淺埋煤層過(guò)雙溝地形開(kāi)采地表裂縫發(fā)育規(guī)律

孫學(xué)陽(yáng)，張慧萱，盧明皎，李 成,2 ，苗霖田,3

淺埋煤層過(guò)雙溝地形開(kāi)采地表裂縫發(fā)育規(guī)律

孫學(xué)陽(yáng)1,2,3，張慧萱1，盧明皎1，李 成1,2，苗霖田1,3

(1．西安科技大學(xué) 地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710054；2．礦山地質(zhì)災(zāi)害成災(zāi)機(jī)理與防控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054；3．煤炭資源勘查與綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054)

為保護(hù)黃河流域礦區(qū)生態(tài)環(huán)境，以府谷縣廟哈孤礦區(qū)安山煤礦125203工作面為背景，采用數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)、相似材料模擬實(shí)驗(yàn)和理論分析相結(jié)合的手段，基于工作面過(guò)雙溝地形開(kāi)采時(shí)地表裂縫發(fā)育位置、發(fā)育形態(tài)等參數(shù)，總結(jié)出開(kāi)采誘發(fā)地表裂縫發(fā)育規(guī)律。通過(guò)理論分析，建立了淺埋煤層過(guò)雙溝地形開(kāi)采地表裂縫發(fā)育相對(duì)位置函數(shù)及其判別條件，討論了雙溝地形溝谷參數(shù)與地表裂縫發(fā)育相對(duì)位置之間的關(guān)系。研究表明，工作面過(guò)支溝G1時(shí)，共發(fā)育地表裂縫4條，最大裂縫寬度23 cm，最大錯(cuò)臺(tái)11 cm，裂縫發(fā)育超前于工作面推進(jìn)；過(guò)主溝G2時(shí)共發(fā)育地表裂縫7條，最大裂縫寬度79 cm，最大錯(cuò)臺(tái)45 cm，裂縫發(fā)育滯后于工作面推進(jìn)。裂縫發(fā)育相對(duì)位置受地質(zhì)條件、溝深、坡度和溝谷跨度等因素共同影響。地表裂縫發(fā)育相對(duì)位置函數(shù)與裂縫超前(滯后)距離、裂縫寬度和錯(cuò)臺(tái)以及單溝裂縫總條數(shù)密切相關(guān)。雙溝相互影響程度與工作面推進(jìn)方向有關(guān)。研究結(jié)果可為淺埋煤層溝谷下開(kāi)采地表裂縫發(fā)育研究提供一定的理論依據(jù)。

黃河流域；雙溝地形；相似材料模擬；地表裂縫；相對(duì)位置函數(shù)

黃河流域是中華文明的發(fā)源地，是我國(guó)生態(tài)保護(hù)的重要屏障，同時(shí)黃河流域又是我國(guó)煤炭開(kāi)發(fā)規(guī)模最大的地區(qū)。我國(guó)14個(gè)大型煤炭生產(chǎn)基地有9個(gè)分布在黃河流域，煤炭年產(chǎn)量約占全國(guó)總產(chǎn)量的70%，因此黃河流域又被稱為“能源流域”。煤炭資源開(kāi)發(fā)對(duì)地表環(huán)境、生態(tài)、地表水和地下水資源產(chǎn)生嚴(yán)重影響，已成為黃河流域生態(tài)環(huán)境最嚴(yán)重的人為干擾因素[1-4]。黃河流域煤礦區(qū)生態(tài)環(huán)境修復(fù)與治理是整個(gè)黃河流域生態(tài)修復(fù)的重要組成部分。近40年來(lái)，該區(qū)域降水量持續(xù)減少[5]，呈由東南向西北遞減格局，且?guī)?lái)一系列生態(tài)環(huán)境問(wèn)題[6-8]。地表裂縫是煤炭開(kāi)采后地表破壞的形式之一，也是淺埋風(fēng)沙灘(風(fēng)積沙)區(qū)采煤沉陷對(duì)地表環(huán)境損傷最直觀的表現(xiàn)形式[9-10]。在起伏變化的溝谷地形下開(kāi)采淺埋煤層，因河流沖蝕及其他風(fēng)化作用，松散表土層和部分基巖強(qiáng)度顯著降低[11]，造成其特殊的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律和地表裂縫發(fā)育特征[12]。

張志強(qiáng)等[13-14]通過(guò)理論分析和模擬實(shí)驗(yàn)，研究了溝深和溝谷坡角對(duì)淺埋煤層工作面礦壓顯現(xiàn)的影響；王方田等[12]研究表明，溝谷下淺埋煤層開(kāi)采礦壓顯現(xiàn)劇烈程度呈現(xiàn)“背溝段>向溝段>溝底段>正常開(kāi)采段”的特征；張杰等[15]在溝谷內(nèi)坡面單一、坡角不變的條件下，建立了“非均布載荷梁”力學(xué)模型；侯恩科等[16-18]采用無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)相結(jié)合的方法，研究了淺埋煤層過(guò)溝壑區(qū)地表裂縫發(fā)育特征，揭示了采動(dòng)地表裂縫的平面展布規(guī)律、動(dòng)態(tài)發(fā)育規(guī)律及其與工作面回采距離之間的關(guān)系。

黃河流域礦區(qū)溝谷地貌下煤礦開(kāi)采對(duì)地表生態(tài)環(huán)境影響較大，特別是表土存在黃土、風(fēng)積沙的淺埋煤層。但國(guó)內(nèi)外的研究成果，大多是基于單一溝谷地貌[19]，目前對(duì)淺埋煤層過(guò)雙溝或多溝等復(fù)雜地形下開(kāi)采的研究相對(duì)較少，雙溝地形對(duì)采煤引起地表裂縫的影響機(jī)理有待進(jìn)一步研究。筆者運(yùn)用FLAC3D數(shù)值模擬、相似材料模擬和理論分析相結(jié)合的方法，對(duì)淺埋煤層過(guò)雙溝地形下開(kāi)采的地表裂縫發(fā)育規(guī)律進(jìn)行研究，分析溝谷溝深、坡度和溝谷跨度等因素對(duì)地表裂縫發(fā)育相對(duì)位置的影響，以期為有效解決黃河流域礦區(qū)煤炭開(kāi)采誘發(fā)地表環(huán)境問(wèn)題奠定基礎(chǔ)。

1 礦井地質(zhì)概況

陜西省府谷縣廟哈孤礦區(qū)安山煤礦位于黃河流域中段陜、晉、蒙三省交界處，地表為典型黃土梁、峁地貌，地形復(fù)雜、溝壑縱橫。地勢(shì)北高南低。年平均降雨量不足500 mm，水資源較匱乏，生態(tài)環(huán)境脆弱。125203工作面位于井田西北部，工作面地表植被覆蓋率在35%左右。地表最大高程1 304 m，最小高程1 030 m。工作面走向長(zhǎng)1 152 m，傾向長(zhǎng)240 m，采高2.5 m，采用綜合機(jī)械化采煤方法開(kāi)采。

井田內(nèi)發(fā)育一條季節(jié)性河流菜溝(G2)及其支溝(G1)斜穿工作面，與工作面走向呈45°夾角。兩溝相距61 m。主溝道長(zhǎng)435 m，寬15～100 m，溝底距煤層20 m；支溝道長(zhǎng)220 m，寬15～50 m，溝底距煤層30 m。菜溝溝道為季節(jié)性流水，雨季溝道中因降雨而形成流水或洪水，枯水期溝道干涸?；鶐r出露于溝谷底部，為新近系紅土和第四系黃土覆蓋。該工作面主采煤層為5–2煤層，煤層厚度2.2～3.0 m，平均厚度2.5 m，埋藏極淺，局部不足30 m，頂板基巖厚20～65 m，頂板基巖上覆為0～77 m的新近系和第四系松散層[17]。G1和G2基本參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 雙溝地形基本參數(shù)

2 數(shù)值模擬研究

2.1 模型構(gòu)建

根據(jù)125203工作面布置及井田中ZK18-10號(hào)鉆孔揭露的地層資料，結(jié)合地層巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)參數(shù)，運(yùn)用FLAC3D數(shù)值模擬軟件模擬該工作面依次過(guò)G1、G2溝開(kāi)采，揭示覆巖位移場(chǎng)變化規(guī)律。模型長(zhǎng)×寬×高=600 m×300 m×60 m，模擬采長(zhǎng)為500 m，采寬200 m；模型前、后、左、右及底面為固定邊界，上頂面為自由邊界；左右各留50 m邊界煤柱，數(shù)值模型如圖1所示。計(jì)算采用Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則，工作面推進(jìn)順序從左向右，依次過(guò)支溝G1和主溝G2，開(kāi)挖步距5 m，主要巖石力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。

圖1 數(shù)值模擬模型

表2 主要巖石力學(xué)參數(shù)

2.2 模擬過(guò)程及結(jié)果分析

5–2煤層工作面過(guò)G1溝谷地形期間，當(dāng)工作面分別位于溝谷下坡段、溝谷谷底段和溝谷上坡段時(shí)，地表位移場(chǎng)有明顯變化，主要表現(xiàn)在X方向位移(水平移動(dòng))發(fā)育區(qū)域和Z方向位移(垂直下沉)發(fā)育范圍不同，如圖2所示。規(guī)定工作面從左到右的方向?yàn)檎较颍粗疄樨?fù)方向。隨著煤層開(kāi)采地表受拉張容易率先出現(xiàn)拉張地裂縫，據(jù)此確定水平拉張應(yīng)力區(qū)為地裂縫發(fā)育區(qū)。

當(dāng)工作面推進(jìn)至溝谷下坡段時(shí)，由于采空區(qū)覆巖垮落，巖體開(kāi)始向采空區(qū)擠壓，在工作面前、后方分別產(chǎn)生方向相反的水平位移，其值分別為–0.5 cm和2.0 cm。覆巖沉陷范圍較小，變形未波及地表。隨工作面推進(jìn)的地表裂縫發(fā)育區(qū)位于工作面前方的溝谷谷底，裂縫發(fā)育區(qū)中心超前工作面推進(jìn)9 m。此時(shí)，僅水平移動(dòng)范圍波及至G2下坡段，但量值很小，如圖2a所示。

當(dāng)工作面推進(jìn)至溝谷谷底段時(shí)，覆巖水平位移值與地表下沉范圍逐漸增大，地表下沉值增大至35 cm。地表裂縫發(fā)育區(qū)位于工作面前方的溝谷上坡段，裂縫發(fā)育區(qū)中心超前工作面推進(jìn)7 m。此時(shí)，波及至G2下坡段的水平移動(dòng)范圍增大，下沉初步顯現(xiàn)，如圖2b所示。

當(dāng)工作面推進(jìn)至溝谷上坡段時(shí)，在溝谷下坡段和上坡段分別產(chǎn)生正、負(fù)方向水平位移，其值為1.4 cm和–2.4 cm，地表裂縫發(fā)育范圍開(kāi)始增加。地表下沉范圍較大，其最大值增加至85 cm。隨工作面推進(jìn)的地表裂縫發(fā)育區(qū)位于工作面前方的溝谷上坡段尖角處，裂縫發(fā)育區(qū)中心超前工作面推進(jìn)6 m。此時(shí)，波及至G2下坡段的水平移動(dòng)范圍和下沉范圍均呈現(xiàn)明顯增加的現(xiàn)象，如圖2c所示。

當(dāng)工作面推進(jìn)至主溝G2時(shí)，受雙溝地形影響，覆巖水平移動(dòng)和垂直下沉范圍較過(guò)G1時(shí)有明顯區(qū)別，如圖3所示。

圖2 工作面過(guò)G1溝位移分布

當(dāng)工作面推進(jìn)至G2溝谷下坡段時(shí)，工作面后方溝谷G1上坡段產(chǎn)生范圍較大的負(fù)方向水平位移，數(shù)值為–5.0 cm，在G1溝范圍內(nèi)產(chǎn)生大小為4.0 cm的正方向水平位移。覆巖下沉范圍位于采空區(qū)中部，且變形波及地表，地表最大下沉值為155 cm。地表裂縫發(fā)育區(qū)中心滯后工作面推進(jìn)18 m，如圖3a所示。

當(dāng)工作面推進(jìn)至G2溝谷底段時(shí)，在溝谷谷底產(chǎn)生的負(fù)方向水平位移范圍逐漸減小，其值為–4.5 cm；G1溝范圍內(nèi)的正向水平位移開(kāi)始減小，覆巖下沉范圍進(jìn)一步增大。地表裂縫發(fā)育區(qū)中心滯后工作面推進(jìn)7 m，如圖3b所示。

當(dāng)工作面推進(jìn)至G2溝谷上坡段時(shí)，G1與G2之間影響逐漸變小，G1范圍內(nèi)發(fā)育的正方向位移減小至3.5 cm，G2范圍內(nèi)地表下沉進(jìn)一步增大。地表裂縫發(fā)育區(qū)中心滯后工作面推進(jìn)13 m，如圖3c所示。

綜上所述，5–2煤層工作面過(guò)雙溝地形，當(dāng)工作面通過(guò)G1時(shí)，隨工作面推進(jìn)的地表裂縫發(fā)育區(qū)超前于工作面推進(jìn)，G2對(duì)G1的影響較大，工作面推進(jìn)至主溝G2的不同部位，對(duì)G1產(chǎn)生不同的影響。當(dāng)工作面通過(guò)G2時(shí)，隨工作面推進(jìn)的地表裂縫發(fā)育區(qū)域滯后于工作面推進(jìn)；工作面過(guò)其下坡段時(shí)支溝G1受主溝G2的影響較大，因G1下坡段呈現(xiàn)向右移動(dòng)趨勢(shì)，使得G1水平移動(dòng)整體增大，部分拉張裂隙發(fā)育區(qū)顯著減少，擠壓區(qū)范圍增大。值得注意的是，受G2下坡段影響，G1上坡段水平移動(dòng)正值持續(xù)增加，有效緩解了過(guò)G1時(shí)該坡段負(fù)值增加的現(xiàn)象，可以減少該坡段的地表?yè)p害。而工作面過(guò)其谷底段和上坡段時(shí)主溝G2對(duì)支溝G1的影響逐漸變小。

圖3 工作面過(guò)G2溝位移分布

3 相似材料模擬實(shí)驗(yàn)研究

3.1 相似模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

FLAC3D數(shù)值模擬軟件適宜于模擬連續(xù)小變形，具有強(qiáng)大計(jì)算應(yīng)力和應(yīng)變的能力，但不能直觀地模擬地表裂縫發(fā)育等不連續(xù)的大變形。運(yùn)用相似材料模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)M工作面過(guò)雙溝地形條件下地表裂縫的發(fā)育位置、形態(tài)和裂縫參數(shù)，總結(jié)雙溝地形下地表裂縫的發(fā)育特征，克服數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)不能充分體現(xiàn)地表裂縫發(fā)育特征及裂縫動(dòng)態(tài)發(fā)育過(guò)程的不足。根據(jù)125203工作面地層巖性及結(jié)構(gòu)特征，結(jié)合相似定律，建立幾何相似比為1︰100，容重相似比為1.6︰1，應(yīng)力和強(qiáng)度相似比為160︰1的二維相似材料模擬模型。實(shí)驗(yàn)?zāi)M地層總厚度約為60 m，受地形影響，5–2煤層覆巖最大厚度為47 m，覆巖最小厚度為20 m。除黃土層和煤層外，其他地層均由河沙、大白粉和石膏按照不同配比進(jìn)行模擬。相似材料配比見(jiàn)表3。按照相似材料配比進(jìn)行分層建模，所建模型長(zhǎng)×高×寬= 400 cm×60 cm×20 cm。分別設(shè)計(jì)溝谷、上坡和下坡等地形條件進(jìn)行開(kāi)采模擬，開(kāi)挖步距為10 cm，溝谷參數(shù)詳見(jiàn)表1。實(shí)驗(yàn)過(guò)程運(yùn)用VIC-3D(全場(chǎng)非接觸應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng))數(shù)字散斑手段對(duì)工作面過(guò)G1、G2開(kāi)采期間的覆巖位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

表3 模擬地層相似材料配比

注：以相似材料配比為例，沙︰石膏︰大白粉為8︰3︰7中，第一個(gè)數(shù)“8”代表河沙占該層相似材料總質(zhì)量的80%，石膏和大白粉合計(jì)占該層相似材料總質(zhì)量的20%，其中石膏和大白粉各占30%(即配比表中的第二個(gè)數(shù)“3”)和70%(即配比表中的第三個(gè)數(shù)“7”)。

數(shù)值模擬和相似材料模擬過(guò)G1時(shí)的水平移動(dòng)范圍及量值如圖2c和圖4b所示，2種模擬結(jié)果基本相符，表明數(shù)值模擬與相似材料模擬具有較好的對(duì)應(yīng)性。

3.2 地表裂縫發(fā)育規(guī)律

相似材料實(shí)驗(yàn)表明地表裂縫從發(fā)育到穩(wěn)定是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化過(guò)程[20-21]。

在工作面過(guò)G1開(kāi)采過(guò)程中，地表裂縫發(fā)育初期均為拉張型。待地表裂縫發(fā)育穩(wěn)定后，溝谷下坡段發(fā)育地表裂縫2條，裂縫類型分別為剪切型和拉張型，距切眼分別25 m和30 m，裂縫超前工作面5 m和10 m；溝谷底部發(fā)育1條擠壓型裂縫，距切眼60 m，裂縫超前工作面20 m；溝谷上坡段發(fā)育1條拉張型地表裂縫，距切眼93 m，裂縫超前工作面13 m。其中最大裂縫寬度(23 cm)和裂縫錯(cuò)臺(tái)(11 cm)均位于溝谷下坡段。在此過(guò)程中，裂縫形態(tài)、發(fā)育位置、裂縫寬度和錯(cuò)臺(tái)，如圖4a、圖4c所示。覆巖位移監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖4b所示，最大負(fù)向水平位移位于G1上坡段，其值為–2.3 cm；最大正向水平位移位于G1下坡段，其值為2.5 cm；地表最大下沉位于溝谷谷底其值為93 cm。在此過(guò)程中，僅對(duì)G2下坡段有影響，表現(xiàn)在有明顯的負(fù)向水平移動(dòng)和地表下沉，但沒(méi)有產(chǎn)生地表裂縫。

當(dāng)工作面推進(jìn)至G2溝時(shí)，共發(fā)育地表裂縫7條，其中裂縫形態(tài)、發(fā)育位置、裂縫寬度和錯(cuò)臺(tái)，如圖5a、圖5c所示。溝谷下坡段發(fā)育1條剪切型地表裂縫，距切眼160 m，裂縫發(fā)育初期滯后工作面20 m。溝谷底部發(fā)育3條擠壓型裂縫，距切眼分別為190、200和215 m，裂縫分別滯后工作面10、20和5 m。溝谷上坡段發(fā)育張拉型地表裂縫1條，距切眼285 m，裂縫滯后工作面15 m；剪切型裂縫2條，距切眼分別為335 m和340 m，裂縫滯后工作面分別為15 m和20 m。由于雙溝地形的影響，使得G2溝下坡段出現(xiàn)最大裂縫寬度(79 cm)和錯(cuò)臺(tái)(45 cm)。覆巖位移監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖5b所示。最大負(fù)向水平位移位于G2溝上坡段，其值為–25 cm，最大正向水平位移位于G1下坡段和G2上坡段，其值分別為33 cm和35 cm；最大地表下沉出現(xiàn)于G1、G2溝底，其值為162 cm和170 cm。由上可知，G2對(duì)G1產(chǎn)生較大影響，過(guò)G2下坡段時(shí)，G1上坡段水平移動(dòng)由原來(lái)的–2.3 cm增加至33 cm，影響效果顯著。

圖4 過(guò)G1地表裂縫形態(tài)及參數(shù)

綜上所述，相似材料模擬實(shí)驗(yàn)表明，工作面過(guò)雙溝地形時(shí)，在G1溝谷處共發(fā)育地表裂縫4條，2條拉張型、1條擠壓型和1條剪切型，最大裂縫寬度23 cm，最大錯(cuò)臺(tái)11 cm。地表裂縫發(fā)育超前于工作面推進(jìn)，且超前距離越小，裂縫寬度和錯(cuò)臺(tái)越大。G2處共發(fā)育地表裂縫7條，其中1條張拉型、3條擠壓型和3條剪切型，最大裂縫寬度79 cm，最大錯(cuò)臺(tái)45 cm。G2溝下坡段出現(xiàn)最大裂縫寬度(79 cm)和裂縫錯(cuò)臺(tái)(45 cm)。地表裂縫發(fā)育滯后于工作面推進(jìn)，且滯后距離越大裂縫寬度和錯(cuò)臺(tái)越大。G1上坡段受G2下坡段的影響大，致使該坡段發(fā)育的地裂縫寬度減少。

圖5 過(guò)G2地表裂縫形態(tài)及參數(shù)

4 地表裂縫發(fā)育規(guī)律機(jī)理分析

當(dāng)采深與采厚比小于30時(shí)[22]，采動(dòng)過(guò)程中其地表沉陷和變形在空間和時(shí)間上都有明顯的不連續(xù)特征，并且地表裂縫的發(fā)育規(guī)律與溝谷地形地貌密不可分[13-14,23]。地表裂縫發(fā)育初期，多為拉張型地表裂縫[24]，而后破斷塊體在重力和附加應(yīng)力作用下[25]，使斷塊產(chǎn)生上下錯(cuò)動(dòng)、擠壓，甚至隆起，地表裂縫類型由拉張型轉(zhuǎn)變?yōu)榧羟行突驍D壓型。

根據(jù)多邊塊體結(jié)構(gòu)[26-28]與采動(dòng)滑移理論[25]，淺埋煤層過(guò)雙溝地形開(kāi)采，沖溝坡體破斷塊體結(jié)構(gòu)和受力分析如圖6所示。

圖6 雙溝地形覆巖破壞及受力分析模型

以K1、K2塊體之間相互整體接觸為研究對(duì)象有：

式中：為塊體間擠壓應(yīng)力，方向沿多邊塊體破裂面；為塊體自重應(yīng)力；為多變塊體平均厚度；為容重；為多變塊體平均破斷角。

式中：為塊體間摩擦應(yīng)力，方向沿接觸面法向；為黃土層摩擦因數(shù)，≈0.35。

地表裂縫發(fā)育條件：

將式(1)—式(4)代入式(5)可得：

引入中間參量：

將式(7)代入式(6)，化簡(jiǎn)可得：

由式(1)—(8)及相似材料模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得表4。

由表4與模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比可知，淺埋煤層過(guò)雙溝谷地形開(kāi)采時(shí)，G1和G2溝谷區(qū)域均發(fā)育地表裂縫，且隨著值的減小，地表裂縫條數(shù)和強(qiáng)度均增大。值隨著溝谷坡度α的增大而增大，值與坡度呈正相關(guān)。當(dāng)計(jì)算結(jié)果大于時(shí)地表裂縫超前于工作面，小于時(shí)地表裂縫滯后于工作面。

表4 雙溝地形覆巖破斷參數(shù)

注：∈(0,2/π)，在溝底時(shí)=0，tan則無(wú)意義。

基于上述模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論分析可知，雙溝地形地表裂縫發(fā)育受地質(zhì)條件、溝深、坡度和溝谷跨度等因素影響，根據(jù)采動(dòng)滑移理論，并充分考慮溝谷基本參數(shù)可得淺埋煤層過(guò)雙溝地形開(kāi)采地表裂縫發(fā)育相對(duì)位置函數(shù)及判別條件：

式中：為地表裂縫發(fā)育相對(duì)位置。

由判別條件可知：當(dāng)> 0時(shí)，地表裂縫發(fā)育相對(duì)位置超前于工作面推進(jìn)；當(dāng)< 0時(shí)，地表裂縫發(fā)育相對(duì)位置滯后于工作面推進(jìn)。其中值受溝深、溝谷跨度和坡度多因素綜合影響，tanα為的二次冪，為的一次冪；雙溝谷地形溝谷上(下)坡段坡度∈(0,2/π)，tan為單調(diào)遞增函數(shù)且其值為正，因此，溝谷坡度為影響地表裂縫發(fā)育相對(duì)位置的主控因素。

將雙溝地形基本參數(shù)(表1)代入式(9)計(jì)算可得：工作面推進(jìn)至支溝時(shí)，下坡段，=7.01>0；上坡段，=0.82>0。工作面推進(jìn)至主溝時(shí)：下坡段，= –11.70<0；上坡段，= –19.28<0。根據(jù)式(10)判別條件可知：工作面過(guò)支溝時(shí)，地表裂縫發(fā)育超前于工作面，工作面過(guò)主溝時(shí)，地表裂縫發(fā)育滯后于工作面。

由模擬實(shí)驗(yàn)和理論分析結(jié)果可知：當(dāng)> 0時(shí)，隨著值的增大，裂縫寬度和錯(cuò)臺(tái)隨之增大，而裂縫超前距離隨之減?。恢蹬c裂縫寬度和錯(cuò)臺(tái)呈正相關(guān)，與裂縫超前距離呈負(fù)相關(guān)性。當(dāng)< 0時(shí)，隨著值的增大裂縫寬度和錯(cuò)臺(tái)隨之增大，裂縫滯后距離也隨之增大；值與裂縫超前距離、裂縫寬度和錯(cuò)臺(tái)均正相關(guān)。而隨著||值逐漸增大，單溝裂縫發(fā)育總條數(shù)和破壞強(qiáng)度(縫寬和錯(cuò)臺(tái))隨之增大，二者之間存在正相關(guān)性。地表裂縫發(fā)育特征和相對(duì)位置函數(shù)計(jì)算結(jié)果，詳見(jiàn)表5。

上述為工作面先穿過(guò)G1再穿過(guò)G2呈現(xiàn)出的規(guī)律，如果工作面先穿過(guò)G2然后再穿過(guò)G1呈現(xiàn)的規(guī)律可能有所不同；即兩溝呈現(xiàn)出的地表裂縫發(fā)育規(guī)律及相互之間的影響，與工作面推進(jìn)方向有著密切的關(guān)系。

表5 地表裂縫發(fā)育特征和相對(duì)位置函數(shù)計(jì)算結(jié)果

注：∈(0,2/π)，在溝底時(shí)=0，tan則無(wú)意義。

5 結(jié)論

a. 模擬實(shí)驗(yàn)表明，主溝對(duì)支溝有較大影響。當(dāng)工作面通過(guò)支溝G1時(shí)，共發(fā)育地表裂縫4條，最大裂縫寬度23 cm，最大錯(cuò)臺(tái)11 cm，當(dāng)工作面通過(guò)主溝G2時(shí)，G2處共發(fā)育地表裂縫7條，最大裂縫寬度79 cm，最大錯(cuò)臺(tái)45 cm；G2下坡段出現(xiàn)了地表裂縫寬度和錯(cuò)臺(tái)的最大值且地表裂縫發(fā)育區(qū)范圍較大；雙溝相鄰的坡段相互影響更為劇烈。

b. 工作面過(guò)雙溝地形開(kāi)采時(shí)，在G1處地表裂縫發(fā)育超前工作面推進(jìn)，并隨著超前距離的增大，裂縫寬度和錯(cuò)臺(tái)呈減小趨勢(shì)；G2處地表裂縫發(fā)育滯后工作面推進(jìn)，并隨著滯后距離的增大，裂縫寬度和錯(cuò)臺(tái)呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。

c.建立了淺埋煤層過(guò)雙溝地形開(kāi)采地表裂縫發(fā)育相對(duì)位置函數(shù)及判別條件，并討論雙溝地形溝谷參數(shù)對(duì)地表裂縫發(fā)育相對(duì)位置的影響。當(dāng)> 0時(shí)，值與裂縫寬度和錯(cuò)臺(tái)呈負(fù)相關(guān)，與裂縫超前距離呈正相關(guān)。當(dāng)< 0時(shí)，值與裂縫超前距離、裂縫寬度和錯(cuò)臺(tái)均呈負(fù)相關(guān)。||值與單溝裂縫發(fā)育總條數(shù)和地表破壞強(qiáng)度(裂縫寬度和錯(cuò)臺(tái))正相關(guān)。

[1] CHEN Yiping，F(xiàn)U Bojie，ZHAO Yan，et al. Sustainable development in the Yellow River Basin：Issues and strategies[J]. Journal of Cleaner Production，2020，263：121223.

[2] HOU B，JIANG C，SUN O J. Differential changes in precipitation and runoff discharge during 1958–2017 in the headwater region of Yellow River of China[J]. Journal of Geographical Sciences，2020，30(9)：1401–1418.

[3] LIN Mi，BISWAS A，BENNETT E.M. Socio–ecological determinants on spatio–temporal changes of groundwater in the Yellow River Basin，China[J]. Science of the Total Environment，2020，731：138725.

[4] LIU Ke，QIAO Yurong，SHI Tao，et al. Study on coupling coordination and spatiotemporal heterogeneity between economic development and ecological environment of cities along the Yellow River Basin[J]. Environmental Science and Pollution Research，2021，28：6898–6912.

[5] 王堯，陳睿山，郭遲輝，等. 近40年黃河流域資源環(huán)境格局變化分析與地質(zhì)工作建議[J]. 中國(guó)地質(zhì)，2021，48(1)：1–20.

WANG Yao，CHEN Ruishan，GUO Chihui，et al. Study on the pattern change and regional differentiation of resources and environment in the Yellow River Basin and suggestions on eco–geological suvey[J]. Geology in China，2021，48(1)：1–20.

[6] ZHOU Dawei，WU Kan，CHENG Gonglin，et al. Mechanism of mining subsidence in coal mining area with thick alluvium soil in China[J]. Arabian Journal of Geosciences，2015，8：1855–1867.

[7] 孫學(xué)陽(yáng)，付恒心，寇規(guī)規(guī)，等. 綜采工作面頂板次生離層水害形成機(jī)理分析[J]. 采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2017，34(4)：678–683.

SUN Xueyang，F(xiàn)U Hengxin，KOU Guigui，et al. Mechanism of water hazard caused by the secondary separation in the overburden stratum of the fully mechanized coal face[J]. Journal of Mining & Safety Engineering，2017，34(4)：678–683.

[8] 王雙明，杜華棟，王生全. 神木北部采煤塌陷區(qū)土壤與植被損害過(guò)程及機(jī)理分析[J]. 煤炭學(xué)報(bào)，2017，42(1)：17–26.

WANG Shuangming，DU Huadong，WANG Shengquan. Analysis of damage process and mechanism for plant community and soil properties at northern Shenmu subsidence mining area[J]. Journal of China Coal Society，2017，42(1)：17–26.

[9] 胡振琪，王新靜，賀安民. 風(fēng)積沙區(qū)采煤沉陷地裂縫分布特征與發(fā)生發(fā)育規(guī)律[J]. 煤炭學(xué)報(bào)，2014，39(1)：11–18.

HU Zhenqi，WANG Xinjing，HE Anmin. Distribution characteristic and development rules of ground fissures due to coal mining in windy and sandy region[J]. Journal of China Coal Society，2014，39(1)：11–18.

[10] 賀衛(wèi)中，向茂西，劉海南，等. 榆神府礦區(qū)地面塌陷特征及環(huán)境問(wèn)題[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2016，44(5)：131–135.

HE Weizhong，XIANG Maoxi，LIU Hainan，et al. Ground subsidence and its environment problems in Yushenfu mining area[J]. Coal Geology & Exploration，2016，44(5)：131–135.

[11] ARABAMERI A，PRADHAN B，REZAEI K，et al. Gully erosion susceptibility mapping using GIS based multi–criteria decision analysis techniques[J]. Catena，2019，180：282–297.

[12] 王方田，屠世浩，張艷偉，等. 沖溝地貌下淺埋煤層開(kāi)采礦壓規(guī)律及頂板控制技術(shù)[J]. 采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2015，32(6)：877–882.

WANG Fangtian，TU Shihao，ZHANG Yanwei，et al. Ground pressure rules and roof control technology for the longwall mining of shallow seam beneath the gully topography[J]. Journal of Mining & Safety Engineering，2015，32(6)：877–882.

[13] 張志強(qiáng)，許家林，劉洪林，等. 溝深對(duì)淺埋煤層工作面礦壓的影響規(guī)律研究[J]. 采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2013，30(4)：501–505.

ZHANG Zhiqiang，XU Jialin，LIU Honglin，et al. Influencing laws study of depth of gully on dynamic strata pressure of working face in shallow coal seams[J]. Journal of Mining & Safety Engineering，2013，30(4)：501–505.

[14] 張志強(qiáng)，許家林，王露，等. 溝谷坡角對(duì)淺埋煤層工作面礦壓影響的研究[J]. 采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2011，28(4)：560–565.

ZHANG Zhiqiang，XU Jialin，WANG Lu，et al. Study on influencing laws of gully slope angle on ground pressure of working face in shallow coal seam[J]. Journal of Mining & Safety Engineering，2011，28(4)：560–565.

[15] 張杰，龍晶晶，楊濤，等. 淺埋煤層溝谷下開(kāi)采動(dòng)載機(jī)理研究[J]. 采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2019，36(6)：1222–1227.

ZHANG Jie，LONG Jingjing，YANG Tao，et al. Study on dynamic loading mechanism of mining in gully area of shallow coal seam[J]. Journal of Mining & Safety Engineering，2019，36(6)：1222–1227.

[16] 侯恩科，謝曉深，徐友寧，等. 羊場(chǎng)灣煤礦采動(dòng)地裂縫發(fā)育特征及規(guī)律研究[J]. 采礦與巖層控制工程學(xué)報(bào)，2020，2(3)：037038.

HOU Enke，XIE Xiaoshen，XU Youning，et al. Prediction of ground cracks induced by coal mining in Yangchangwan coal mine[J]. Journal of Mining and Strata Control Engineering，2020，2(3)：037038.

[17] 侯恩科，馮棟，謝曉深，等. 淺埋煤層溝道采動(dòng)裂縫發(fā)育特征及治理方法[J]. 煤炭學(xué)報(bào)，2021，46(4)：1297–1308.

HOU Enke，F(xiàn)ENG Dong，XIE Xiaoshen，et al. Development characteristics and treatment methods of mining surface cracks in shallow–buried coal seam gully[J]. Journal of China Coal Society，2021，46(4)：1297–1308.

[18] 侯恩科，首召貴，徐友寧，等. 無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)在采煤地面塌陷監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2017，45(6)：102–110.

HOU Enke，SHOU Zhaogui，XU Youning，et al. Application of UAV remote sensing technology in monitoring of coal mining–induced subsidence[J]. Coal Geology & Exploration，2017，45(6)：102–110.

[19] LI J，XIONG L，TANG G A. Combined gully profiles for expressing surface morphology and evolution of gully landforms[J]. Frontiers of Earth Science，2019，13(3)：551–562.

[20] LI Liang，WU Kan，HU Zhenqi，et al. Analysis of developmental features and causes of the ground cracks induced by oversized working face mining in an aeolian sand area[J]. Environmental Earth Sciences，2017，76(3)：135–146.

[21] 康建榮. 山區(qū)采動(dòng)裂縫對(duì)地表移動(dòng)變形的影響分析[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2008，27(1)：59–64.

KANG Jianrong. Analysis of effect of fissures caused by underground mining on ground movement and deformation[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2008，27(1)：59–64.

[22] 王正帥，鄧喀中. 采動(dòng)區(qū)地表動(dòng)態(tài)沉降預(yù)測(cè)的Richards模型[J]. 巖土力學(xué)，2011，32(6)：1664–1668.

WANG Zhengshuai，DENG Kazhong. Richards model of surface dynamic subsidence prediction in mining area[J]. Rock and Soil Mechanics，2011，32(6)：1664–1668.

[23] 許家林，朱衛(wèi)兵，王曉振，等. 溝谷地形對(duì)淺埋煤層開(kāi)采礦壓顯現(xiàn)的影響機(jī)理[J]. 煤炭學(xué)報(bào)，2012，37(2)：179–185.

XU Jialin，ZHU Weibing，WANG Xiaozhen，et al. Influencing mechanism of gully terrain on ground pressure behaviors in shallow seam longwall mining[J]. Journal of China Coal Society，2012，37(2)：179–185.

[24] 余學(xué)義，李邦幫，李瑞斌，等. 西部巨厚濕陷性黃土層開(kāi)采損害程度分析[J]. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，37(1)：43–47.

YU Xueyi，LI Bangbang，LI Ruibin，et al. Analysis of mining damage in huge thick collapsible loess of western China[J]. Journal of China University of Mining & Technology，2008，37(1)：43–47.

[25] LIU Hui，DENG Kazhong，LEI Shaogang，et al. Mechanism of formation of sliding ground fissure in loess hilly areas caused by underground mining[J]. International Journal of Mining Science and Technology，2015，25(4)：553–558.

[26] WANG Zhenwei，SONG Gaofeng，DING Kuo. Study on the ground movement in an open–pit mine in the case of combined surface and underground mining[J]. Advances in Materials Science and Engineering，2020(2)：1–13.

[27] FAN Gangwei，ZHANG Dongsheng，WANG Xufeng. Mechanism of roof shock in Longwall coal mining under surface Gully[J]. Shock and Vibration，2015：803071.

[28] LI Jianwei，LIU Changyou. Formation mechanism and reduction technology of mining–induced fissures in shallow thick coal seam mining[J]. Shock and Vibration，2017(6)：1–14.

The development law of surface cracks in shallow coal seam mining through double gullies terrain

SUN Xueyang1,2,3, ZHANG Huixuan1，LU Mingjiao1, LI Cheng1,2, MIAO Lintian1,3

(1. School of Geology and Environment, Xi’an University of Science and Technology, Xi’an 710054, China; 2. Key Laboratory of Mine Geological Hazards Mechanism and Control, Xi’an 710054, China; 3. Key Laboratory of Coal Resources Exploration and Comprehensive Utilization, Xi’an 710054, China)

In order to protect the ecological environment of the mining area in the Yellow River Basin, the mining-induced surface crack development law was summarized from the parameters of surface crack development location and development morphology during mining of the working face passing through the double gullies terrain by using a combination of numerical simulation experiments, similar material simulation experiments and theoretical analysis in the context of the working face 125203 of Anshan Coal Mine in Miaohagu Mining Area of Fugu County. Through theoretical analysis, the relative position functionof surface cracks in shallow coal seam mining through double gullies terrain and its discriminant conditions was established and the relationship between the relative location of the surface crack growth and double gullies terrain parameters was discussed. The study shows that when the working face passes through the G1 gully, there are 4 surface cracks, with the maximum crack width of 23 cm and the maximum faulting of slab ends of 11 cm. It means that the development of cracks is ahead of the working face; when passing through the G2 gully, there are 7 surface cracks, with the maximum crack width of 79 cm and the maximum faulting of slab ends of 45 cm. The development of cracks lags behind the advancement of the working face. The results indicate that the crack development shape is greatly affected by geological conditions, gully depth, slope and valley span and other factors. The relative position functionof surface cracks is closely correlated with the crack distance ahead or behind, crack width, fault table and the total number of cracks in a single gully. The degree of mutual influence of double trenches is related to the direction of working face advance. The results of the study can provide some theoretical basis for mining under valleys in shallow coal seams.

Yellow River Basin; double gullies terrain; similar material simulation; the surface crack; relative position function

語(yǔ)音講解

TD323

A

1001-1986(2021)06-0212-09

2021-04-20；

2021-09-02

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41272388、40572155)；自然資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題(KF2020-4)

孫學(xué)陽(yáng)，1976年生，男，安徽渦陽(yáng)人，博士，副教授，從事煤礦區(qū)環(huán)境保護(hù)的教學(xué)與研究工作. E-mail：sxy163@163.com

孫學(xué)陽(yáng)，張慧萱，盧明皎，等. 淺埋煤層過(guò)雙溝地形開(kāi)采地表裂縫發(fā)育規(guī)律[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2021，49(6)：212–220. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.06.025

SUN Xueyang, ZHANG Huixuan，LU Mingjiao，et al. The development law of surface cracks in shallow coal seam mining through double gullies terrain[J]. Coal Geology & Exploration，2021，49(6)：212–220. doi: 10.3969/j.issn.1001- 1986.2021.06.025

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(責(zé)任編輯 周建軍 郭東瓊)