)

式中：W0——地表最大下沉/mm。

根據對弧長的曲線積分(第一類曲線積分)理論[20],曲線L2長度(半無限下沉曲線上AB的長度)的計算式為:

(6)

即:

(7)

L2的計算可借助數學軟件如Mathematica[21]等進行。

4 工程實例

4.1 區(qū)域地質概況

哈拉溝煤礦22407工作面長284.3 m,推進長3 224.1 m,煤層厚度3.8～5.7 m,平均5.39 m,煤層傾角1°～3°,工作面上覆基巖厚35～98.5 m,平均88.94 m,松散層厚40～69 m,平均42 m,平均埋深130.94 m,基本頂為粉細砂巖,成份主要是石英、長石,具有波狀層理,厚度大于20 m;直接頂為中細砂巖,成份為石英、長石,泥質膠結,厚度18.47～44.1 m,平均25.4 m;開采方法為單一長壁后退式綜合機械化采煤,全部垮落法管理頂板。

4.2 地表移動變形及預計參數

為觀測22407工作面地表移動和變形,考慮到工作面為超充分采動,因此在工作面走向和傾向主斷面上,各布設了半條互相垂直的普通地表移動觀測站。經對觀測數據的處理,獲得了工作面采動后的穩(wěn)態(tài)地表移動變形及其擬合曲線(圖5～圖8)和概率積分法預計參數(表1)。由圖5～圖8知,工作面地表下沉及水平移動變形規(guī)律性明顯,或是受區(qū)域地形及數據采集精度等因素的影響,下沉的擬合精度高于水平變形數據的擬合精度。

4.3 地表裂縫發(fā)育及分布特征

(1) 22407工作面主斷面下沉曲線的拉伸長度。由下沉曲線長度計算理論,計算得22407工作面走向和傾向方向上下沉曲線對地表的拉伸量ΔL1、ΔL2分別為81mm(對應的走向主要影響半徑r=103 m)和70 mm (對應的傾向下山主要影響半徑r1=87 m)。因此走向和傾向方向的下沉曲線拉伸率P分別為0.78 mm/m和0.80 mm/m。走向方向拉伸區(qū)內最大水平移動值達906 mm;傾向方法拉伸區(qū)最大水平變形達25 mm/m。

(2) 裂縫發(fā)育的判斷。22407工作面地表覆蓋40～69 m厚的風積沙,采空區(qū)上覆巖層厚度僅為35～98.5 m。風積沙粘性顆粒含量少,松散的堆積在一起,具有天然的無聚性和非塑性,且抗剪性極差,其在采空區(qū)覆巖運移過程中是作為覆巖的載荷存在的,與覆巖變形同步。水平方向上,由前述的計算知,在移動變形影響范圍內,地表承受的拉伸率P為0.8 mm/m,根據前述公式(4)及文獻[10]所述材料抵抗拉伸特性(泥漿為0.7 mm/m)。由于0.8 mm/m>0.7 mm/m,因此判斷22407工作面開采后地表將有裂縫發(fā)育。豎直方向上,計算的導水裂隙帶高度[17]在54.75～79.65 m之間,而22407工作面覆巖厚度為35～98.5 m,由此可知在豎直方向上,導水裂隙帶發(fā)育高度在部分區(qū)域大于上覆巖層的厚度,可知導水裂隙帶的裂縫將在地表發(fā)育。

圖5 走向下沉及其擬合曲線Fig.5 Subsidence and its fitting curve along strike

圖6 走向水平變形及其擬合曲線Fig.6 Horizontal strain and its fitting curve along strike

圖7 傾向實測下沉及其擬合曲線Fig.7 Subsidence and its fitting curve along dip

圖8 傾向實測水平變形及其擬合曲線Fig.8 Horizontal strain and its fitting curve along dip

觀測站名稱qtanβtanβ1tanβ2bθ0/(°)S1/mS2/mS3/mS4/m22407工作面觀測站06412717314903188612197106106

(3) 地表裂縫的實測發(fā)育特征

拉伸區(qū)裂縫特征:采空區(qū)邊界附近,因承受拉伸作用,加之煤層埋深小、煤層開采厚度大、推進速度快等因素,調查中發(fā)現該區(qū)域內裂縫具有寬度大(0.3～0.5 m)、剪切臺階落差大(0.4～0.9 m)、深度大(最深3.5 m左右)、裂縫發(fā)育密集(兩剪切臺階僅相距2～3 m)、近似平行于采空區(qū)邊界分布。該區(qū)域內的裂縫不具備自修復現象,一般為永久裂縫;裂縫在開采邊界附近整體呈現“O”型,局部呈“C”型或“弧線”型;該區(qū)域內裂縫以拉伸、剪切為主。工作面地表裂縫的平面分布見圖9、臺階裂縫見圖10。

圖9 采空區(qū)地表裂縫平面分布Fig.9 Fractures plane distribution on the surface

圖10 地表拉伸區(qū)的臺階裂縫Fig.10 Steps cracks in tensile zone

壓縮區(qū)裂縫特征:一般來說壓縮區(qū)地表裂縫發(fā)育是由覆巖的周期破斷垮落引發(fā)的,因該區(qū)域承受水平方向上的壓縮,使得壓縮區(qū)內的裂縫發(fā)育一般較小,裂縫間距比拉伸區(qū)稍大。理論上分析應存在的擠壓凸起變形,通常情況下較少出現,只有在地表變形量大、地表覆巖松散等的情況下才能發(fā)育。本次地表采動裂縫調研中,在地表移動變形壓縮區(qū)觀測到了規(guī)律明顯的擠壓凸起現象(圖11),其發(fā)育特征為在相隔10～16 m出現3～6條凸起高度在0.6 m左右,長度在30～50 m左右方向與工作面回采方向垂直的的擠壓凸起帶。同時在兩擠壓凸起之間,還發(fā)育2～5 條寬度在50 mm左右的方向大致與擠壓凸起一致的裂縫。壓縮區(qū)即有擠壓凸起又有裂縫發(fā)育,說明該區(qū)域覆巖在移動變形中受擠壓和頂板周期破斷的雙重影響。

圖11 采空區(qū)地表壓縮區(qū)的擠壓凸起Fig.11 Compression-uplift on the compression zone

先拉伸后壓縮區(qū)裂縫特征:該區(qū)域內裂縫一般先出現在工作面推進位置的前方,理論上當工作面推過裂縫的正下方后該位置發(fā)育的裂縫受力情況由拉伸即轉換為壓縮,區(qū)域內裂縫屬動態(tài)裂縫。動態(tài)裂縫寬度和落差一般較小,近似呈直線分布,方向與工作面平行或垂直于工作面的推進方向,長度與工作面的采寬相近。裂縫范圍隨采空區(qū)的擴大而不斷增大,動態(tài)裂縫主要受采動過程中的拉應力而產生,壓縮應力而閉合(自修復)。調研發(fā)現較大的動態(tài)裂縫兩側存在 200～450 mm 的落差,裂縫走向與工作面推進方向近似垂直,每隔10～15 m (該距離同頂板周期來壓的步距基本一致)發(fā)育一條150～400 mm寬的大裂縫;在兩大裂縫之間,近乎均勻間隔3～5 m發(fā)育著數條50～150 mm寬的中等寬度裂縫;在中等寬度裂縫之間,分布著寬0～50 mm的規(guī)律性不明顯的小裂縫。調查中還發(fā)現由于風積沙的流動性及地表移動變形過程中的先拉伸、后壓縮的復合作用,該區(qū)域內的地表裂縫一般具有明顯的自修復能力。

5 結論

(1) 通過對地表移動變形規(guī)律的分析,按照地表承受拉伸、壓縮作用的不同,將移動變形區(qū)域劃分為拉伸區(qū)、壓縮區(qū)和先拉伸后壓縮(復合影響)三個變形區(qū)。

(2) 提出了基于計算下沉盆地主斷面下沉曲線長度,判斷覆巖移動拉伸區(qū)地表裂縫發(fā)育的方法。

(3) 理論上分析了壓縮區(qū)內地表擠壓凸起的存在及其發(fā)育特征,并在裂縫現場調查中得到了印證。

(4) 運用所述方法結合工程實際,分析了地表裂縫分布及發(fā)育特征;該方法為類似采礦地質條件下采動地表裂縫判別及工程治理提供了新手段。

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Analysis of ground crack laws of mining subsidence

WANG Yunguang1, GUO Wenbing1, 2

(1.SchoolofEnergyScienceandEngineering,HenanPolytechnicUniversity,Jiaozuo,Henan454000,China; 2.CollaborativeInnovativeCenterofCoalSafetyProductioninHenanProvince,Jiaozuo,Henan454000,China)

In order to study the cracks distribution characteristics on the surface of subsidence basin, subsidence basin zone was divided into tensile zone, compression zone and composite-affected zone according to the surface movement and deformation characteristics of the major cross-section subsidence curve. And the phenomenon of cracks self-repair was explained reasonably in terms of composite-affected zone. The length of subsidence curve of major cross-section subsidence basin was calculated with the subsidence curve model and mathematical software, so the new method that judgment crack development was raised base on length of subsidence curve, and the extrusion fold phenomenon would be produce under certain conditions in compression zone was analyzed also. Combined with an engineering example, the development characteristics of the cracks over the gob were calculated and analyzed.

major cross-section of subsidence basin; ground movement and deformation; ground crack; mining subsidence fracture; characteristic study

10.16031/j.cnki.issn.1003-8035.2017.01.14

2016-03-10;

2016-05-16

國家自然科學基金重點資助項目(U1261206)；國家自然科學基金資助項目(51374092)

王云廣(1981-)，男,河南延津人,在讀博士,從事煤礦開采損害與保護及“三下”采煤技術研究。 E-mail: mwang110@126.com

TD803

A

1003-8035(2017)01-0089-07