淺埋薄表土層特厚煤層強制放頂條件下主要地裂縫演化規(guī)律實測

王朋飛，牛一帆，陳可夯，張建利，高夢男，余 洋

(1.太原理工大學 礦業(yè)工程學院,山西 太原 030024；2.河南能源鶴煤公司 生產(chǎn)技術部,河南 鶴壁 458030；3.內(nèi)蒙古蒙泰不連溝煤業(yè)有限責任公司,內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300；4.中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院,北京 100081；5.自然資源部礦山生態(tài)效應與系統(tǒng)修復重點實驗室,北京 100081)

黃河流域是我國重要的生態(tài)屏障[1-2]。黃河流域也是我國煤炭主要生產(chǎn)區(qū)，如寧東、神東、晉北、陜北等基地。山西地處黃河流域，是我國的煤炭大省，資源賦存豐富，且多為優(yōu)質(zhì)煤炭資源。但山西大部處于黃土高原，降水少，氣候干旱，生態(tài)環(huán)境極為脆弱，生態(tài)保護與煤炭開采矛盾突出。

地下煤炭開采造成一系列生態(tài)破壞，礦區(qū)乃至周邊水資源流失、地下水位大范圍和大幅度疏降，地表構筑物損毀，植被衰退，荒漠化進程加快。目前，黃河流域地表水開發(fā)利用率超80%，山西、陜西境內(nèi)的多條支流出現(xiàn)嚴重斷流[3]。采空區(qū)也埋下巨大的安全隱患，例如，2014-10-24，烏魯木齊市一煤礦發(fā)生采空區(qū)垮落，16 人遇難、11 人受傷。2016-04-19 凌晨北京房山區(qū)發(fā)生采空區(qū)塌陷引起的2.7 級地震。2020-05-08 榆林市府谷縣老虎溝煤礦(停產(chǎn)煤礦)發(fā)生2.6級塌陷地震，周邊采空區(qū)地表出現(xiàn)不同程度裂縫，周邊土山山崖出現(xiàn)輕微坍塌。2020-12-23，山東濟寧市曲阜市星村煤礦采空區(qū)塌陷造成2.4 級地震。

地裂縫是地下開采造成的主要地表破壞形式之一。胡振琪等[4]發(fā)現(xiàn)工作面正上方地裂縫不斷發(fā)育和自修復，開采邊界裂縫無法自修復；神東礦區(qū)地表動態(tài)裂縫一般自動閉合周期為18 d 左右，擴大均勻沉陷區(qū)可減輕開采影響[5]。王新靜等[6]發(fā)現(xiàn)超大工作面開采動態(tài)地裂縫能快速閉合，均勻沉陷區(qū)更有利于自修復。徐祝賀等[7]發(fā)現(xiàn)神東淺埋高強度開采工作面中部地表裂縫發(fā)育經(jīng)歷寬度增大—減小—穩(wěn)定—再增大—再減小階段。胡青峰等[8]發(fā)現(xiàn)大同塔山侏羅系煤層遺留煤柱采空區(qū)在受到下組煤開采擾動時，覆巖沉陷形成“四帶”。卞正富等[9]將風積沙區(qū)超大工作面開采生態(tài)環(huán)境破壞過程劃分為巖層破斷、地表沉降、地表動植物生境變化與土地利用變化以及礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)隨時間推移演替等4 個過程。戴華陽[10]得出上灣礦12401 工作面主裂縫發(fā)育周期約14 d。侯恩科等[11]揭示了采動地表裂縫的平面展布規(guī)律、動態(tài)發(fā)育規(guī)律及其與工作面生產(chǎn)進度之間的關系。趙毅鑫等[12]提出了基于無人機紅外遙感及圖像邊緣檢測技術的地裂縫識別方法。錢鳴高等[13]認為開采引起的地表沉陷是覆巖主關鍵層破斷塊體互相咬合的結構曲線和表土層散體(或黃土)運動相互作用的結果。

地層沉積過程中，受沉積物質(zhì)、沉積條件和時間等因素影響，煤層之上常出現(xiàn)堅硬頂板的情況，我國許多礦區(qū)，例如大同、西山、晉城、焦坪、徐州西部、朔州等礦區(qū)均存在這種情況。堅硬頂板懸頂時間長，不易垮落，容易造成大面積來壓、暴風等隱患[14-15]。例如，2016-03-23 同煤安平礦5 號煤層8117 綜采工作面，采空區(qū)大面積未垮頂板突然冒落，形成暴風，造成19 人死亡[16]。2020-12-16 榆林市榆陽區(qū)金雞灘鎮(zhèn)煤礦工作面大面積頂板來壓垮落造成2.6 級地震，路面出現(xiàn)落差約0.25 m、寬度約0.12 m 的裂縫[17]。

堅硬頂板條件下開采巖移方面，胡守平等[18]研究發(fā)現(xiàn)大同“兩硬”淺埋深煤層開采地表塌陷具有整體一次性切冒特征,且具有明顯的滯后性和突發(fā)性,塌陷過程時間短、破壞性大、難以預測預防。侯志鷹等[19]研究亦認為殘留煤柱情況下的堅硬頂板滯后型一次性切冒塌陷的滯后期很難有規(guī)律可循。余學義等[20]研究認為基巖中存在大厚度堅硬巖層,在一定范圍內(nèi)開采時，地表基本不動。趙通等[21]研究發(fā)現(xiàn)厚硬巖層厚度影響破斷塊體尺寸和力學結構形成，提出厚硬巖層下煤層開采巖層分區(qū)控制的原則和方法。

山西五家溝煤礦直接頂和基本頂均為堅硬砂巖，出現(xiàn)推進50 m 以上仍不垮落的情況，特別是回采初期。頂板突然大面積垮落時，不僅對支架造成強烈沖擊性載荷，同時采空區(qū)內(nèi)有害氣體瞬間擠出，可導致工作面瓦斯超限，甚至形成破壞性颶風，嚴重威脅礦井安全。為此，五家溝礦成功應用爆破強制放頂技術并取得良好卸壓效果。但其地裂縫方面目前尚未研究，堅硬頂板人工強制放頂條件下的地裂縫發(fā)育規(guī)律更鮮見報道。如文獻[2]所述，目前煤巖層結構及采動裂隙演化規(guī)律方面還是初步的，有關作用機理仍不清楚，分析預測方法還不完善，特別是與現(xiàn)代開采方法的關系分析不夠，煤巖層結構及煤炭規(guī)模開采覆巖采動裂隙演化規(guī)律需要更深入的研究。為此，筆者結合五家溝礦對淺埋特厚煤層薄表土層堅硬頂板強制放頂條件下地裂縫演化規(guī)律進行實測研究，以期為相似條件下的地表裂縫和環(huán)境修復提供借鑒和指導。

1 工程背景

中煤華昱五家溝煤業(yè)位于黃河流域晉北煤炭基地的朔州市，黃河“幾”字彎東北角，如圖1 所示。土地類型為黃土地，屬于黃土高原，生態(tài)環(huán)境脆弱。由于氣候干旱，降雨量少，本區(qū)生態(tài)閾值較低，抗擾動能力差。煤炭開采將加劇水土流失、耕地損失、植被退化。蒼頭河是境內(nèi)最大的一條河流，屬內(nèi)蒙洪河上游，洪河為黃河的一個支流。另有桑乾河及其支流。

圖1 礦井位置Fig.1 Location of the mine

15102 工作面位于井田東部，地面標高+1 537.5～+1 612.3 m，地表大部為黃土覆蓋，地勢有溝谷和陡崁，多為雨季過水洪溝，沖刷劇烈。工作面地表無建筑物及水體，但開采沉陷可能對地表土壤保水能力產(chǎn)生影響。第四系表土層主要以砂、砂礫石及次生黃土為主，為堆積沖積層厚度0～9.5 m，平均厚3 m，下覆黃土及亞砂土，厚度0～62 m，平均15 m。表土層下部則以砂巖為主，地層埋深淺，巖石易風化，節(jié)理裂隙較發(fā)育，大部分為透水巖層，富水性弱。正在開采的5-1 號煤層厚度8.2～12.3 m，平均10.0 m，有一層夾矸，夾矸平均厚度0.20 m，巖性以深灰色泥巖、炭質(zhì)泥巖為主，硬度較小。煤層埋深在147～207 m，北淺南深，在該回采工作面內(nèi)厚度變化不大，為全區(qū)可采的穩(wěn)定煤層。煤層煤種為長焰煤，該煤層屬石碳系上統(tǒng)太原組中下部?；卷斢纱至Ｉ皫r和細粒砂巖組成，粗粒砂巖厚度平均2.3 m，灰白色，以石英為主，長石次之，巨厚層狀，分選性中等，次圓狀，泥質(zhì)膠結，強度最高達到49.4 MPa，為中硬巖層；細粒砂巖厚度平均5.76 m，強度較高，最高可達71.6 MPa，為堅硬巖層。直接頂為細粒砂巖，平均厚度8.1 m，淺灰色，塊狀，主要成分為石英，抗壓強度平均26.7 MPa，抗拉強度平均1.0 MPa，抗剪強度平均2.5 MPa，為半堅硬巖層。直接底為砂質(zhì)泥巖，厚度平均1.5 m，灰色，泥質(zhì)結構，薄板狀構造。巖層柱狀、性質(zhì)及頂板類型如圖2 所示。

圖2 鉆孔柱狀Fig.2 Generalized stratigraphic column

工作面走向長816 m，工作面傾向?qū)?12 m，傾角在1°～3°，平均2°。工作面面積 172 992 m2，為低瓦斯(甚至無瓦斯)工作面。工作面布置如圖3 所示。工作面采用綜合機械化放頂煤開采，采高3.0 m，最大放頂煤高度8.2 m，最大采放比1∶2.73，每日采9 個循環(huán)，循環(huán)進度為0.8 m，日進度7.2 m。采用ZFY12000/23/34 型綜采放頂煤液壓支架，過渡支架選用ZFYG12000/23/34，端頭支護選用ZT25600/23/40型端頭液壓支架支護，全部垮落法管理頂板，端頭液壓支架6 架。巷道超前支護距離不小于20 m，運輸巷道采用ZYDC38400/23/40 超前支架組支護，回風巷道采用ZYDC33570/24.5/38 超前支架組支護。

圖3 工作面布置(煤厚等值線)Fig.3 Layout of the panel (contour line of coal seam thickness)

受2 層強度較高的粗粒砂巖和細粒砂巖影響，工作面常出現(xiàn)懸頂情況，曾出現(xiàn)工作面推進50 m 以上頂板仍不垮落的情況，回采初期則更加嚴重，導致強礦壓顯現(xiàn)頻繁，暴風(或颶風)潛在威脅大。五家溝煤礦采用爆破強制放頂技術治理頂板，放頂深度為30 m，循環(huán)爆破步距為20 m，通過強制放頂，取得良好頂板垮落效果，礦壓顯現(xiàn)得到緩和。

2 地裂縫觀測方法

鑒于春、夏、秋3 個季節(jié)受植被影響、冬季受降雪等因素影響，無人機紅外遙感識別裂縫難度較大、精度不高，監(jiān)測方法主要以現(xiàn)場人員實地觀測為主。觀測時測定裂縫分布位置和裂縫走向、長度、寬度及其變化情況。觀測采用的主要設備包括鋼尺(主要用來測裂縫寬度和臺階高差)、手持式GPS(定位裂縫位置)、鐵釬(測量裂縫深度)，如圖4 所示。

圖4 測量儀器Fig.4 Monitoring devices

觀測自工作面從開切眼推進開始，即2020-10-25 開始，2021-01-25 結束，歷時92 d，每天派專人測量和記錄數(shù)據(jù)。使用巖層移動角及充分采動角對開采沉陷影響范圍進行計算，如圖5 所示。按照以往及該礦臨近工作面地裂縫出現(xiàn)的經(jīng)驗確定觀測邊界時參數(shù)：基巖移動角(走向、傾向上山、傾向下山)，δ=75°、γ=75°、β=75°；表土層移動角φ=45°，表土層厚h=18 m，埋深147～207 m，平均埋深177 m。

圖5 觀測范圍計算Fig.5 Monitoring range calculation

計算的本工作面具體條件下的地表下沉盆地范圍為：上山邊界距工作面邊界距離為52.57 m，下山邊界為68.64 m，走向邊界距開采邊界53.9 m。結合過去相鄰工作面地裂縫的發(fā)育規(guī)律，最后綜合確定觀測范圍為采空區(qū)外50 m，后文數(shù)值模擬亦證明張拉裂縫均位于開采邊界內(nèi)側(cè)。因此觀測范圍為開采邊界以外50 m 已保留了足夠的富余量。具體觀測范圍如下：沿走向開切眼外觀測區(qū)向外擴展50 m，沿傾向往主運巷道和輔運巷道外擴展50 m，如圖6 所示。實際情況下亦是如此，50 m 以外未發(fā)現(xiàn)可見裂縫。另外，由于本地地形及氣候影響，地面存在一些1～5 cm 寬的自然裂縫。由于采動裂縫寬度和深度成正比[22]，小于5 cm 寬的裂縫深度也較小，對地表破壞較小。若這些裂縫不繼續(xù)發(fā)育，也說明下方巖層移動并不直接影響該裂縫，故此次觀測重點研究和記錄的裂縫為發(fā)育期內(nèi)最大發(fā)育寬度超過5 cm 的裂縫。

圖6 觀測范圍與方案Fig.6 Monitoring range and scheme

隨著開采作業(yè)的進行，工作面上覆巖層及周圍原有應力受到破壞，迫使其內(nèi)部應力重新分布，而隨著工作面的不斷推進及爆破強制放頂?shù)膶嵤?，使巖層內(nèi)的應力情況始終處于不斷變化狀態(tài)，導致地裂縫在走向、長度和寬度上的動態(tài)發(fā)育，也會導致新的裂縫產(chǎn)生和部分舊的裂縫閉合。因此，在地裂縫觀測時，首先應對所觀測地裂縫進行編號，對新產(chǎn)生的最大寬度大于5 cm 的裂縫要及時編號，對于閉合裂縫要準確記錄閉合日期，以便對裂縫數(shù)據(jù)進行分類分析。

觀測時，每條裂縫至少放置2 組金屬觀測標志桿，分別位于裂縫最寬處和裂縫末端。每組使用2 個對應標志，分別設在裂縫兩側(cè)。對于長度較大、曲折明顯的裂縫則增加觀測標志，以準確記錄地裂縫走向及其變化，修正后的每組標志物間距離反映裂縫寬度及其變化；相鄰2 組標志物間距離反映裂縫長度及其變化。

每觀測日，對于已有編號裂縫，若發(fā)現(xiàn)長度變化，及時在裂縫末端增加或減少觀測標志，并使用手持式GPS 記錄各組觀測標志位置。之后使用鋼尺記錄各組標志間寬度，及相鄰2 組標志物間距離。若最大發(fā)育寬度小于5 cm，則代表此裂縫發(fā)生閉合，及時記錄當日日期，編號不做刪除。對于新發(fā)現(xiàn)的最大發(fā)育寬度大于5 cm 的裂縫，先進行編號，之后設置觀測標志物，記錄裂縫走向、寬度及長度。在觀測時需要注意安全，尤其需要預防較大裂縫的動態(tài)發(fā)育。

3 觀測結果與地裂縫演化規(guī)律分析

礦井地表采動裂隙時空分布如圖7 所示。15102工作面自開切眼至終采線共816 m 范圍內(nèi)地表主要裂縫分布及發(fā)育如圖7 所示。觀測范圍內(nèi)15102 工作面采動地裂縫呈現(xiàn)圓弧狀分布，形成不斷發(fā)育的“O”形圈。“O”形圈平行工作面巷道兩邊隨著工作面的推進不斷擴展，最終形成“面包狀O 形圈”。地表裂縫主要為地表張拉變形超過其極限而形成的張拉型裂縫，同時伴有垂直錯動。因工作面推進過程中，采空區(qū)中部的裂縫隨著工作面推移呈周期性產(chǎn)生后又逐漸閉合，開采結束后地表裂縫主要分布在15102 工作面采空區(qū)邊緣，即開切眼、終采線以及兩巷道正上方的地表，幾乎沒有裂縫產(chǎn)生于采空區(qū)外。采空區(qū)邊緣的拉長型地裂縫隨工作面推進不斷發(fā)育，發(fā)育完成后平均寬度313 mm，最大寬度345 mm；邊緣地裂縫平均高差1 633 mm，最大高差達1 800 mm。

圖7 寬度大于5 cm 裂縫時空分布Fig.7 Space-time distribution of cracks with width greater than 5 cm

由于地表裂縫周期性發(fā)育及閉合，對比現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，工作面上方及兩側(cè)裂縫發(fā)育情況也符合該規(guī)律，因此僅對地表首次出現(xiàn)的各主裂縫進行數(shù)據(jù)分析，即12 月1 日工作面推進216 m 時。將開切眼正上方主裂縫記為主裂縫Z1，工作面上方主裂縫記為Z4，主運巷道及輔運巷道正上方主裂縫分別記為Z2、Z3，如圖7(c)所示。結果顯示4 條主裂縫幾乎在同一時間出現(xiàn)，在同一時間發(fā)育完成達到最大變形量，發(fā)育趨勢大致相同，發(fā)育速度也近乎相等；各裂縫寬度和高度的發(fā)育規(guī)律也保持一致。分析結果如圖8 所示。

2020-11-03 工作面推進57.6 m，地面幾乎沒有產(chǎn)生裂縫，僅有少量肉眼難以識別的裂縫(圖9)。這時地下已進行過2 次爆破強制放頂：第1 次是工作面推進2.4 m 時在開切眼后方，工作面初次垮落時懸頂距離為26 m；第2 次爆破強制放頂是工作面推進至45 m 時在兩側(cè)巷道?？梢?，開采初期，盡管已進行過強制放頂，但地表幾乎未發(fā)生變化。

圖9 微小裂隙Fig.9 Small cracks

2020-11-20 工作面在推進至144 m 時，地表開始在開采邊界附近出現(xiàn)少量寬度大于5 cm 的裂縫，但最大寬度不超過7 cm，采場中部裂隙數(shù)量也有小幅增長，且主要發(fā)育方向沿工作面傾向，如圖7(b)所示。

2020-12-01 工作面在推進216 m 時，在開切眼上方出現(xiàn)1 條臺階主裂縫，臺階高度達到1.8 m，其發(fā)育過程如圖10 所示。此裂縫自2020-11-22 日，工作面推進158.8 m 時，開始發(fā)育，起初被發(fā)現(xiàn)時僅有4～6 cm 寬，且沒有發(fā)生任何臺階錯動，張拉傾向也不明顯，但長度較長，雖有間斷，但可以看到其整體走勢呈一弧形，且由開切眼向兩側(cè)巷道延伸的過程中逐漸向中央彎曲。之后隨著工作的不斷推進，裂縫開始不斷發(fā)育，但直到2020-11-24，工作面推進175.8 m 時，裂縫才擴展至16 cm，臺階錯動高度為14 cm，此日較11 月21 日工作面只向前推進了21.6 m，且在11 月22 日進行過強制爆破放頂?？梢姀?1 月23 日起，強制放頂?shù)挠绊戦_始逐漸體現(xiàn)至地面。此后本礦在2020-11-27 又進行了一次爆破強制放頂，次日(即11 月28 日)，發(fā)現(xiàn)該裂縫臺階錯動達到26 cm，但裂縫寬度卻從張拉16 cm 收縮為0，且裂縫出現(xiàn)上部與下部脫離的情況，上臺階下方出現(xiàn)空洞，下方土層與上方的土層出現(xiàn)剪切錯動。

圖10 開切眼上方主裂縫發(fā)育過程Fig.10 Evolution of the cracks above setup room

2020-12-01 工作面推進至216 m 時，該裂縫急劇發(fā)育，地表出現(xiàn)1.8 m 臺階，較前一日(11 月30 日)臺階高度發(fā)育了近1.6 m，井下前一日(11 月30 日)還出現(xiàn)過一次較強的礦壓顯現(xiàn)并在當天進行過強制放頂，但臺階形成后，井下的礦山壓力立即大幅降低。

4 地裂縫演化機理探討

4.1 主裂縫產(chǎn)生原因分析

Z1 主裂縫是在2020-12-01 充分形成臺階的，而此日工作面推進長度216 m，上一日強制放頂前工作面推進至209 m 處，而開切眼長度為212 m，可見，12月1 日前后工作面“見方”時裂縫急劇發(fā)育，這與頂板“見方”易垮的巖層控制理論[13]一致。由此可見強制放頂條件下地裂縫產(chǎn)生主要受下方關鍵層控制。在工作面推進至216 m 時，Z1 裂縫出現(xiàn)1.8 m 臺階，臺階高度較前一日發(fā)育了近1.6 m，且井下在前一日進行過強制放頂，說明本次強制放頂直接導致頂板主關鍵層的破斷垮落。因此該礦地裂縫是由于強制放頂導致煤層頂板斷裂并發(fā)生回轉(zhuǎn)垮落，當工作面推進長度與開切眼長度接近時，強制放頂導致主關鍵層斷裂，頂板大面積垮落，并影響至地表。表土層隨下方巖層垮落向下運動導致表土層拉伸超過極限產(chǎn)生裂縫。

該裂縫在工作面推進175.8 m 時，寬度擴展至16 cm，臺階錯動高度14 cm。但6 d 后工作面推進197.4 m 時，該裂縫臺階錯動達26 cm，但裂縫寬度收縮為0，上臺階下方出現(xiàn)空洞，下方土層與上方土層出現(xiàn)剪切錯動。測量發(fā)現(xiàn)此裂縫深度為1.5～2.0 m，可以斷定在裂縫深處位置的表土層發(fā)生了錯動。由此可見在工作面“見方”前，強制放頂可導致上覆巖層向下垮落產(chǎn)生巖層臺階錯動，同時在不同土層之間也出現(xiàn)層間錯動，2 層不同土層之間發(fā)生了沿巖層面的橫向錯動和沿豎直方向的臺階錯動。

在工作面“見方”時，除了開切眼上方出現(xiàn)的高差達1.8 m 的主裂縫外，兩巷道上方的裂隙，臺階高差分別達到1.5 m 和1.7 m，工作面上方的主裂縫高差也接近1.8 m，裂縫形態(tài)與開切眼處類似，產(chǎn)生機理與Z1 相同。

4.2 地裂縫發(fā)育規(guī)律分析

在工作面“見方”時，控制地表移動的主關鍵層第1 次發(fā)生大的垮落，并在一天內(nèi)達到穩(wěn)定。因此開切眼及兩巷道上方裂縫在工作面“見方”時產(chǎn)生。由于巖層跨落后達到新的穩(wěn)定狀態(tài)，發(fā)育完成后的開切眼及兩巷道上方3 條裂縫的寬度和高度均因下方巖層的穩(wěn)定而不再改變。工作面正上方上覆巖層此時處于前方完整后方斷裂的狀態(tài)，即在工作面附近上覆巖層由于破斷產(chǎn)生位移突變，工作面前方上覆巖層因有煤體支撐不發(fā)生向下的位移，而工作面后方的上覆巖層隨著煤層頂板垮落產(chǎn)生較大的向下位移，因此工作面上方的裂縫在此時發(fā)育到最大。之后隨著工作面向前推進，煤層頂板不斷垮落，上覆巖層逐漸產(chǎn)生向下的位移致使工作面上方裂縫由于下方巖層錯動距離不斷減少而漸漸閉合。但由于循環(huán)爆破強制放頂?shù)挠绊懀ぷ髅嫔细矌r層每20 m 斷裂一次，受巖層周期破斷垮落影響Z4 裂縫在閉合時，閉合發(fā)育間隔約為20 m，即工作面每向前推進約20 m，裂縫閉合速度發(fā)生一次改變，直至達到穩(wěn)定。裂縫閉合時每60 m為一個階段，在第1 個60 m 內(nèi)裂縫快速閉合，第2 個60 m 結束后達到基本閉合。具體如圖11 所示。

圖11 Z4 裂縫尺寸與工作面推進距離關系Fig.11 Relationship between Z4 crack size and coal working face advance distance

在工作面“見方”后(圖7(d)～(f))，隨著工作面的推進和循環(huán)爆破強制放頂步距20 m 的影響，兩側(cè)巷道上方的地表裂縫發(fā)育均是跳躍式的，跳躍步距約為60 m，即3 倍的強制放頂步距。因為強制放頂后，工作面的壓力可以向巖體深部轉(zhuǎn)移，同時垮落向更高處的覆巖發(fā)育，60 m 即可認為是上部主關鍵層的垮落步距，即控制地表沉陷的主關鍵層約每60 m 斷裂一次，這也與前文提到工作面上方裂縫在前60 m 內(nèi)快速閉合、后60 m 達到基本閉合的規(guī)律相一致。

4.3 地裂縫演化特點

淺埋薄表土層特厚煤層強制放頂條件下地裂縫發(fā)生最嚴重的地方是開切眼正上方，但該裂縫錯動最大高度(1.8 m)遠小于煤層厚度(12.6 m)這是由于此類裂縫是巖層主關鍵層破斷塊體發(fā)生滑落失穩(wěn)造成的，煤層頂板在不斷破斷回轉(zhuǎn)達到新的穩(wěn)定后不能完全壓實，巖層與巖層間會存在大量空隙導致，這也是采空區(qū)地表會發(fā)生二次沉陷的原因。根據(jù)相關理論關于臺階的高度推斷，關鍵層破斷巖塊滑落失穩(wěn)的滑落高度可能不超過2 m[13]。推演機理如圖12 所示。開切眼邊緣上方出現(xiàn)的大裂縫是不可自修復的，屬于煤炭開采對地表破壞最嚴重的一類裂縫。

圖12 開切眼上方主裂縫發(fā)育機理示意Fig.12 Main fracture development above setup room

淺埋薄表土層特厚煤層強制放頂條件下地裂縫均發(fā)育在采空區(qū)內(nèi)測，此現(xiàn)象與以往很多觀測數(shù)據(jù)不同，雖然觀測范圍向采場邊界外延伸50 m，但堅硬頂板條件下采場外側(cè)裂縫發(fā)育數(shù)量很少，尤其是主裂縫，均位于采空區(qū)邊界內(nèi)側(cè)，外側(cè)幾乎沒有發(fā)現(xiàn)寬度超過5 cm 的裂縫，其主要原因是工作面埋深較小(147～207 m)、采厚大(平均10.0 m)、深(采深)厚(采厚)比較小，導致裂隙帶直達地表，從而使工作面邊緣出現(xiàn)較大的裂縫。另外推測這也可能與表土層較薄有關，如前文介紹，沖積層平均厚3 m，下覆黃土層平均厚15 m，其下部較厚且較堅硬的砂巖層與其同步協(xié)調(diào)運動導致的，同時表土層黏結性較弱，地表隨之開裂，開裂后表土層運動難以影響邊界外表土層移動。同時該礦采用放頂煤采煤方法，在工作面剛推離開切眼的采煤初期不進行放頂煤操作，使開切眼上方巖層破斷位置前移，進而使開切眼上方裂縫向采空區(qū)內(nèi)移動。隨采動影響及地表主裂縫的產(chǎn)生，開采邊界以外也出現(xiàn)一些微小裂縫，但工作面推進過程其寬度始終不超過5 cm 且無明顯發(fā)育過程，認為此類裂縫非下方硬巖破斷直接造成，因此研究小裂縫對下方巖層的破斷無法起到反演地下巖層運移規(guī)律的作用。而且主裂縫修復難度大，是主要影響地表生態(tài)環(huán)境的因素，微小裂縫對地表生態(tài)環(huán)境影響較小，隨著降雨、動植物及微生物活動逐漸自然修復。微小裂縫不在筆者重點關注的范圍，未進一步對小裂縫進行監(jiān)測和研究，本研究的核心是5 cm 以上裂縫，尤其是主裂縫。

淺埋薄表土層特厚煤層強制放頂條件下工作面正上方地裂縫臺階高差較小。隨著工作面的推進，工作面正上方再未出現(xiàn)臺階高差超過0.6 m 的地裂縫，雖然采高及放煤高度加在一起已達到12.6 m，但工作面正上方的裂縫尺寸和高差均遠沒有其他3 處開采邊界的裂縫高差大，而且出現(xiàn)的大裂縫均能及時閉合。另外采空區(qū)上方裂隙的閉合周期大約為9 d，即工作面推進65 m 左右工作面上方的裂縫開始閉合，此數(shù)據(jù)也跟上覆砂巖主關鍵層每60 m 左右破斷一次的數(shù)據(jù)比較吻合。相較于神東礦區(qū)的一些數(shù)據(jù)對比而言[5]，頂板堅硬、松散層不厚條件下裂隙閉合時間更短，這是由于松散層厚度較薄，其下方覆巖的運動不經(jīng)松散層消化吸收，松散層直接與下方覆巖隨動，因此松散層變形不會大幅滯后于下覆巖層破壞和平衡調(diào)整周期，地下開采活動的影響能很快體現(xiàn)在地表。另外，如圖8 所示裂縫寬度在閉合末期也出現(xiàn)小幅度調(diào)整，寬度在減小過程中又出現(xiàn)3～5 cm 的增長，這可能是地層中的巖層結構小幅度移動造成的。但裂縫臺階高度在裂縫閉合階段一直處于減小的趨勢。

工作面上方地表變形的特征或許也能解釋裂縫高差不大的原因。隨著工作面的推進，工作面上方地表主要出現(xiàn)傾斜，即關鍵層主要是回轉(zhuǎn)失穩(wěn)，并未出現(xiàn)滑落失穩(wěn)造成的?；虺霈F(xiàn)滑落但屬于小幅或局部滑落，滑落不充分，表現(xiàn)在地表即地表裂縫主要出現(xiàn)張拉、閉合的現(xiàn)象，如圖13 所示，采空區(qū)上方中部的裂縫主要以張拉裂縫為主，且張拉后又閉合，閉合周期為9 d。

圖13 采空區(qū)中部不斷張拉又閉合的裂縫Fig.13 Development of fractures at the center of the stope

地表也出現(xiàn)了一些地塹裂縫，如圖14 所示，即地表張拉程度比較劇烈，寬度可達3 m，中間存在一長條下陷的土層，推測認為這種這種局部地塹裂縫是由于下方砂巖節(jié)理裂隙發(fā)育，在隨著下方巖層移動時產(chǎn)生小的碎裂錯動，加之上下層巖土層性質(zhì)不同造成的。這種裂縫的發(fā)育和演化機理是下一步要繼續(xù)深入研究的方向。

圖14 地塹裂縫Fig.14 Graben shaped fracture

4.4 地裂縫演化數(shù)理機理分析

由上文觀測結果及分析可知，雖然受強制放頂影響，煤層上覆堅硬頂板每20 m 發(fā)生一次破斷，但工作面上方地表主裂縫(Z4)在工作面“見方”時，即工作面推進216 m 時快速產(chǎn)生，之后以工作面每推進60 m為一個循環(huán)周期性閉合?？梢姕\埋薄表土層特厚煤層堅硬頂板強制放頂條件下，放頂步距(20 m)對地裂縫的孕育并不起決定作用，即上覆巖層中必然存在控制地表形變的關鍵層，煤層上方的堅硬頂板被強制放落后影響該關鍵層的破斷、回轉(zhuǎn)、滑落等過程進而控制地裂縫的產(chǎn)生。工作面“見方”時，間接導致關鍵層見方，發(fā)生初次破斷，造成工作面上方地表主裂縫的產(chǎn)生。如圖15 所示，紅框所示為懸露未垮的堅硬頂板。

圖15 15102 工作面初采頂板懸露示意Fig.15 Overhang of hard roof during the early mining stage

根據(jù)薄板斷裂理論[23]，板的撓度表達式為

式中，ω為撓度；Q為作用在板上面的均布載荷；θ為煤層傾角；a、b為板的長度和寬度(本礦條件下a固定為212 m)；D為板的抗彎剛度；x為采空區(qū)任意一點到以開切眼煤柱與一側(cè)巷道邊緣交點為原點的走向距離；y為采空區(qū)任意一點到以開切眼煤柱與一側(cè)巷道邊緣交點為原點的傾向距離。

板簡化為若干長條狀的梁，可得板沿x軸和y軸方向的彎矩表達式為

當薄板斷裂時，必然滿足Mx=My，即當x=y時Mx=My。因此，板發(fā)生斷裂時形狀為正方形，即見方易垮。具體到本礦條件下，工作面推進到b=216 m時，懸頂形狀接近正方形，引起了關鍵層垮落，造成地裂縫產(chǎn)生。正常推采階段，每3 個放頂循環(huán)，即每60 m關鍵層垮落一次。因此關鍵層的周期垮落步距約為60 m，具體原理示意如圖16 所示。

圖16 15102 工作面正常推采期間頂板懸露示意Fig.16 Overhang of roof during normal advance of 15102 working face

由于關鍵層下方巖層不斷彎曲、破斷、回轉(zhuǎn)、滑落，該關鍵層懸空面積不斷增大，受自重和上覆巖層所傳遞來的載荷影響，該關鍵層撓曲不斷變大最終發(fā)生破斷。該關鍵層及其控制的上覆巖層發(fā)生同步協(xié)調(diào)變形，因此該層巖石受到來自上方的載荷[24]為

該模型的力學本質(zhì)是多巖層的同步協(xié)調(diào)變形導致的撓度一致，因此該關鍵層與其控制的上方巖層變形一致，但與其下方巖層變形不協(xié)調(diào)。從受力角度而言，控制巖層的關鍵層受到上方所有巖層的載荷，該關鍵層下方巖層不會受到其上方巖層的載荷。即從地表下第1 層巖層開始算起，當?shù)趎層巖層所受載荷大于其上各巖層所受載荷，但小于第n+1 層巖層受到的載荷時，就可判斷第n層巖層為控制地表變形的關鍵層。因此在判斷控制地表變形的關鍵層時只需將式(4)進行如下變形，當q1

式中，qn為地表下方第n層巖層受到來自上方巖層的載荷；En為地表下方第n層巖層的彈性模量；hn為地表下方第n層巖層的厚度；Ej為地表下方第n層巖層及其上方直到表土層巖層的彈性模量；hj為地表下方第n層巖層及其上方直到表土層巖層的厚度；γj為地表下方第n層巖層及其上方直到表土層巖層的容重。

利用“砌體梁”結構模型判斷主裂縫孕育時強制放頂次數(shù)：

式中，nb為“砌體梁”結構下強制放頂次數(shù)；h為控制地表變形的關鍵層的厚度；Rt為控制地表變形的關鍵層的抗拉強度；q為控制地表變形的關鍵層受到來自上方巖層的載荷，按式(4)計算；L為放頂步距。

用“板”模型判斷主裂縫周期發(fā)育時強制放頂周期：

式中，nc為“板”模型下強制放頂次數(shù)。

需注意的是，控制地表變形的關鍵層的破斷與垮落也可能會受到其下方堅硬巖層的影響。因此還需計算控制地表變形的關鍵層下方硬巖破斷的強制放頂次數(shù)。當該巖層破斷時，控制地表的巖層也一并破斷，因此主裂縫孕育時強制放頂次數(shù)為

主裂縫周期發(fā)育時強制放頂周期：

經(jīng)計算本礦井控制地表變形的主要關鍵層為位于表土下第1 層的粗砂巖層，且在其下方雖有不少堅硬巖層但均比該層巖石容易垮落，故計算本礦井地表裂縫產(chǎn)生與發(fā)育時應使用本巖層計算。該粗砂巖層平均厚度為13 m，密度為2 350 kg/m3，彈性模量30 GPa，泊松比0.25，抗拉強度2.3 MPa。經(jīng)計算，主裂縫孕育時，強制放次數(shù)為10～11 次，此時工作面推進距離為200～220 m，與觀測結果工作面“見方”易跨基本吻合。主裂縫周期發(fā)育時強制放頂周期為3～4 次，對比觀測結果計算結果略大，究其原因是由于“板”結構在厚寬比是大于0.1 時適用性較差，且實際巖層有斷層、裂隙等不連續(xù)面，計算結果往往比實際結果大。

5 數(shù)值模擬驗證分析

數(shù)值模擬采用FLAC3D有限差分軟件。采用自主開發(fā)的隨機分布三角形網(wǎng)格建模工具進行建模。取平均埋深170 m 進行建模。筆者主要模擬周期破斷規(guī)律，因此，模型按照沿傾向中心線剖面進行近似二維建模，模型厚度為10 m。具體模型如圖17 所示，尺寸為800 m(長)× 10 m(寬)×200 m(高)。模型底部約束橫向和縱向位移，兩邊約束縱向位移。模型兩側(cè)各留設200 m 以消除邊界效應。采用虎克布朗準則(Hoek-Brown Criterion)評判巖體破壞。所用初始模擬參數(shù)根據(jù)地質(zhì)報告并通過RocData 軟件進行估算[27]。最終所采用的參數(shù)見表1。模擬結果如圖18、19 所示。

表1 H-B 準則巖體力學參數(shù)Table 1 Rock mass parameters of Hoek-Brown criterion

圖17 數(shù)值模型Fig.17 Numerical model

圖18 不同推進距離下覆巖運移與裂縫發(fā)育分析結果Fig.18 Roof strata movement and fracture development analysis when face advances different distances

按照現(xiàn)場實際條件下工作面自推進至216 m 發(fā)生初次垮落來在數(shù)值模擬中再現(xiàn)開挖過程，直至完成3 個垮落循環(huán)結束模型運算。通過應變率反映裂縫產(chǎn)生位置。

從圖19 可看到明顯的壓縮區(qū)和拉伸區(qū)，不難發(fā)現(xiàn)，在工作面推進216 m 時地表拉伸裂縫位于采場邊界內(nèi)側(cè)。隨著工作面的繼續(xù)推進，地表裂縫也按照60 m 為一個循環(huán)周期性發(fā)育，且各個推進距離下地表拉伸裂縫均位于采場邊界內(nèi)側(cè)。

圖19 不同推進距離下裂縫發(fā)育位移矢量Fig.19 Fracture development displacement vector when face advances different distances

6 減損開采及治理建議

淺埋特厚煤層薄表土層堅硬頂板強制放頂條件下主地裂縫分布在采場上部邊界內(nèi)緣，且難以自修復。目前我國西北礦區(qū)高產(chǎn)高效礦井難以采用充填、限高開采等控制地表沉陷的方法。同時淺埋煤層堅硬頂板薄松散層條件下采用離層注漿技術面臨更多技術和經(jīng)濟困難。局部關鍵區(qū)充填開采技術或許可根據(jù)地質(zhì)條件選用，適用于西北礦區(qū)淺埋特厚煤層薄表土層開采環(huán)境下的離層注漿技術勢在必行。

根據(jù)對中煤華昱五家溝煤業(yè)地裂縫演化規(guī)律的實測研究發(fā)現(xiàn)，淺埋特厚煤層薄表土層堅硬頂板強制放頂條件下在采場上部邊界內(nèi)緣會出現(xiàn)難以自修復的臺階裂縫，在生產(chǎn)過程中采場內(nèi)部形成的裂縫最終會隨上覆巖層的均勻沉降閉合，因此本著從源頭治理和節(jié)省治理成本的原則，應在開采設計上盡量減少由煤層采出造成的高差劇烈變化的采場“邊緣”，從技術上實現(xiàn)開采結束后每個“邊緣”被平緩過渡或消除。為此，應盡量采用無煤柱開采技術，通過減少煤柱盡可能擴大均勻沉陷區(qū)范圍，充分利用均勻沉陷區(qū)裂縫自動閉合的修復功能實現(xiàn)對土地的微破壞或零破壞。如110 和N00 工法是適用于厚及特厚煤層的錯層位開采方法[25-27]，均可有效避免因留設區(qū)段煤柱造成的地表急劇變形區(qū)，緩解地裂縫造成的環(huán)境破壞。

7 結論

(1)開采初期強制放頂對地表無影響。黏結性差、物理性質(zhì)差異較大的地層易產(chǎn)生錯動，表現(xiàn)為裂縫先張拉、后上下錯動且裂縫上部與下部脫離、上臺階下方出現(xiàn)空洞。

(2)強制放頂工作面正上方裂縫寬度及高差始終小于其他3 處開采邊界的裂縫，且閉合速度每隔一個放頂步距發(fā)生一次改變。

(3)工作面“見方”時，開采邊界裂縫發(fā)育情況類似?！耙姺健焙螅敯逯芷诳缏湟匝h(huán)爆破步距的一定倍數(shù)為周期，兩側(cè)巷道上方的地裂縫以循環(huán)爆破步距的一定倍數(shù)的周期“跳躍式”發(fā)育。本工作面頂板按照循環(huán)爆破步距(20 m)的3 倍周期垮落，兩側(cè)巷道上方的地裂縫按60 m 左右的距離“跳躍式”發(fā)育。

(4)深(采深)厚(采厚)比小、表土層薄造成對地表破壞最嚴重的邊界不可自修復大裂縫，且裂隙帶直達地表，絕大多數(shù)主裂縫處于采場邊界內(nèi)，并導致裂縫閉合周期更短。本工作面裂縫閉合周期約9 d。

(5)110 和N00 工法及錯層位等無煤柱開采技術可擴大均勻沉陷區(qū)范圍，緩解邊界臺階裂縫損害，有利于源頭治理和節(jié)省成本。