沟谷地形下开采覆岩裂隙发育特征研究

谢党虎

(陕西涌鑫矿业有限责任公司，陕西 府谷 719400)

神府矿区工作面所在区域地表形态复杂，沟壑纵横，大部分区域煤层埋藏较浅，且薄基岩裸露较普遍，基岩以上被较厚的第四系黄土及新近系红土覆盖。与其他矿区开采煤层相比，其覆岩破断特征、失稳运动形式及采动裂缝演化规律具有显著的差异。

20世纪90年代以来，随着浅埋煤层开采范围的扩大，相关学者对其覆岩破断失稳特征及裂缝发育规律等方面逐步进行了深入研究，并取得丰硕成果。文献[1-4]通过对顶板结构稳定性的研究，很好的揭示了顶板破断失稳机理，形象的描述了覆岩垮落形态。文献[5]通过对神东矿区工作面过沟谷开采时矿压显现规律的研究，指出了工作面在上坡阶段时易发生切顶冒落现象的原因，为工作面开采过程中覆岩破断失稳位置的确定提供了理论指导。文献[6，7]通过对浅埋大采高工作面顶板破断特征、两带发育高度等研究，得到了比传统冒落带高度计算公式更接近的实测规律，为工作面安全开采提供了重要保障。文献[8，9]基于分形几何理论与数值模拟研究方法，从分形维数角度出发，较好的表征了采动岩体的裂隙发育特征，为不同损伤程度下裂缝发育规律的研究提供了参考依据。文献[10-12]从覆岩结构断裂的角度出发，给出了影响采空区地表裂缝分布形态的因素及机理，为类似条件下地表灾害的防治提供了思路。文献[13-15]通过对榆神府矿区不同开采强度下裂缝发育特征的研究，揭示了地裂缝在地表展布的分带性。文献[16，17]以神东矿区为研究目标，通过现场持续监测，揭示了地裂缝的动态发育规律，并建立了相应函数关系。文献[18]基于覆岩组合结构与岩层拉伸变形的方法，对导水裂隙带发育规律与岩层结构的相关性进行了研究，推导出了合理的拉伸率计算公式。

综上所述，现有研究成果在岩层结构破断失稳、覆岩垮落形态及裂缝发育规律等方面取得了丰硕的研究成果。但对于沟谷地形对薄基岩浅埋煤层开采过程中，基岩承载结构失稳诱发覆岩采动裂缝动态演化的规律仍有待研究。因此，结合安山煤矿5-2煤开采条件，对沟谷地形下薄基岩浅埋煤层开采过程中，基岩承载结构失稳对覆岩采动裂缝发育的影响进行了研究。

1 工程概况

1.1 矿井概况

安山井田为典型的黄土峁梁地貌，区内最低海拔为1075.9m、最高海拔为1364.5m，其落差较大，区域内煤层埋深为20～70m左右的沟谷地形较多，且薄基岩裸露较普遍，基岩以上被较厚的第四系黄土及新近系红土覆盖。

矿井目前主采煤层为5-2煤，125203工作面平均煤厚为2.3m，倾角为0°～1°，工作面走向长度为3152m，倾向长度为270.5m。工作面采用一次采全高，走向长壁综合机械化采煤法，全部垮落法处理采空区，推进速度为14m/d左右。煤层水平标高为+1165m，地面标高为+1191～+1304m，地面位置位于沙蒿梁北侧，菜沟西北侧。从钻孔资料和已揭露情况看，顶板岩性大致稳定，伪顶平均厚0.2m，炭质页岩；直接顶为细粒砂岩，平均厚1.12m；基本顶为粉、细粒砂岩，平均厚12m，基岩以上被含沙土层所覆盖。

1.2 现场勘察

通过对安山煤矿125203工作面地表采动裂缝发育形态及尺度特征的调研可知，浅埋煤层开采过程中，覆岩采动裂缝随工作面的推进而呈周期性发育特征，即基岩破断引起覆盖层下滑，从而形成地表裂缝。工作面上方地表附近容易形成台阶型和塌陷型两种典型的地表裂缝，其水平张开量或竖直错动量较大，但塌陷型裂缝两翼张开量较小；随着工作面向前推进，采空区上方地表裂缝逐渐演化成错动量及张开量较小的闭合型地表裂缝，且裂缝发育基本平行。

2 覆岩采动裂缝演化规律的模拟研究

2.1 试验设计

工作面回采过程中，对基岩承载结构失稳诱发覆岩采动裂缝发育的规律很难通过现场探测得到和实现。因此，为了直观方便的研究不同地表形态(深沟和浅沟)下的浅埋薄基岩煤层在下坡、沟底及上坡阶段开采时，基岩承载结构失稳对覆岩采动裂缝发育的影响，根据安山煤矿125203工作面实际赋存情况，按照相似理论搭建了如图1所示的平面模拟试验平台，模型被分成左、右两个不同深度的沟谷地形，工作从深沟下坡段向浅沟上坡段方向推进。采用钢尺对工作面推进过程中基岩破断步距和采动裂缝张开量进行测量，并做好记录。

图1 试验方案(cm)

相似试验模型尺寸为3000mm×1000mm×200mm，几何相似比为1∶100，速度相似比为1∶10。材料配制时，基岩以河沙为骨料，石膏和碳酸钙为胶结物，而基岩上方覆盖层属于半固结状态，强度极低，因此以河沙为骨料，黄土为胶结物。模型铺设过程中，以云母片进行分层铺设，来减小整层铺设带来的尺寸效应。模型岩层的厚度及配比见表1。

表1 相似模型材料配比

2.2 覆岩采动裂缝动态演化规律分析

深沟下坡阶段如图2所示，工作面在深沟下坡段从开切眼向前推进32m时发生初次来压，基本顶由煤壁后方发生破裂而引起滑落失稳，但上方覆盖层没有随基本顶失稳发生全厚切落现象，只有覆盖层下部发生整体切落，覆盖层上部虽有垂直裂缝发育，但受水平应力的作用，使得覆盖层上部所受摩擦力大于其自重应力而没有发生下滑。工作面向前推进至62m时发生第二次周期来压，工作面后方覆盖层随基岩沿煤壁切落而发生整体塌陷，其垂直裂缝发育贯通地表，地表形成台阶下沉，矿压显现剧烈。工作面向前推进至83m时，即工作面过深沟沟底8m，基岩在非均布载荷作用下，使沟底处裂缝受上、下坡两个不同回转方向岩柱所产生的水平挤压作用而逐渐闭合，地表出现隆起现象，从而降低了覆岩的导水漏气性，其覆岩裂缝演化与其他区域相比存在一定的差异。

图2 深沟下坡阶段

深沟上坡阶段如图3所示，工作面在深沟上坡段推进过程中，由于煤壁上方载荷较大，而煤壁后方载荷较小，且工作面后方覆盖层在水平方向为临空状态，使得基岩在非均布载荷作用下从悬臂梁结构逐渐转变为铰接结构[19]，工作面上方覆盖层被拉伸而形成上宽下窄的“倒梯形”张开型裂缝，此时覆盖层的深埋端在竖直方向临空段的长度对岩块两端支反力的大小有着重要的影响，容易造成压架事故的发生。工作面继续向前推进，岩块发生反向回转，最终致使岩块铰接处被挤碎，铰接岩块发生滑落失稳，地表出现较明显的台阶下沉现象，地表裂缝在覆岩回转下逐渐闭合。

图3 深沟上坡阶段

浅沟下坡阶段如图4所示，工作面在浅沟下坡段推进过程中，覆盖层下部随基岩破断发生滑落失稳，而呈非均布载荷的覆盖层上部向采空区方向发生回转，引起地表形成新的拉伸裂缝，覆岩采动裂缝在时空发育上表现出明显的不同步性。工作面在浅沟沟底推进时，由于沟底较平，基岩受力较为均匀，覆岩发生整体切落后，地表裂缝张开度及错动量较小。

图4 浅沟下坡阶段

浅沟上坡阶段如图5所示，工作面在浅沟上坡段推进过程中，受工作面上方覆盖层埋深的影响，基岩破断块体长度相对于深沟上坡段所形成的块体长度较短，且转角较小，岩块铰接处不易被挤碎而发生滑落失稳，铰接岩块块体数也从之前的两个变为三个。工作面继续向前推进一个周期来压后，铰接岩块才发生滑落失稳，即覆岩在煤壁后方处发生整体切落，地表裂缝与工作面在水平方向存在滞后距，与之前相比来压显现更强烈，影响范围更大。

图5 浅沟上坡阶段

综上所述，浅埋煤层工作面过沟开采过程中，弱强度覆盖层上的采动裂缝随基岩破断失稳而呈周期性动态发育演化特征，覆盖层随基岩切落失稳而发生下滑，裂缝形态发展变化较快，地表宏观切落现象明显，塌陷型和台阶型采动裂缝较为发育，形成了周期性分布的导水漏风通道。地表裂缝在时间效应和水平应力影响下，其水平张开量和竖直错动量随工作面周期性来压而不断发生突变，临时性张开型裂缝的张开量逐渐变小。由于上坡阶段工作面上方覆盖层的后方临空，因而上坡阶段较下坡阶段裂缝的张开量大；深沟沟底处裂缝受上、下坡两个不同回转方向岩柱所产生的水平挤压作用而逐渐闭合，地表出现隆起现象，从而降低了覆岩的导水漏气性。

特征参数结果分析如图6所示，受地表形态差异的影响，125203工作面周期来压步距和上方地表裂缝张开量存在明显的离散性，周期来压步距的平均值为17m，众数与平均值相近。工作面上方地表裂缝张开量的平均值为0.8m，极差为1m，离散性系数为0.35，裂缝张开量离散性较大，但主要集中在0.5m左右，且地表裂缝平均滞后工作面5m发育，因而覆岩竖向裂缝发育角近似垂直。(注：为了减小试验误差，使统计分析更加准确和具有更高的信服度，分析时去掉了参数中的极大值和极小值。)

图6 特征参数结果分析

3 沟谷地形对覆岩结构稳定性的影响

3.1 覆岩结构力学分析

覆岩采动裂缝发育受基岩承载层的控制，基岩破断失稳直接引起覆盖层整体运动，产生贯通型采动裂缝，覆岩形成全厚切落。因此，对沟谷地形下基岩极限承载能力及其影响因素的研究，可以为分析浅埋煤层开采过程中贯通型采动裂缝发育高度及间距的计算奠定基础。

由于基岩上方覆盖层属于半固结状态，强度极低，因而工作面回采后，在覆盖层自重应力大于其下滑所需的摩擦力时，覆盖层将随基本顶的破断而发生条柱式全厚切落，基岩承载结构实际所受压力为覆岩自重与其两侧摩擦力之差。若将基本顶来压步距作为承载结构的垮距，则工作面在沟谷地形下开采时，基本顶在其上方覆盖层作用下形成如图7所示的围岩结构力学模型。

图7 非均布载荷梁力学模型

为了承载结构受力计算方便，假设覆岩采动裂缝发育角为直角，即弱强度覆盖层主动土压力系数为1。

由梁的静力平衡方程可知：

则非均布载荷梁两端处的支反力大小为：

式中，FRA，FRB为非均布载荷梁两端处的支反力，kN；a、b为非均布载荷梁上方覆盖层的浅埋端和深埋端，m；γ为覆盖层的平均体积力，kN/m3；L为基岩承载层的垮距，m；tanφ为覆盖层滑移面的摩擦因数，取0.3[3]。

由式(2)可知，非均布载荷梁两端处支反力的差值为：

因此，当垮距L<0.9(a+b)时，非均布载荷梁两端处所受支反力的差值小于零，即非均布载荷梁在浅埋端反而受到更大压力。a、b相等时，载荷梁两端支反力大小相等，裂缝发育基本同步。

在非均布载荷梁AB段内取距原点为x的任意截面，由剪力计算方法可知：

式中，FS(x)为距原点为x的基岩断面上所受到的剪力，kN；θ为覆盖层表面坡度，(°)。

则这一截面上基岩断面所受剪力为：

由式(5)可知，非均布载荷梁各截面处所受剪力随x的变化而变化。为了解其变化规律，现对x求导，并令其等于零，则可知非均布载荷梁在区间(0，L)上单减，其所受剪力的极值为：

由上述关系可知：

1)若工作面沿上坡方向推进，则非均布载荷梁下的最大剪应力在工作面煤壁处，在基本顶所受剪应力大于其抗剪强度时，其将沿煤壁发生剪切破坏，从而使覆盖层发生全厚切落，引起地表出现台阶下沉；若工作面沿下坡方向推进，则非均布载荷梁在工作面后方受最大剪应力破断后，将引起基本顶在煤壁附近发生拉剪破断失稳。

从基本顶力学性质和应力环境出发研究工作面开采过程中其自身的稳定性，是预测沟谷地形下浅埋薄基岩煤层工作面周期来压步距的力学研究基础。在最大剪力作用下，非均布载荷梁破断时，其最大剪应力为：

式中，τmax为非均布载荷梁所受到的最大剪应力，MPa；h为非均布载荷梁的厚度，m。

因此，当非均布载荷梁所受到的最大剪应力达到其抗剪强度时，其垮距为：

式中，[τ]为非均布载荷梁的抗剪强度，MPa。

上述关系表明：

2)非均布载荷梁两端所受支反力的大小见式(9)。

3.2 裂缝间距与覆盖层厚度及坡度关系

为了研究覆盖层厚度及坡度变化对覆岩采动裂缝间距及发育高度的影响规律，应用式(8)对其规律做了进一步分析，如图8所示(其中h=12m、[τ]=1.29MPa、γ=20kN/m3)。

图8 裂缝间距与覆盖层厚度及坡度关系

从图8中可以明显看出，浅埋端从30m变化到90m，深埋端从150m变化到90m时，坡度减小39°，来压步距仅增大约2m，因此不同地表坡度下的同一工作面在开采过程中，其上方覆盖层厚度之和相等时，覆岩采动裂缝基本成等间距发育；而平均埋深从150m变为30m时，来压步距增大27.5m，说明覆盖层厚度对来压步距影响较大。

4 结 论

1)浅埋薄基岩煤层开采过程中，覆岩采动裂缝随基岩破断失稳而呈周期性动态发育演化特征，覆盖层随基岩切落失稳而发生下滑，工作面上方地表附近塌陷型和台阶型采动裂缝较为发育，采空区上方地表裂缝逐渐演化成错动量及张开量较小的闭合型地表裂缝。上坡阶段较下坡阶段裂缝的张开量大；深沟沟底处裂缝受上、下坡两个不同回转方向岩柱所产生的水平挤压作用而逐渐闭合，地表出现隆起现象，从而降低了覆岩的导水漏气性。

2)受地表形态差异的影响，125203工作面周期来压步距和上方地表裂缝张开量存在明显的离散性，周期来压步距的平均值为17m，但众数与平均值相近；工作面上方地表裂缝张开量的平均值为0.8m，但主要集中在0.5m左右，且地表裂缝平均滞后工作面5m发育，因而覆岩竖向裂缝发育角近似垂直。

3)基于沟谷地形下浅埋薄基岩煤层覆岩垮落结构特征，建立了非均布载荷梁结构力学模型，推导了覆岩结构稳定性判别条件，确定了基本顶两端压力、剪力及垮距等参数的计算公式，为覆岩采动裂缝间距与覆盖层厚度及坡度关系的分析奠定了重要基础。