淺埋煤層開采地裂縫發(fā)育特征研究*
——以陜西榆家梁煤礦為例

李海鵬

(神東煤炭集團榆家梁煤礦，陜西 神木 719315)

0 引言

隨著東部礦區(qū)資源的日漸衰竭，煤炭西進戰(zhàn)略已成現(xiàn)實，西部礦區(qū)地下資源開采造成的地裂縫災(zāi)害日益引起人們的關(guān)注。西部礦區(qū)具有埋藏淺、基巖薄、厚松散層覆蓋、地形起伏大等特點，地裂縫受到地質(zhì)采礦環(huán)境及地形地貌條件的雙重脅迫作用[1]，發(fā)育規(guī)律復雜。

針對薄基巖淺埋煤層開采造成的黃土溝壑區(qū)地表塌陷及地裂縫災(zāi)害，國內(nèi)外學者[2-5]分別采用理論分析、現(xiàn)場實測、數(shù)值模擬等方法進行了大量研究，在研究巖層移動、地表變形的基礎(chǔ)上，對西部礦區(qū)采動引起的巖層破斷及地裂縫災(zāi)害的研究逐漸深入。研究主要從采動地裂縫的形成機理、采動地裂縫的發(fā)育規(guī)律等方面進行了研究、建立了采動裂縫與地表移動關(guān)系模型[6]、裂縫時空演變規(guī)律模型、裂隙采動累計效應(yīng)模型等理論模型，取得了一定的理論與實踐成果。但是由于西部礦區(qū)地形起伏較大，采動地裂縫受到地質(zhì)采礦環(huán)境與地形地貌雙重脅迫作用，其發(fā)育規(guī)律更為復雜，同時，受到現(xiàn)有技術(shù)條件的限制，通過實際現(xiàn)場勘測對采動地裂縫發(fā)育的研究較少[7-8]。

以陜西榆家梁煤礦43303-2工作面為研究對象，對其采動地裂縫進行監(jiān)測，分析地裂縫的形態(tài)、區(qū)域分布情況以及影響因素，為進一步深入研究采動地裂縫形成機理及發(fā)育規(guī)律提供了理論依據(jù)和參考。

1 研究區(qū)域概況

榆家梁煤礦地處陜西省神木市店塔鎮(zhèn)，是神東煤炭集團所屬生產(chǎn)礦井之一。43303-2工作面走向長702.74 m，工作面傾向?qū)?51.25 m，煤層厚度1.50～1.80 m，平均1.68 m，平均開采深度170 m，工作面內(nèi)地層總趨勢是以極緩的坡度向北西傾斜的單斜構(gòu)造，傾角1°～3°，斷層不發(fā)育，后生裂隙發(fā)育。工作面地表廣覆第四系松散沉積物，地形起伏變化比較大，區(qū)域位置示意圖如圖1所示。

圖1 研究區(qū)域位置

為了掌握其采煤沉陷引起地裂縫動態(tài)發(fā)育過程，當?shù)乇硎芄ぷ髅娌蓜佑绊憰r，利用全站儀每天測量的方法測量裂縫發(fā)育位置，如圖2所示。采用小鋼尺量距方法測量新發(fā)育的裂縫進行寬度、落差和深度測量，對每條動態(tài)裂縫進行周期性觀測直至裂縫完全閉合或穩(wěn)定，最終繪制地裂縫分布圖。

圖2 工作面上方地裂縫發(fā)育情況

2 采動裂縫實測規(guī)律分析

通過對工作面上方發(fā)育的地裂縫進行持續(xù)動態(tài)監(jiān)測，地裂縫的分布圖如圖3所示。由此得出如下規(guī)律：煤炭資源從地下被開采后，原有地下應(yīng)力平衡狀態(tài)被打破，采空區(qū)周邊的巖體向采空區(qū)移動變形，采空區(qū)的空間逐漸向上傳播，直到地表形成下沉盆地，但是由于43303-2工作面采深較小(深厚比<30)，地表主要由風積沙和黃土層組成，內(nèi)聚力較小，抗拉伸能力較小，受采動影響在地表逐漸形成地裂縫。

圖3 地表監(jiān)測裂縫井上下對照圖

隨著工作面的推進，地裂縫的發(fā)育是一個動態(tài)過程。首先在開切眼外側(cè)產(chǎn)生裂縫，產(chǎn)生與工作面推進方向垂直的閉合環(huán)帶，隨著工作面推進先增大后減小直至閉合。經(jīng)計算平均以7～10 m在地表依次出現(xiàn)一道地裂縫圈，地裂縫超前影響距平均為13 m，平均超前影響角為85.63°。

根據(jù)發(fā)育過程，可以將采動過程中的裂縫分為臨時性裂縫和永久性裂縫兩種。臨時性裂縫穩(wěn)定性差，隨著工作面的推進，先增大后減小直至閉合，工作面位于裂縫下方時，裂縫最寬，推進過后裂縫逐漸減小直至閉合。永久性裂縫是地表穩(wěn)沉后而形成的永久性的破斷，穩(wěn)沉后裂縫無法完全閉合。

3 地裂縫形成影響因素分析

3.1 深厚比對地裂縫的影響

一般情況下，當開采的深厚比<30時，地表才會形成較大的裂縫。當采深較大時，地表沉陷較小，且地表沉陷呈現(xiàn)連續(xù)變形，在地表形成沉陷盆地；當采深較小時，引起地表變形較大，變形值大于地表土體的抗拉或者抗剪輕度時，會形成地表裂縫。43303-2工作面深厚比<30，上方的裂縫以拉伸型、擠壓型裂縫為主。

3.2 表土層性質(zhì)對地裂縫的影響

由于土體的松散特性，在地表發(fā)生移動變形時，會通過產(chǎn)生裂縫的形式吸收變形。相同地質(zhì)采礦條件下，塑性較大的表土會集中吸收地表變形，導致產(chǎn)生的裂縫條數(shù)較小，間距較大，裂縫寬度大。塑性較大的黏土當?shù)乇碜冃纬^6～10 mm時，會產(chǎn)生地裂縫，而塑性較小的黏土當?shù)乇碜冃芜_到2～3 mm時，就會產(chǎn)生地裂縫。

3.3 開采速度對地裂縫的影響

地裂縫形成是一個動態(tài)過程，開采速度對地裂縫形成的時間以及動態(tài)發(fā)育過程有一定影響。當開采速度較大時，地裂縫發(fā)育之后煤層開采一段時間；當開采速度較小時，地裂縫發(fā)育超前于煤層開采。

3.4 地形地貌對地裂縫的影響

地表受工作面采動拉伸影響，形成了裂縫圈，基本垂直于工作面推進方向，但是受到地表地形的影響，存在向下坡方向滑移的趨勢，使得地裂縫延伸方向受坡體的影響，同時地表坡度越大，滑移越明顯，地裂縫寬度越大。對43303-2工作面上方不同時間監(jiān)測的地裂縫長度以及超前影響距進行分析(表1)，發(fā)現(xiàn)裂縫的長度基本在360～400 m左右，受到地形的影響較小，而超前影響距受到地形影響較大，如在2018年2月21日工作面推進位置的正上方位于一個正向坡上，使得裂縫產(chǎn)生位置位于工作面推進位置之后6 m處，而2月24日工作面推進位置的正上方位于一個逆向坡上，使得裂縫產(chǎn)生位置位于工作面推進位置之前32.8 m處。

表1 不同時間段的裂縫長度和超前影響距

4 結(jié)論

(1)隨著工作面的推進，地裂縫的發(fā)育是一個動態(tài)過程，但隨著工作面推進一段距離后，逐漸在地表產(chǎn)生地裂縫。首先在開切眼外側(cè)產(chǎn)生裂縫，然后，隨著工作面推進產(chǎn)生與工作面推進方向垂直的閉合環(huán)帶，同時地裂縫呈先增大后減小直至閉合的動態(tài)發(fā)育特征。

(2)采動過程中的地裂縫受多種因素的影響，主要有深厚比、表土層性質(zhì)、開采速度以及地形地貌等因素的影響。