采煤區(qū)地表拉張裂縫演化及其控制因素物理模擬試驗

黃 河，馮 宇，嚴家平，魯海峰，劉 偉，郭寶偉，尚相春

（1.安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.淮北礦業(yè)（集團）有限責(zé)任公司，安徽 淮北 235000）

0 引言

采動地裂縫形成的實質(zhì)是采礦引起的力學(xué)作用在不同介質(zhì)中的具體體現(xiàn)，隨著采空區(qū)面積不斷擴大，當集中應(yīng)力超過巖石的強度時，巖層進入變形、破斷的不平衡狀態(tài)，其原始應(yīng)力平衡狀態(tài)破壞，引起地表各點非均勻沉陷和移動變形，當表土層受到的應(yīng)力超過其極限強度，非連續(xù)變形超過表土層極限變形，土體沿著原有裂隙發(fā)生非連續(xù)破壞，形成地裂縫[1?3]。根據(jù)力學(xué)條件不同，采動地裂縫可分為張性、壓性、扭性三類地裂縫，其中張性地裂隙發(fā)育較普遍[4]。影響地表拉張裂隙發(fā)育的因素較多，研究表明[5?6]：采煤區(qū)地表拉張裂隙形成是一個復(fù)雜的巖土力學(xué)時空演變過程，地質(zhì)條件、開采工藝、巖層與第四系松散層物理力學(xué)性質(zhì)等對拉張裂縫的形成與演化影響較顯著。周長松等[7]通過模擬試驗發(fā)現(xiàn)，地裂縫類型及其大小與上覆土質(zhì)相關(guān)，若塑性指數(shù)高、黏性大的黏土受基巖破斷影響形成寬度較大的地裂縫，釋放應(yīng)力后地裂縫難閉合。何國清等[8]認為在相似開采地質(zhì)條件下，塑性大的表土層產(chǎn)生地裂縫步距較大，地裂縫尺寸也較大，但裂縫條數(shù)相對較少。胡振琪等[9]研究表明風(fēng)沙區(qū)地表賦存較厚風(fēng)積沙，具有高孔隙度和半流動性特征，力學(xué)強度差，地裂縫具有較強自修復(fù)特征。

采煤區(qū)地表拉張裂隙破壞了原有土層結(jié)構(gòu)，加速了地表水和土壤養(yǎng)分的流失，造成嚴重的水土流失。范立民等[10]，胡青峰等[11]研究發(fā)現(xiàn)，榆神府礦區(qū)高強度、大規(guī)模開采導(dǎo)致的地面塌陷、地裂縫等對當?shù)氐牡刭|(zhì)環(huán)境保護和生產(chǎn)生活造成嚴重影響。畢銀麗等[12]研究表明采動地裂縫對土壤中水分運移產(chǎn)生較大影響。王銳等[13]通過對采空區(qū)地裂縫兩側(cè)植物生物量和植被覆蓋度進行統(tǒng)計表明：裂縫兩側(cè)0～80 cm 范圍內(nèi)植物生物量和覆蓋度顯著減少。目前針對采煤區(qū)地表拉張裂隙的防治方法通常采用地表充填法等來減小拉張裂隙的規(guī)模和危害[14?16]。本文利用室內(nèi)和現(xiàn)場試驗，研究土體增濕及應(yīng)力引導(dǎo)對拉張裂隙發(fā)育的影響，探討采煤區(qū)地表拉張裂隙的有效防控技術(shù)。

1 室內(nèi)模擬試驗

1.1 試驗?zāi)康?/h3>

地表拉張裂隙發(fā)育受多種因素影響，本次室內(nèi)試驗主要研究在相同拉張應(yīng)力條件下，土體含水量變化及表面的應(yīng)力環(huán)境對土體表面拉張裂隙發(fā)育的影響。

1.2 試驗裝置

本試驗采用自制模擬裝置如圖1 所示。試驗裝置主要由三部分組成，即裝樣盒、升降機和支架，其中裝樣盒尺寸為100 cm×40 cm×30 cm，其底部中間有一鉸鏈，將裝樣盒一分為二，可沿鉸鏈自由開合；升降機為機械式升降機，升降高度為0～20 cm。

圖1 試驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of testing device

1.3 試驗方法

試驗用土取自安徽理工大學(xué)附近場地，土粒比重Gs為2.74，塑限Wp為23.4%，液限WL為41.5%，塑性指數(shù)Ip為18.1，為黏土。試驗前先將土晾干、破碎，過10 目篩子，烘干冷卻后作為試驗用土；按含水量分別為30%、35%、40%配制土樣，配制時將水與烘干土進行充分混合、攪拌、浸潤，靜置24 h 后待用；裝土前調(diào)節(jié)升降機使裝樣盒保持水平，將配制好的土樣分層裝入裝樣盒并進行壓實，對下層土樣表層進行打毛后再裝填上一層土樣直到裝填好試驗土樣，控制土樣密度。試驗時在相對封閉的室內(nèi)，利用加濕器來保持室內(nèi)空氣濕度，避免土樣因蒸發(fā)等引起含水量變化，從而保證土樣含水量的相對穩(wěn)定。

試驗時通過調(diào)節(jié)升降機高度使其上部裝樣盒沿鉸鏈下傾，在土樣內(nèi)形成拉張應(yīng)力，觀察土樣表面拉張裂隙發(fā)育情況及特征；升降機下降速率控制在1 cm/min，每下降1 cm 后在1 h 內(nèi)觀察土樣表面拉張裂隙發(fā)展變化；至下降3 cm 后，在24 h 內(nèi)持續(xù)觀測拉張裂隙變化（在試驗期間通過持續(xù)觀測發(fā)現(xiàn)24 h 內(nèi)裂隙發(fā)育基本穩(wěn)定）。

本次試驗除了分析含水量對土體表面拉張裂隙發(fā)育的影響，還研究了土體表面應(yīng)力環(huán)境改變對拉張裂隙發(fā)育的影響。按上述方法制備含水量為35%的土樣裝入裝樣盒后，先在距離土樣中線外側(cè)5 cm 位置處，利用刀片劃出一條深5 cm 的橫向劃痕貫穿土樣，再按上述方法通過調(diào)節(jié)升降機來觀察土樣表面拉張裂隙發(fā)育特征。

1.4 試驗結(jié)果與分析

含水量為30%時土樣為可塑狀，實測密度為1.29 g/cm3。在升降機下降4 mm 時在鉸鏈位置上方土樣表面出現(xiàn)微小裂隙；在下降1 cm 時裂隙發(fā)育較明顯，裂隙基本貫通，呈近直線型；下降2 cm 時裂隙完全貫通，且拉張裂隙深度和寬度不斷增大；下降3 cm 時裂隙寬度和深度持續(xù)增大并逐漸趨于穩(wěn)定，裂隙最大寬度約7 mm，拉張裂隙發(fā)育情況見圖2。

圖2 含水量為30%的土樣表面裂隙發(fā)育情況Fig.2 Development of surface cracks of soil sample with 30% water content

含水量為35% 時土樣呈軟可塑狀，實測密度為1.29 g/cm3。在升降機下降1 cm 時土樣表面無明顯裂隙；下降2 cm 時，拉張裂隙出現(xiàn)并逐步貫通，裂隙呈近直線型，但有一定彎曲；下降3 cm 后，裂隙完全貫通，裂隙寬度和深度持續(xù)增大，裂隙最大寬度約4 mm，拉張裂隙發(fā)育情況見圖3 所示。

圖3 含水量為35%的土樣表面裂隙發(fā)育情況Fig.3 Development of surface cracks of soil sample with 35% water content

含水量為40% 時土樣呈軟-流塑狀，實測密度為1.28 g/cm3。在升降機下降1，2，3 cm 時均未產(chǎn)生拉張裂隙（觀測時間同上）。

在土樣中添加劃痕后，當升降機下降0.5 cm，土樣中劃痕處裂隙開始擴展，下降1 cm 時，人為劃痕擴張至5 mm；下降到2 cm 時，人為劃痕處裂隙由5 mm 擴張到12 mm；下降到3 cm，人為劃痕由12 mm 擴張到16 mm，且豎直貫穿到土樣底部。原先產(chǎn)生拉張裂隙的位置在本試驗中并未產(chǎn)生拉張裂隙，其他位置拉張裂隙發(fā)育也不明顯，裂隙發(fā)育情況見圖4。

圖4 含水量為35%添加劃痕的土樣表面裂隙發(fā)育情況Fig.4 Development of surface cracks of soil sample with 35% water content and scratch

由試驗結(jié)果可知，黏土體含水量變化對拉張裂隙發(fā)育有顯著影響。隨著黏土體含水量增高，拉張裂隙發(fā)育的寬度和深度均顯著降低，且拉張裂隙形成時間明顯滯后；當含水量增大至40%時，不會產(chǎn)生拉張裂隙。而土樣表面應(yīng)力環(huán)境改變對裂隙發(fā)育影響明顯，拉張裂隙優(yōu)先在劃痕處擴展，可有效避免原先易產(chǎn)生拉張裂隙位置處產(chǎn)生裂隙。

黏土體含水量不同，土體呈現(xiàn)不同的狀態(tài)，其變形性質(zhì)也不同；當含水量較高時，其塑性變形能力較強。試驗時土樣密度相同、升降機下降高度相同，在土樣內(nèi)產(chǎn)生的拉張應(yīng)力基本相似，且在鉸鏈正上方處土樣表層拉張應(yīng)力最大。在拉張應(yīng)力作用下土體產(chǎn)生拉伸變形，當土體塑性變形能力較弱時，拉伸變形量超過塑性變形量，就容易產(chǎn)生拉張裂隙；當土體塑性變形能力較高時，拉伸變形部分或全部轉(zhuǎn)化為塑性變形，就不易產(chǎn)生拉張裂隙，且拉張裂隙發(fā)育較慢且規(guī)模變小。試驗中隨著土樣含水量30%、35%、40%不斷增高，其塑性變形能力也不斷增強，因此在相似拉張應(yīng)力條件下，土樣表面拉張裂隙發(fā)育規(guī)模逐漸變小，至40%時因其塑性變形能力大，就不會產(chǎn)生拉張裂隙。

在土樣中添加劃痕，實際上就是在土樣表面人為形成一個應(yīng)力薄弱區(qū)。當這個應(yīng)力薄弱區(qū)范圍內(nèi)存在拉張應(yīng)力時，拉伸變形將優(yōu)先在應(yīng)力薄弱區(qū)反映；通過人為設(shè)立應(yīng)力薄弱區(qū)，可以有效改變拉張應(yīng)力發(fā)育位置及方向。

2 現(xiàn)場試驗研究

為了研究采煤區(qū)地表拉張裂隙發(fā)育的有效防控技術(shù)，本次研究基于室內(nèi)試驗結(jié)果開展了拉張裂隙防控現(xiàn)場試驗研究。

2.1 試驗場地基本情況

本次現(xiàn)場試驗場地選擇淮北礦業(yè)（集團）有限責(zé)任公司孫疃煤礦1047 工作面。孫疃煤礦為生產(chǎn)礦井，位于安徽淮北礦區(qū)，地貌類型屬于黃淮海沖積平原，上覆第四系松散層厚約200 m，下伏C-P 含煤地層。1047 工作面是孫疃煤礦當前主采工作面，走向長560 m，傾向?qū)?20 m，切眼方向150°，機巷、風(fēng)巷方向為60°。采煤方法為綜采法，采深?280.4～?427.3 m，主采煤層為10 煤，采厚約3.3 m。1047 工作面表層土體為黏土，其基本性質(zhì)與室內(nèi)試驗所用黏土基本相似，其基本性質(zhì)參數(shù)詳見表1。

表1 室內(nèi)試驗與現(xiàn)場試驗黏土基本性質(zhì)對比Table 1 Comparison of clay properties between laboratory test and field test

由現(xiàn)場調(diào)查可知，1047 工作面回采期間，地表拉張裂隙發(fā)育明顯。按發(fā)育特征地表拉張裂隙分為兩大類，一類是平行于切眼方向的拉張裂隙（切眼裂隙），一類是平行于機巷、風(fēng)巷的拉張裂隙（風(fēng)機裂隙）。“切眼裂隙”隨著地下采煤活動的推進從無到有、由小變大再逐漸變小，最后趨于閉合；而“風(fēng)機裂隙”隨著工作面推進不斷向前延展，裂隙寬度及深度逐漸發(fā)展，趨于穩(wěn)定并長期存在?！扒醒哿严丁卑l(fā)育寬度和深度相對較小，裂隙寬度從幾毫米到幾厘米不等，深度從幾十厘米至2～4 m 不等；“風(fēng)機裂隙”寬度從幾厘米到幾十厘米不等，深度從幾十厘米至幾十米不等?！扒醒哿严丁敝饕l(fā)育在當前開采位置前方150 m 范圍，裂隙間距8～12 m不等，“風(fēng)機裂隙”主要發(fā)育在風(fēng)巷、機巷外圍60～150 m范圍，一般會發(fā)育多條，呈一定間隔出現(xiàn)。

本次試驗針對這兩種不同類型的拉張裂隙，分別采用增濕法和應(yīng)力引導(dǎo)法，來研究拉張裂隙的有效防控技術(shù)。增濕法試驗地塊選擇在1047 工作面切眼前方370 m處的一塊40 m×40 m 的地塊（當前回采位置從切眼向前推進至220 m），試驗地塊位置參見圖5。應(yīng)力引導(dǎo)法試驗點選擇發(fā)育顯著的一條“風(fēng)機裂隙”。

圖5 現(xiàn)場試驗地塊位置示意圖Fig.5 Location of field test site

2.2 試驗方法

增濕試驗時，根據(jù)井下采煤活動推進速度，結(jié)合地表拉張裂隙發(fā)育情況，在拉張裂隙即將影響到試驗地塊之前，利用水泵從鄰近水源抽水澆灌試驗地塊，每天連續(xù)澆水4 h 后，經(jīng)過20 h 的自由入滲，利用水分速測儀對試驗地塊土體含水量及滲透深度進行測量，持續(xù)5 d。由測試結(jié)果可知，表層0.5 m 深度內(nèi)土體含水量顯著增高，由原來21%增大至35%。隨著工作面向前推進，觀測試驗地塊與周邊未增濕地塊地表拉張裂隙的發(fā)育情況。在觀測期間為了減小因蒸發(fā)而導(dǎo)致的土體含水量降低影響，利用水泵噴灑的方式適量地澆水，保持土體含水量的相對穩(wěn)定。

應(yīng)力引導(dǎo)法試驗時，選擇一條典型的“風(fēng)機裂隙”，裂隙呈北偏東30°方向延伸，在裂隙末端未出現(xiàn)裂隙處，利用輕便鉆機施工一排深度3.0 m、孔徑50 mm、孔間距0.5 m 的20 個鉆孔，長度約10 m，鉆孔排列方向為北偏東25°（與原裂隙延伸方向偏轉(zhuǎn)5°），然后用鐵鍬在每兩個鉆孔間直切一條深0.3 m 的切痕，觀測此“風(fēng)機裂隙”隨著工作面推進時的發(fā)展情況。

2.3 試驗結(jié)果分析

隨著工作面持續(xù)向前推進，“切眼裂隙”仍不斷出現(xiàn)，但通過對與“切眼方向”平行的增濕地段和未增濕地段拉張裂隙發(fā)育情況進行觀察，表現(xiàn)出顯著的差異性，具體觀測結(jié)果見表2。由試驗結(jié)果可知，增濕地段拉張裂隙發(fā)育數(shù)量及寬度等均顯著減少，表明增濕法對抑制地表拉張裂隙發(fā)育有顯著效果。

表2 不同試驗地段拉張裂隙發(fā)育情況對比Table 2 Comparison of tensile fractures development in different testing sections

對應(yīng)力引導(dǎo)的“風(fēng)機裂隙”進行觀測發(fā)現(xiàn)，隨著工作面不斷推進，新生成的拉張裂隙基本沿著鉆孔排列方向發(fā)展，后在第13 個鉆孔位置處（約6.5 m）裂隙方向發(fā)生改變，基本又回到原先延展方向，拉張裂隙寬度基本未變。這主要是由于形成“風(fēng)機裂隙”的拉張應(yīng)力巨大，裂隙發(fā)育規(guī)模較大，且方向基本固定，在小范圍內(nèi)應(yīng)力環(huán)境改變可以對裂隙方向產(chǎn)生影響，但從大范圍來看，對拉張裂隙影響較小。本試驗表明通過應(yīng)力引導(dǎo)法可以在一定范圍內(nèi)改變地表拉張裂隙發(fā)育方向，對保護拉張裂隙延展方向上特定的小目標物具有一定的效果。

3 結(jié)論

地表拉張裂隙的形成是采煤區(qū)常見的一種地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象，往往會造成采煤區(qū)水土流失和生態(tài)環(huán)境惡化。本次研究通過室內(nèi)模擬試驗、現(xiàn)場試驗研究了黏土體含水量變化及應(yīng)力環(huán)境改變對拉張裂隙發(fā)育的影響，室內(nèi)模擬試驗結(jié)果表明：隨著黏土含水量增高，拉張裂隙發(fā)育的寬度和深度均顯著降低，且拉張裂隙形成時間明顯滯后，當土樣含水量增大至40%時，表面不會產(chǎn)生拉張裂隙；在土樣表面人為形成應(yīng)力薄弱區(qū)，可以有效改變拉張應(yīng)力發(fā)育位置。

通過在孫疃煤礦1047 工作面開展增濕法和應(yīng)力引導(dǎo)法抑制拉張裂隙現(xiàn)場試驗，試驗結(jié)果表明：增濕法對抑制“切眼裂隙”有顯著效果；應(yīng)力引導(dǎo)法在一定范圍內(nèi)改變“風(fēng)機裂隙”發(fā)育方向有明顯效果。本次研究結(jié)果對于指導(dǎo)采煤區(qū)地表拉張裂隙的有效防控具有重要的指導(dǎo)意義。