曉南礦深部開采重復(fù)采動(dòng)引發(fā)地裂縫產(chǎn)生規(guī)律淺析

◎陳德新 梁樹民

鐵煤集團(tuán)曉南礦所處的地理坐標(biāo)位于21帶，東經(jīng)123°為起點(diǎn)，海拔標(biāo)高為+57m～+75m。鐵法盆地在大地構(gòu)造中的位置，總體為一近似菱形的盆地。曉南井田位于鐵法煤田南部，曉南井田北鄰小青井田，西鄰大興井田，南鄰蔡牛井田。隨著曉南礦開采的不斷深入，地下采空區(qū)引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害給礦區(qū)周圍居民生產(chǎn)、生活帶來了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，本文研究深部開采重復(fù)采動(dòng)后地表地裂縫產(chǎn)生的規(guī)律，經(jīng)實(shí)地測(cè)量后，井田區(qū)域內(nèi)共發(fā)現(xiàn)了23條地裂縫，經(jīng)過總結(jié)計(jì)算求出巖層裂縫角，為礦今后在同樣地質(zhì)條件下開采下沉區(qū)域內(nèi)建筑物的動(dòng)遷及地面災(zāi)害防治工作提供依據(jù)。

一、引言

近年來鐵法礦區(qū)并無地震發(fā)生，但地裂縫缺頻繁出現(xiàn)，僅在曉南井田區(qū)域自2010年起就發(fā)現(xiàn)？條地裂縫，尤其在近3年內(nèi)地裂縫發(fā)生次數(shù)更為頻繁，地裂縫造成農(nóng)田開裂，民房受損等直接災(zāi)害，也為污染地下水提供直接渠道，礦山開采地裂縫災(zāi)害所帶來的損失也是不容小覷的，嚴(yán)重時(shí)會(huì)阻礙社會(huì)的持續(xù)發(fā)展并威脅到人民的安全。

二、地裂縫調(diào)查情況

2018年9月14日曉南井田區(qū)域突降暴雨，2018年9月17日上午，宋荒地村委會(huì)、張莊村委會(huì)分別向曉南礦反映，在村耕地上發(fā)現(xiàn)地裂縫。隨后，經(jīng)曉南礦相關(guān)人員現(xiàn)場(chǎng)初步查看，上述區(qū)域耕地上確有新地裂縫，宋荒地村耕地內(nèi)共發(fā)現(xiàn)10條地裂，總長(zhǎng)3905米。張莊村耕地內(nèi)共發(fā)現(xiàn)10條地裂，總長(zhǎng)2986米；劉景荒地村村耕地內(nèi)共發(fā)現(xiàn)5條地裂，總長(zhǎng)647米。通過測(cè)量人員對(duì)實(shí)地地裂縫測(cè)量，這些地裂縫斷斷續(xù)續(xù)發(fā)生，最長(zhǎng)的地裂縫長(zhǎng)度約920米，最短的地裂縫長(zhǎng)度約110米，地表呈串珠狀塌陷，鋸齒狀彎曲，地裂縫總體走向?yàn)榛【€。具體位置如圖1：

圖1：地裂縫位置圖

三、地裂縫產(chǎn)生原因

未經(jīng)開采的含煤巖系原始地應(yīng)力相互平衡，不同巖性巖石之間保持相對(duì)均衡穩(wěn)定。但在煤炭資源開發(fā)條件下，隨著采礦活動(dòng)持續(xù)進(jìn)行，循序漸進(jìn)的產(chǎn)生采空區(qū)，連續(xù)改變巖層及其圍巖的原始應(yīng)力狀態(tài)，采空區(qū)上部逐漸垮落，其上覆巖層移動(dòng)形成三帶，即跨落帶、裂隙帶和緩慢下沉帶。地表形成“鍋底式“下沉，隨著開采深部增加，開采煤層增多，目前曉南礦二水平工作面開采屬于深部開采重復(fù)采動(dòng)，這就造成地表重復(fù)下沉，隨著工作面逐漸開采，隨著地下開采工作面逐步向前推進(jìn)，煤層頂板臨空面積不斷擴(kuò)大，上覆巖體重量隨之不斷增加。而當(dāng)煤層頂板巖體拉伸應(yīng)力達(dá)到或超過巖體力學(xué)抗拉極限時(shí)，采空區(qū)煤層頂板巖層便會(huì)發(fā)生垂向或側(cè)向拉伸位移變形。這種拉伸位移變形一般以橫梁或者懸臂梁形式沿巖層層面法線方向向下彎曲，并沿層面產(chǎn)生斷裂、離層空間和層間裂隙，同時(shí)導(dǎo)致地層破碎和冒頂塌落現(xiàn)象。當(dāng)拉伸位移變形接近或直達(dá)采空區(qū)上覆地表時(shí)，若地應(yīng)力呈線狀釋放便形成地裂縫。

四、地裂縫發(fā)展規(guī)律及巖層裂縫角實(shí)測(cè)

通過對(duì)地裂縫實(shí)測(cè)，比照曉南礦近幾年開采的工作面，確定宋荒地村、張莊村和劉景荒地村耕地上的地裂縫是受曉南礦工作面采煤沉陷影響。受2017年開采的SE-1403工作面采煤沉陷影響，在張莊村委會(huì)至宋荒地村道路西側(cè)，共發(fā)現(xiàn)4條地裂縫；受2016年開采的SW1402工作面采煤沉陷采影響，在曉南礦西二沙井南、西、北三側(cè)，共發(fā)現(xiàn)6條地裂縫；在張莊村道東共發(fā)現(xiàn)6條地裂縫；在張莊村道西（與大興礦井田邊界上）共發(fā)現(xiàn)3條地裂縫。在曉南礦至張莊村道東發(fā)現(xiàn)3條地裂縫。受2012年開采的SW1407工作面采煤沉陷影響，在劉景荒地養(yǎng)魚池西側(cè)發(fā)現(xiàn)1條長(zhǎng)74米長(zhǎng)地裂縫。通過對(duì)地裂縫實(shí)測(cè)，結(jié)合工作面實(shí)際位置，根據(jù)采空區(qū)邊界附近地表最外面的地裂縫與采空區(qū)控制邊界煤層底板點(diǎn)的連線傾角確定曉南井田深部開采重復(fù)采動(dòng)引起的巖層裂縫角為40°。

五、地裂縫問題探討與防治

地裂縫成因首先是井下工作面開采引起地表塌陷，在自燃降雨，開采程度不斷加大的情況下不斷擴(kuò)大明顯，其分布基本上與工作面順槽和切眼方向一致，并伴著開采進(jìn)度逐漸加寬加長(zhǎng)，裂縫上的隱伏狀態(tài)裂縫也會(huì)有所表現(xiàn)。由于人類對(duì)煤炭資源的開采日益增多，地裂縫一旦形成只能是不斷加深加寬，難以治理。地裂縫帶來的災(zāi)害使耕地開裂，塌陷漏水，使民房道路損害，地下水污染加快加深，更有可能引起地表水通過地裂縫導(dǎo)入井下造成災(zāi)害，地裂縫帶來的損失不可估量。地裂縫是構(gòu)造應(yīng)力和人類開采活動(dòng)共同作用的產(chǎn)物，地裂縫的不斷發(fā)展給我們敲響了警鐘，我們不能視而不見，任其發(fā)展。

防治原則是合理避讓預(yù)防和減緩災(zāi)害的發(fā)展，一經(jīng)發(fā)現(xiàn)應(yīng)及時(shí)填平夯實(shí)以地表水作用加速地裂縫的發(fā)展，節(jié)約和減少地下資源的開采才是最根本的方法。

六、結(jié)論

曉南井田深部開采重復(fù)采動(dòng)引起的巖層裂縫角40°。地裂縫寬度在1.5米至3米，深度在0.8米至2.0米，裂縫帶上裂縫的深度不一致；地裂縫延伸方向與順槽和切眼方向基本一致并呈階梯狀成組出現(xiàn)；地裂縫一般在工作面開采6個(gè)月后首次出現(xiàn)，暴雨過后是地裂縫產(chǎn)生的高發(fā)時(shí)期。