小保當(dāng)煤礦開采沉陷引起的地表裂縫的特征分析

摘 要：榆神礦區(qū)是我國(guó)重要的產(chǎn)煤基地，由地下煤層開采而導(dǎo)致的地表塌陷和裂縫對(duì)這里的生態(tài)環(huán)境和地表建筑物造成了嚴(yán)重的破壞。研究煤層開采引起的地表裂縫的特點(diǎn)，對(duì)保護(hù)地表建筑物具有重要意義。小保當(dāng)煤礦是榆神礦區(qū)的一個(gè)大型煤礦，具有榆神礦區(qū)煤礦的典型開采特點(diǎn)。通過對(duì)榆神礦區(qū)陜西小保當(dāng)煤礦132201工作面進(jìn)行地表移動(dòng)觀測(cè)，分析了該礦的裂縫發(fā)育特征。

關(guān)鍵詞：開采沉陷;地表裂縫;移動(dòng)觀測(cè)

中圖分類號(hào)：TD325 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2021）23-0079-04

Abstract： Yushen mining area is an important coal production base in China. Surface collapse and cracks caused by underground coal mining cause serious damage to the ecological environment and surface buildings here. To study the characteristics of surface cracks caused by coal mining is of great significance to the protection of surface buildings. Xiaobaodang coal mine is a large scale coal mine in Yusen mining area， which has typical geological and mining characteristics of yusen coal mine. Based on the surface movement observation of 132201 working face of Shaanxi Xiaobadang coal mine in Yushen mining area， the author analyzes the development characteristics in the mine.

Keywords： mining subsidence;surface crack;movement observation

1 小保當(dāng)煤礦概況

1.1 地理位置

陜西小保當(dāng)?shù)V業(yè)有限公司二號(hào)煤礦位于陜西省榆林市神木市西南部、榆陽(yáng)區(qū)的東北部，礦區(qū)距榆林市80 km。地處陜北黃土高原與毛烏素沙漠接壤地帶，地表地貌以沙漠灘地貌為主，地形較為平緩;礦區(qū)東南部有黃土梁峁地貌，地形起伏變化較大。132201工作面位于13盤區(qū)最南部，東側(cè)為工作面切眼，西側(cè)為回撤通道，北鄰132202工作面，南側(cè)為采區(qū)邊界和鐵路線。

1.2 開采煤層條件

132201工作面2-2煤賦存于延安組第四段頂部，是井區(qū)內(nèi)最厚的主要可采煤層。埋深為307～367 m，煤層底板標(biāo)高為944～954 m;煤厚為2.0～2.5 m，平均煤厚為2.2 m，以中厚煤層為主;標(biāo)準(zhǔn)差為0.21，變異系數(shù)為0.036;煤層由東向西逐漸變厚。

1.3 煤層頂?shù)装?/p>

煤層頂板中老頂為灰白色中粒砂巖，成分以長(zhǎng)石、石英為主，分選中等，局部鈣質(zhì)膠結(jié)，塊狀層理，見炭質(zhì)紋層;直接頂為灰色細(xì)粒砂巖，成分以長(zhǎng)石、石英為主，含少量白云母碎屑，夾粉砂巖薄層，塊狀層理，局部有鐵質(zhì)膠結(jié)的粉砂巖;偽頂為炭質(zhì)泥巖。直接底以砂質(zhì)泥巖及粉砂巖為主，具有水平及波狀層理，泥質(zhì)膠結(jié)，夾細(xì)粒砂巖薄層;老底以粉砂巖及細(xì)粒砂巖為主，淺灰色，成分以石英、長(zhǎng)石為主，少量巖屑，分選中等，次圓-次棱角狀，泥質(zhì)膠結(jié)，水平及波狀層理。

1.4 地質(zhì)構(gòu)造

煤層埋藏淺，地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單。地層平坦，總體區(qū)域構(gòu)造形態(tài)為一地層總體走向NE、傾向NW、傾角1°左右的單斜構(gòu)造，坡降為6‰～7‰，無(wú)褶皺，無(wú)巖漿侵入，僅發(fā)育小型寬緩的波狀起伏，非常適合綜采。

1.5 工作面開采技術(shù)條件

132201首采工作面的采煤工藝為大采高長(zhǎng)壁式，全部垮落法管理頂板，開采后頂板會(huì)發(fā)生垮落和開裂性破壞，并在巖層內(nèi)部形成“三帶”，即垮落帶、裂隙帶以及彎曲下沉帶。2-2煤層直接頂板多為粉砂巖、細(xì)砂巖，厚為10～20 m;基本頂為延安組第四段底砂巖（真武硐砂巖）細(xì)粒長(zhǎng)石砂巖，厚度較大;底板巖性以粉砂巖為主，局地段為泥巖，厚為1～2 m，其下伏為厚層狀細(xì)粒長(zhǎng)石砂巖，頂?shù)装宸€(wěn)固性較好。開采過程一般不產(chǎn)生底鼓現(xiàn)象。

132201工作面走向長(zhǎng)度為4 060 m、傾向長(zhǎng)度為300 m，煤厚2.0～2.5 m，平均厚度為2.2 m，煤層傾角平均為0.5°。

2 地表移動(dòng)觀測(cè)

132201工作面地面地形比較簡(jiǎn)單，不受建構(gòu)筑物、鐵路及管線等的影響。因此，本次觀測(cè)站設(shè)計(jì)采用線性結(jié)構(gòu)，即傾向觀測(cè)線和走向觀測(cè)線的基本布設(shè)形式，使走向觀測(cè)線和傾向觀測(cè)線垂直于工作面下沉盆地中間。觀測(cè)線具體布設(shè)方案如圖1所示。

2.1 走向觀測(cè)線

132201工作面中，布設(shè)觀測(cè)線處煤層屬于近水平煤層，所以不考慮傾角的影響，走向觀測(cè)線布設(shè)在工作面回采方向的中心線上。由于132201工作面地表松散層較厚，為確保走向觀測(cè)線覆蓋下沉盆地半長(zhǎng)，結(jié)合小保當(dāng)112201工作面地表移動(dòng)觀測(cè)成果綜合考慮，最終確定走向觀測(cè)線長(zhǎng)度為900 m，切眼開采邊界外側(cè)布設(shè)360 m，切眼內(nèi)側(cè)布設(shè)540 m。在走向觀測(cè)線切眼外側(cè)一端布設(shè)3個(gè)控制點(diǎn)，控制點(diǎn)之間的距離和控制點(diǎn)與工作點(diǎn)之間的距離均為100 m。平均開采深度為311 m，監(jiān)測(cè)點(diǎn)間距取20 m，共沿著走向觀測(cè)線布設(shè)46個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，編號(hào)分別為Z01、Z02、……、Z46。

2.2 傾向觀測(cè)線

傾向觀測(cè)線應(yīng)選擇布設(shè)在最大下沉部位。因回采工作面傾向長(zhǎng)度[d]=300 m<1.4[H0]（[H0]為回采工作面平均開采深度，取311 m），傾向方向可能未充分采動(dòng)，所以布置整條傾向觀測(cè)線。傾向觀測(cè)線到切眼的距離[D]應(yīng)滿足[D]≥0.7[H0]，即傾向觀測(cè)線到停采線的最小距離為217.7 m。

根據(jù)計(jì)算，傾向觀測(cè)線選擇在距離切眼大于217.7 m的位置才能處于主斷面內(nèi)，為了能夠充分保證傾向觀測(cè)線覆蓋下沉盆地，將傾向觀測(cè)線布設(shè)在距離開切眼內(nèi)側(cè)500 m的位置，并與走向觀測(cè)線垂直相交于走向觀測(cè)線的倒數(shù)第3個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，保證傾向觀測(cè)線外還有2個(gè)走向觀測(cè)線的觀測(cè)點(diǎn)。

傾向觀測(cè)線長(zhǎng)度必須保證完全覆蓋下沉盆地和工作面的寬度，并超出一定的距離。傾向觀測(cè)線最小長(zhǎng)度計(jì)算式為：

[S傾向≥2（H0-h）cotδ-Δδ+2hcotφ+l]? ? ? ? （1）

式（1）中：[H0]為回采工作面平均開采深度，取311 m;[h]為松散層厚度，取80 m;[φ]為松散層厚移動(dòng)角，取45°;[δ]為走向移動(dòng)角，取73°;[Δδ]為走向移動(dòng)角的修正值，取20°;[l]為工作面寬度，取300 m。

將數(shù)值代入式（1）計(jì)算得傾向觀測(cè)線最小長(zhǎng)度[S傾向]=808.2 m。由于132201工作面地表松散層較厚，為確保覆蓋下沉盆地，綜合考慮確定傾向觀測(cè)線長(zhǎng)度為1 000 m，可以滿足觀測(cè)需要。在傾向觀測(cè)線兩端各設(shè)2個(gè)控制點(diǎn)，共4個(gè)控制點(diǎn)，控制點(diǎn)與控制點(diǎn)間距為100 m，控制點(diǎn)與工作點(diǎn)間距大于100 m。為了準(zhǔn)確確定移動(dòng)盆地邊界，共布設(shè)工作觀測(cè)點(diǎn)50個(gè)，點(diǎn)間距20 m，編號(hào)分別為Q01、Q02、……、Q50。

2.3 開采沉陷數(shù)據(jù)觀測(cè)

觀測(cè)點(diǎn)的全面觀測(cè)內(nèi)容為平面坐標(biāo)、點(diǎn)間距及高程測(cè)量。控制點(diǎn)進(jìn)行E級(jí)全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）測(cè)量，高程采用三等水準(zhǔn)測(cè)量，全面測(cè)量平面觀測(cè)采用實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位技術(shù)（Real-Time Kinematic，RTK）。測(cè)量時(shí)，啟動(dòng)移動(dòng)站接收機(jī)，至少選用3個(gè)以上分布合理的已知點(diǎn)進(jìn)行平面校正，控制點(diǎn)上數(shù)據(jù)采集時(shí)間應(yīng)不少于3 min，精度滿足要求后方可進(jìn)行觀測(cè)。平面坐標(biāo)和點(diǎn)間距采用RTK進(jìn)行觀測(cè)，觀測(cè)工作按照《煤礦測(cè)量規(guī)程》中的精度要求進(jìn)行，取前兩次觀測(cè)數(shù)據(jù)的平均值作為首次觀測(cè)數(shù)據(jù)。

各觀測(cè)點(diǎn)的水平位移采用GPS-RTK測(cè)量，高程采用四等水準(zhǔn)測(cè)量。進(jìn)行兩次獨(dú)立全面觀測(cè)，提供內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理基準(zhǔn)。在采動(dòng)期間進(jìn)行了18次日常觀測(cè)和穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)。其中日常觀測(cè)是指定期、重復(fù)地測(cè)定觀測(cè)線上各點(diǎn)在不同時(shí)期內(nèi)空間位置的變化。從2020年7月14日至2021年1月22日對(duì)所有觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行了18次全面觀測(cè)。觀測(cè)成果較好地反映了開采沉陷的全過程。

3 裂縫角的確定

地面裂縫與裂縫角有關(guān)，為了確定地面裂縫的范圍，首先需要確定裂縫角。在開采工作面達(dá)到或接近充分采動(dòng)的情況下，采空區(qū)上方地表最外側(cè)的裂縫位置和采空區(qū)邊界點(diǎn)的連線與水平線在采空區(qū)外側(cè)的夾角稱為裂縫角。

裂縫角的計(jì)算公式為：

[δ=arctanH0L]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

式（2）中：[H0]為回采工作面平均開采深度，取311 m;[L]為裂縫位置距開采邊界的距離。

實(shí)測(cè)地表裂縫位置及實(shí)景照片如圖2和圖3所示。走向觀測(cè)線最外側(cè)的裂縫在采空區(qū)邊界外側(cè)的Z17和Z18之間，到采空區(qū)邊界距離約為18 m;在傾向觀測(cè)線一側(cè)的裂縫位置分別在Q18和Q19之間、Q34和Q35之間，距離開采邊界分別為20 m和15 m。裂縫角計(jì)算結(jié)果如表1所示，其中裂縫角的均值為86.8°。

根據(jù)實(shí)地觀測(cè)，地表裂縫均產(chǎn)生于工作面開采邊界附近上方（見圖2和圖3），裂縫寬度和落差一般超過20 cm，呈環(huán)形狀展布。這是因?yàn)檫吔鐑?nèi)側(cè)的土層受地下煤層開采的影響發(fā)生下陷和位移，而邊界外側(cè)的地下區(qū)域沒有發(fā)生采煤，巖層和土層不運(yùn)動(dòng)。所以運(yùn)動(dòng)土層和靜止土層之間產(chǎn)生了拉伸和斷裂，導(dǎo)致裂縫在這一區(qū)域集中體現(xiàn)。實(shí)測(cè)結(jié)果顯示，傾向觀測(cè)線上所測(cè)裂縫的最大水平移動(dòng)變形值為5.722 mm/m。

4 煤層開采引起的地表裂縫類型、特點(diǎn)和成因分析

4.1 地表裂縫類型

地下煤層開采引發(fā)的地表裂縫可以分為如下類型。

4.1.1 平行于開采工作面的裂縫。地下煤層開采后，上方的巖層開始垮塌，引發(fā)了地表的下陷，在工作面前方波及的地表就會(huì)產(chǎn)生這種裂縫。因此，這種裂縫一般出現(xiàn)在超前工作面的前方一定距離處。隨著開采的推進(jìn)，裂縫也會(huì)逐漸變寬變大。當(dāng)工作面處于裂縫下方時(shí)，裂縫變化最為劇烈。隨后，當(dāng)工作面采過裂縫的正下方后，上面的土體塌陷下來(lái)，將裂縫擠壓閉合。這樣的裂縫隨著開采工作面的推進(jìn)有一個(gè)動(dòng)態(tài)的變化過程，先逐漸變大，后逐漸變小。因此，這類裂縫也稱為動(dòng)態(tài)裂縫[1]。

4.1.2 采空區(qū)邊界的裂縫。當(dāng)工作面推進(jìn)到一定距離，致使老頂初次斷裂后5 d左右，會(huì)引發(fā)地表移動(dòng)，裂縫沿著采空區(qū)邊界出現(xiàn)。這些裂縫位于下沉盆地的邊界，與未開采的工作面上方的土體逐漸分離，形成斷裂，隨著工作面的下沉逐漸變大，發(fā)展為永久性裂縫[2]。

132201工作面在開采過程中，在工作面前方產(chǎn)生了幾條動(dòng)態(tài)裂縫，如圖4所示。在采空區(qū)邊界附近產(chǎn)生了多條延續(xù)的永久性裂縫，如圖5所示。

4.2 地表裂縫特點(diǎn)

圖6為裂縫塌陷較為嚴(yán)重的區(qū)域。圖6中不規(guī)則類似橢圓區(qū)域代表裂縫出現(xiàn)的位置，多是圍繞采空區(qū)邊緣地表。裂縫分布范圍為垂直于工作面走向的裂縫帶以及平行于工作面走向的裂縫帶[3]。在工作面前方超前影響范圍內(nèi)，同樣會(huì)產(chǎn)生于垂直于工作面走向的裂縫帶。在工作面推過之后，這些裂縫趨于閉合[4]，而工作面起始邊界外的垂直裂縫帶則無(wú)法閉合。

根據(jù)實(shí)地勘察，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的地表裂縫做了記錄，發(fā)現(xiàn)裂縫主要分為3部分。

第1部分為位于切眼處的地表裂縫，表現(xiàn)為小臺(tái)階狀，垂直于工作面走向，長(zhǎng)度約為150 m，部分位置的臺(tái)階高度約為5 cm，寬度為5 cm，如圖7所示。

第2部分為工作面兩側(cè)地表的裂縫，平行于走向觀測(cè)線，垂直于傾向觀測(cè)線，分別位于監(jiān)測(cè)點(diǎn)Q18和Q19之間、Q34和Q35之間，與其對(duì)應(yīng)的工作面邊界上方也存在這樣的裂縫，如圖8所示。

第3部分為工作面上方前進(jìn)方向垂直于走向觀測(cè)線的裂縫，在走向觀測(cè)線上斷斷續(xù)續(xù)出現(xiàn)了多條裂縫。隨著工作面推進(jìn)，裂縫寬度逐漸縮小，最終閉合[4]。圖9為工作面上的一條開采裂縫，一開始裂縫寬度為3～6 cm，隨著工作面的推進(jìn)，最終裂縫逐漸閉合。

5 結(jié)語(yǔ)

通過小保當(dāng)煤礦132201工作面的開采沉陷觀測(cè)及裂縫觀測(cè)可知，開采沉陷引起的地表裂縫根據(jù)其變化特征可以分為動(dòng)態(tài)裂縫和永久性裂縫。動(dòng)態(tài)裂縫出現(xiàn)在工作面推進(jìn)的前方，開采過后逐漸閉合[5];永久性裂縫出現(xiàn)在工作面的邊緣，開采結(jié)束后依然難以閉合。根據(jù)裂縫的分布位置，可以分為在切眼附近的裂縫、垂直于工作面走向的裂縫帶以及平行于工作面走向的裂縫帶。切眼附近塌陷較為嚴(yán)重的區(qū)域，多是圍繞采空區(qū)邊緣，呈環(huán)形狀展布的裂縫帶。同時(shí)，地表裂縫與地表移動(dòng)不同階段（起始、活躍、衰退3個(gè)階段）的時(shí)間分布及移動(dòng)量有密切關(guān)系[6]。起始階段裂縫較為細(xì)小，活躍階段裂縫高度發(fā)育，衰退階段裂縫趨向穩(wěn)定。

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