山西煤矿潞安矿区地裂缝发育特征及形成机理分析

马施民，王 洋，杨 雯，赵 斌，曹松华

(中国矿业大学(北京)，北京 100083)

0 引言

地裂缝是一种由内、外营力以及人类活动等因素作用引致发生的一种地面破裂现象。目前，我国地裂缝主要集中在大华北区冀、晋、陕、苏、鲁、皖、豫7省，粤、桂、吉3省较发育，此外，辽、甘、宁、鄂、黔、滇也有零星出现，合计发生1003处，6000余条，单条最长36km［1］，我国地裂缝范围之广、数量之多、作用时间之长，实属世界罕见。由煤炭地下开采引起的地裂缝是重力地裂缝的一种。我国煤炭开采量居世界第一，所以煤矿地裂缝也最多，其分布广泛，危害严重。山西潞安矿区是国家煤炭规划矿区，经过50年以上的生产，给矿区带来了巨大的经济效益，但与此同时也引起了十分严重的地质环境问题，特别是地下的采空区面积越来越大，开采沉陷引起的地表破坏越来越严重，地裂缝是其中最直观的一种，也是危害性最大的一种［2］，给当地居民的生产和生活造成了很大的影响。

1 地裂缝形成的地质环境背景

潞安矿区位于山西省东南部，沁水煤田的中段东翼(图1)，上党盆地之西，属长治盆地，其北、西面为低山丘陵，东、中面多为河谷平原，地势平缓，且大部分被较厚的第四系黄土覆盖。矿区南北长117.7km，东西宽10.4～57.0km，面积3679km2。沁水盆地总体为一平缓开阔的复式向斜构造形态，构造简单，以正断层为主。沁水盆地东翼中段潞安矿区属于华北断块区吕梁—太行断块沁水断坳次一级构造单元，武乡—阳城褶皱带和新生代叠加的长治断陷，东翼北段盂县至襄垣一带，地层倾向北西，倾角15°。潞安矿区煤炭资源丰富，主要含煤地层为下二叠统山西组和上石炭统太原组，稳定可采煤层为山西组的3#煤层和15#煤层，可开采煤层的主要煤种为瘦煤、贫煤，煤层上覆岩层主要为砂岩、页岩以及灰岩等，属于中硬岩层，开采后容易冒落。目前潞安矿区核心煤矿采煤方法主要为走向长壁、后退式低位放顶煤一次采全高全部跨落综合机械化采煤法。

图1 潞安矿区范围交通位置示意图Fig.1 Lu'an mining area traffic and position map

2 地裂缝的发育特征

2.1 地裂缝的分布特征

潞安矿区大型煤矿由于采煤历史久、面积广、全部采用井下开采，因此由采煤活动引起的地表拉伸变形生成的地裂缝非常普遍，是潞安矿区的一种主要地质灾害。据调查，潞安矿区核心开采区发生地裂缝灾害230处，分布于五阳、常村、王庄、司马等几个大型煤矿采空区及其外围地带的第四系黄土地层中(图2)，主要涉及屯留县余吾镇西坡村、长治县苏店镇王董村、长治市郊区郝家庄镇下秦村等地，其区域展布由东北方向向西南方向有逐渐减少的趋势。这些区域由于采煤历史久、采空区面积大、分布较集中等因素，使得这一地区的地裂缝普遍发育。这些地裂缝灾害毁坏了矿区及周边的房屋、耕地和道路，例如，常村矿和漳村矿因采空塌陷分别致使208国道屯留段800m路段和襄垣县闫村段顺路均匀下沉，最大下沉量达2.5m，产生数条大裂缝，裂隙宽达20～30cm，纵向裂缝10余条。据统计，潞安矿区地裂缝灾害共损毁房屋8224间，破坏耕地11.68km2，造成地下水枯竭11处，造成的直接经济损失约3953.4万元［3］。

图2 潞安矿区地裂缝分布示意图Fig.2 Lu'an mining area ground fissures distribution map

潞安矿区地裂缝一般与采空塌陷伴生，长度不等，其分布状况大致可分为两组［3］:一组为对应于开采边界的裂缝(图3)，位于采空区周围的拉伸区，规模较大，呈环状，裂缝长度一般50～600m，最大可达1000m，宽度一般0.1～0.6m，最大宽度可达2m;另一组为开采动态裂缝［4］(图4)，裂缝位置在工作面推进位置的前方，它是随着工作面的向前推进，出现在工作面前方的动态拉伸区，裂缝宽度和落差较小，一般呈弧形分布，裂缝方向大致与开采工作面平行而垂直于工作面的推进方向，长度大致与工作面的采宽相似。有的地裂缝形成后还会引起一定的崩塌，此类崩塌往往有一定的滞后性，在发生前大多数在陡峭硬质岩体的后缘先出现一系列地裂缝，崩塌产生滞后于地裂缝少则几个小时，多则数年。

图3 王庄矿采空区边缘地裂缝Fig.3 The goaf edge fissure group in Wang Zhuang

图4 石圪节矿采动地裂缝Fig.4 Dynamic ground fissures in Shi Gejie

2.2 地裂缝的类型特征

地裂缝的发育，在平面上或在剖面上，其形态总是和一定的图形相联系的:在平面形态上，单条地裂缝实际并不仅是一条简单的直线，还有一些曲线，一般情况下，往往是若干条地裂缝组合在一起，纵横交错;在剖面形态上也是多种多样的，一般来说，平直光滑的地裂缝面为数较少，而凹凸不平的地裂缝面却比比皆是，大都近于90°，凹凸不平的地裂缝面的倾角则常常变化不定，甚至出现倾向相反的现象，裂缝一般表现为上宽下窄，多显示出“V”形，也有的显槽形或漏斗形，下面将按不同的标准对其进行分类。

2.2.1 平面几何形态分类

(1)直线型:地裂缝平直，延伸方向稳定，整条地裂缝没有发生转折;

(2)弧线型:地裂缝呈弧形弯曲，表现为一条弧形曲线;

(3)曲线型:地裂缝象锯齿一样弯曲转折，但整条地裂缝朝一定方向延伸，一般在陡坎处发育，基本与陡坎延伸方向一致;

(4)分叉型:地裂缝发育一定长度后，然后朝两个不同的方向延伸;

(5)平行型:几条地裂缝大致相互平行，朝相同的方向延伸不长，相互间隔几十厘米至数米不等;

(6)交错型:几条地裂缝大小不一，相互交错纵横，整体规模不大。

2.2.2 剖面形态分类

(1)拉伸型地裂缝。裂缝两侧的岩土体没有发生相对错动，或者说错动非常小，出现这种裂缝一般是在裂缝的边界线处或者塌陷区中央的压缩区域。

(2)滑动型地裂缝。裂缝两侧的岩土体发生了较大的错动，潞安矿区裂缝两侧的下错高度大多数为0.2～0.4m，这些裂缝主要在工作面边界区域，呈多条平行排列的裂缝群，调查区内见到的地裂缝形状大多见图5。

图5 潞安矿区地裂缝类型及组合特征示意图Fig.5 Lu'an mining area ground fissure type and combined characteristic map

2.2.3 形成模式分类

(1)移动盆地边缘拉张裂缝带。该裂缝带位于采煤所形成的移动盆地的外边缘，其走向大致平行于煤矿采空区，规模较大，呈环状，裂缝长度50～600m，最大可达1000m，宽度一般0.1～0.6m，最大宽度可达2m，主要分布于地形较为平坦的王庄矿、五阳矿、石圪节矿，形态特征以直线型为主。裂缝的力学性质为张性，落差较小。

(2)地堑式裂缝群带。主要分布于中低山、丘陵地区，地形高差较大，以第四系薄层覆盖层为主的地区，比较典型的有司马矿(图6)。裂缝位于煤矿较大采空区上方及周边，形成地堑式开采塌陷，裂缝形态以直线形、曲形、不规则形为主，落差较大，滑移明显，裂缝带规模较大，土地破坏严重。

图6 司马矿采空区边缘地堑式裂缝群Fig.6 Goaf edge graben fissure group in Si Ma

(3)不规则裂缝带。此类地裂缝在矿区内比较普遍，主要分布于中小型煤矿采空区上方，一般情况下不出现开采塌陷，仅出现地裂缝，裂缝形态特征以直线、曲线、不规则为主，地裂缝规模一般较小，破坏较轻微。

3 地裂缝的形成机理及影响因素

矿区地裂缝的特征表明，矿区地裂缝均属采空塌陷的派生裂缝，地下煤炭开采是地裂缝形成的主要原因，地质构造及地下水疏干对地裂缝形成亦产生一定的影响。从地下开采到地表沉陷是覆岩中应力场、位移场复杂变化的过程，在这个过程中，开采空间是导因，覆岩破坏是过程，地表沉陷则为最终结果，而地表裂缝则是地表沉陷破坏的一种主要形式。潞安矿区开采方法对主采煤层采用综放开采，垮落法管理顶板。地下煤层采出后，采空区直接顶板岩层在自重力及其上覆岩层的作用下，产生向下的移动和弯曲，当其内部拉应力超过岩层的抗拉强度极限时，直接顶板首先断裂、破碎、相继冒落，而老顶岩层则以梁或悬臂梁弯曲的形式沿层理面法线方向移动、弯曲，进而产生断裂、离层。随着工作面的向前推进，受采动影响的岩层范围不断扩大，开采影响逐渐波及到地表，地表开始下沉，但下沉的速度和幅度不同，从而形成地面塌陷及其伴生的地裂缝。

潞安矿区煤炭开采初次采动时在推进方向的前方产生裂缝，裂缝在下山方向最为发育，其次是停采边界。上山方向采深大于200m时没有明显的裂缝产生，采深稍浅时有轻微裂缝产生。裂缝方向大致平行于开采边界。据统计，产生裂缝的拉伸变形临界值在田地约为3～4mm/m，在湿软的河床和有植被的地方稍大些，裂缝宽度约50mm，深度约5m。重复采动时，走向和上、下山边界均有严重裂缝，走向的裂缝一般有100mm的台阶，而上、下山边界则形成了地堑型陷落条带。下山比上山边界要严重得多，上山边界仅一级塌陷槽，下山的地堑则出现了两级甚至三级塌陷槽，塌陷槽台阶尺寸由中部向两边逐渐减小，大台阶落差达600mm，小台阶有100mm。

决定采矿活动产生地裂缝特征的有两大因素:第一是自然因素，主要是地形地貌、表土层特性、互层特征、覆盖层岩性的软硬度等;第二是人为因素，主要包括煤层条件、开采条件、覆岩性质等，潞安矿区的地裂缝完全是由于采煤引起的，根据研究分析认为:煤层条件、覆岩性质、开采条件及开采方法是决定潞安矿区采煤地裂缝分布特征的主要因素。

4 地裂缝的防治措施

潞安矿区所属煤矿除石圪节煤矿资源储量已接近采完，漳村煤矿服务年限还剩6年外，其它煤矿服务年限还较长。因此，随着这些煤矿长期大规模的煤炭开采，形成大面积的采空区，导致采空塌陷伴生的地裂缝的数量和规模有进一步增加的趋势，所以为了有效防止地裂缝的进一步扩大，避免因地裂缝造成更大的经济损失，提出如下防治措施:

(1)采取符合矿井实际情况的开采工艺和采矿技术措施。潞安矿区是山西省所属的国家级煤炭规划矿区，煤炭资源的高强度开发造成的塌陷裂缝较其他矿区更为严重。因此，在煤炭开采上尤要注意采用合理、科学的采矿工艺，减少塌陷裂缝的产生［5］。在开采方式上，局部区域可采用条带式开采，顶板管理方法采用减缓下沉法或充填法。在开采过程中，应该采取多种措施来消除开采边界的影响，尽量协调开采，使各个工作面错开一定距离，相互抵消或部分抵消由地面拉伸和压缩引起的变形，从而减少地面的变形量。在建筑物下采煤，一方面要在井下采取合理的采掘工艺，例如全柱开采、择优开采、连续开采等，尽量减少建筑物所在地表的移动和变形;另一方面，要对建筑物采取结构保护措施，以增加建筑物承受地表变形的能力，确保其安全。

(2)充填塌陷裂缝，防治水土流失。开采沉陷引起的地表裂缝有的非常细小，有的宽度可达0.1～0.6m;在厚层黄土区，裂缝深度可达数十米，上口宽度可达2m，这样的裂缝在外界自然力量的作用下，使得土壤被加速侵蚀，造成土壤、母质和水的损失，降低了土壤的肥力，影响农作物的产量，因而充填塌陷裂缝，防止水土沿塌陷裂缝流失是塌陷裂缝综合治理的根本。在充填塌陷裂缝时，一般在采动影响基本稳定之后进行，在耕地内充填裂缝时，应先将裂缝附近0.5m的熟土铲开推在一侧，然后用生土进行充填并捣实，再用原有的熟土覆盖，对于沟谷部位的裂缝，最好用粘土充填。

(3)重视地裂缝观测资料的积累并采取防范措施。布设地下井巷采区围岩变形监测网和各采空区选择典型地裂缝布设长期观测点［6］。长期观测资料的积累，可以为地裂缝减灾防灾对策的制定，提高趋势预测水平提供充分的依据。

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