沟谷区浅埋煤层覆岩破坏特征及地面裂缝发育规律

车晓阳 侯恩科 孙学阳 姜钰泉 谢晓深 从通 刘博

摘 要：沟谷区浅埋煤层开采覆岩损害特征不仅受覆岩结构影响，同时受地形地貌特征影响。为进一步研究浅埋煤层过沟开采时覆岩运动及损害机理，以陕北浅埋煤层区某矿14210工作面为研究对象，通过建立物理相似材料模型，利用人工测量、变形监测、数据分析等方法，研究沟谷区浅埋煤层开采覆岩破坏规律及地表裂缝形成机理。结果表明：煤层覆岩沉降值曲线在垂向上具有向下继承性，顶板周期性垮落后沉降曲线呈“U”型，沉降值变化速率大的“U”型两侧区域纵向裂隙发育，周期性垮落体边界与自然平衡拱结构基本吻合，并周期性向前发展;地表裂缝可根据坡向与煤层采动方向的关系分为顺向坡推挤裂縫、逆向坡拉张裂缝和沟底隆起3种类型，不同类型裂缝具有不同的动态发育规律。研究成果为沟谷区浅埋煤层开采覆岩及地表损害预测提供了理论基础，对浅埋煤层过沟开采可能因覆岩及地表损害引起的矿井水害防治具有重要意义。

关键词：浅埋煤层;沟谷;覆岩破坏;地表裂缝 中图分类号：TP 325

文献标志码：A

文章编号：1672-9315（2021）01-0104-08

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2021.0114

Research on overburden breaking characteristics and ground crack

formation mechanism of shallow coal seam under the gully

CHE Xiaoyang1，2，HOU Enke1，2，SUN Xueyang1，2，JIANG Yuquan1，2，

XIE Xiaoshen1，2，CONG Tong1，3，LIU Bo1，2

（1.College of Geology and Environment，Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China;

2.Key Laboratory of Geological Support for Green Coal Mining，Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China;

3.Xian Research Institute of China Coal Technology & Engineering Group，Xian 710054，China）

Abstract：The damage characteristics of the overlying rock in shallow coal seam mining in the valley area are not only affected by the overlying rock structure，but  by the topography.In order to study the movement and failure mechanism of coal seam overlying strata during shallow coal seam mining，the 14210 working face of a mine in the shallow coal seam area of northern Shaanxi is taken as the research object.The overlying rock failure law and the formation mechanism of surface cracks in shallow coal seam mining of the valley area was studied by establishing physically similar material models，using manual measurement，deformation monitoring，data analysis and other methods.The results show that：the subsidence value curve of coal seam overburden has a downward inheritance in a vertical direction.The periodic collapse and backward settlement curve of the roof are in the shape of a “U”.and  longitudinal fissures evolves on both sides of the “U” region with a large change rate of settlement value;the boundary of the periodic collapse body is basically consistent with the natural balance arch structure and develops periodically.According to the relationship between slope direction and coal seam mining direction，surface cracks can be divided into three types：push fracture on forwarding slope，tensile fracture on the reverse slope，and uplift at the bottom of the gully.Different types of cracks have different dynamic development processes.The research results provide a theoretical basis for the prediction of overburden and surface damage in shallow coal seam mining in the valley area.It is of great significance for the prevention and control of mine water damage potentially caused by overlying rock and surface damage in shallow coal seam trench mining.Key words：shallow buried coal seam;gully;overburden failure;cracks in the ground surface

0 引 言

采矿过程中煤层上覆岩体的稳定性与破坏特征是控制地下水运移及地面沉陷等问题的主要因素[1-3]，煤层覆岩稳定性及采动破坏规律的研究，是矿山开采与灾害防治领域的一项重要研究内容。一般煤层上覆岩体的稳定性及破坏规律主要受关键层结构控制，覆岩裂隙在空间上呈“下方上圆”的“类梯形台”形态[4-5]。在一些浅埋煤层区，煤层上覆岩层的扰动破坏规律还受埋藏深度及地表地形地貌的影响[6-8]。

关于浅埋深及地形地貌对煤层覆岩破断规律的研究，近年来国内外学者对此做了大量工作。浅埋煤层由于埋藏深度浅，煤层顶板破断规律受地形地貌影响的同时，顶板破断对地面沉陷及裂缝的产生也有明显的影响[9-12]。黄庆享，侯忠杰等人在明确了浅埋煤层的基本含义的基础上，对煤层顶板周期垮落规律及上覆松散层厚度对覆岩破断的影响进行了研究，得出厚松散层对关键层层位及顶板破断规律影响明显，主要表现为整体切落破坏，破坏形式较为剧烈[13-17]。地形地貌对煤层顶板垮落规律的影响在沟谷地区较为显著，由于关键层受剥蚀而部分缺失，因此，不同区段覆岩破坏形式差异较大[18-21]。王方田，赵杰等对不同地形地貌条件下的煤层覆岩垮落特征进行了研究，得出沟谷地貌条件下沟谷坡体运动载荷比正常开采时明显增大[22-24]。许家林，张志强等在分析了地形对煤层顶板影响的基础上，得出沟谷坡角的大小对覆岩破断后的运动特征也具有明显的影响[25-27]。综上所述，沟谷区的浅埋煤层由于上覆载荷的不均一性，使得覆岩破坏规律与普通浅埋煤层不同，而且由于其受到剥蚀作用明显，岩体的破坏形式及裂缝发育规律与地表次生灾害之间具有更强烈的联系。但以往大家对沟谷区浅埋煤层覆岩破坏的研究重点都在对工作面矿压的影响上，而对覆岩的破坏规律及与地面裂缝特征之间的研究偏少，因此，文中拟通过室内物理相似材料模拟与综合分析的方法对其进行研究和分析，得到浅埋煤层过沟开采时的煤层覆岩破坏特征与地表裂缝发育规律。

1 地质特征

陕北某矿14210工作面倾向长297 m，走向长3 230 m，埋深22.0～160.3 m，采用长壁综采，自然垮落法顶板管理。主采的4-2煤层结构简单，向西北缓倾，倾角1.1%～1.5%，可近似看作水平煤层，煤层平均厚度3.70 m。地表一沟谷横穿工作面区域，工作面走向与与河谷流向呈60°夹角，沟谷剖面形态呈“U”形，谷底煤层埋深约22 m，基岩出露，与两侧坡体落差约70 m。4-2煤层上部的3-1煤层平均厚度2.6 m，在该区段内均已火烧。工作面内揭露地层由老至新依次为侏罗系中统延安组（J2y）、新近系上新统保德组（N2b）、第四系中更新统离石组（Q2l）、上更新统萨拉乌苏组（Q3s）、及地表风积沙（Qeol4）（图1）。

2 物理模拟实验

2.1 模型建立

根据重力相似准则与实验需求，确定模型几何相似比KL=1∶100，重度相似比Kγ=2∶3，时间相似比Kt=K0.5L= 1∶10，模型为一“U”形沟谷地形，设计尺寸长×宽×高（最高处）为400 cm×20 cm×101 cm。煤岩各层均沿水平方向铺设，层间以云母粉间隔，模拟岩层层理，模型仅考虑自重，无外加荷载。模型材料主要为河沙、大白粉、碳酸钙、石膏和云母，选取合理配比进行模型搭建（图2）。煤系地层物理力学参数见表1。

为测量采动引起的地表下沉变化情况，模型风干后在其顶面非等间距设置10个百分表测量点，测量点间距与地形变化程度呈反比，间距20～40 cm。为测量采动引起的煤层覆岩变化特征，在模型正面共设置5排142个编码监测点，底部3排纵向间距10 cm，横向间距在沟谷区域为10 cm，两侧坡体区域为15 cm，顶部地表监测点横向间距与其他行一致，纵向与地表起伏保持一致，与地面距离1 cm。利用全站仪对编码监测点的位移进行监测和记录。

2.2 实验分析

模型两端各留设30 cm煤柱，按照时间相似比从左向右循环开采，模拟开采4-2煤层，开采总长度340 cm，相当于原型长度340 m。为叙述方便，下文以原型实际数值描述开采现象。

当工作面推采至44 m时，覆岩出现层间裂隙，老顶初次垮落，破断岩体沿煤壁切落，形成“单斜岩块”结构（图3（a））。

工作面持续推进，直接顶板随采随落，覆岩悬顶面积逐渐增大，离层空间向上移动，当工作面推采至53 m时，覆岩顶悬露面积达到破断极限，发生周期垮落，周期垮落步距9 m（图3（b））;当工作面推采至107 m时，基岩老顶发生第5次周期垮落，基岩裂隙发育至地表，形成贯通裂隙，由于岩体下沉，在地表形成错台裂缝（图3（c））;随着覆岩周期性垮落，基岩裂隙与地表裂缝基本同步发育，但发育初期，二者并不相互导通，且地表下行裂隙的

发育位置要超前于覆岩上行裂隙最高点的发育位置。

工作面推采至160 m时，推采位置位于沟谷底部正下方，沟谷底部出现地表隆起，但覆岩上行裂隙并未与沟谷底部裂缝导通;工作面推采至180 m时，覆岩上行裂隙与沟谷底部下行裂缝导通，形成贯通裂隙（图3（d））。

模拟开采结束，煤层覆岩垮落带垂向裂隙发育，从工作面走向剖面来看，垮落带形态呈正梯形分布，覆岩垮落跨度从近煤层位置向上逐渐递减，裂隙带一直贯通至地表，开切眼处与停采线处垮落角分别为60°和44°。基本顶的周期性垮落步距为8～18 m，地表共发育有20条地表裂缝，顺向坡（坡向与工作面推采方向一致）裂缝表现为推挤形态，逆向坡（坡向与工作面推采方向相反）裂缝表现为拉张形态，沟底裂缝表现为隆起形态。且裂縫形态在开采过程中并不是一成不变的，而是随着推采的进行而动态变化的。

3 煤层覆岩破坏特征

3.1 覆岩沉降特征

利用全站仪系统可以有效的对相似材料模拟模型正面的编码测量点各向位移进行精确测量，利用输出数据绘制各点的垂向位移特征曲线，可以较为直观的掌握煤层开采过程中，煤层顶板各位置的垂向位移特征（图4）。

工作面基本顶初次垮落时，由于垮落岩体的碎胀因素，垮落体的最大下沉位移小于3 m，煤层覆岩的最大下沉位置位于沟谷底部，最大沉降值为3.6 m。受斜披体的影响，沟谷区浅埋煤层覆岩的最终沉降值并不均一，且沟谷底部沉降值比其他地方的沉降值相对较大。

煤层覆岩周期性垮落后，累计沉降值形成近似于“U”形的沉降曲线，覆岩周期性垮落时一般沿着“U”形沉降曲线两侧沉降值变化率大的位置发生破断，形成上行裂隙，裂隙两侧沉降值差异明显。

在工作面开采过程中，裂隙发育位置处剪应力较为集中，岩层容易产生破断，破断后采空区一侧岩体随下伏岩层的垮落一起垮落，未开采一侧岩体仍具有一定的完整性，仅在上覆应力作用下发生微小的竖向形变，造成垂向裂隙两侧岩体的沉降值差异较大，形成“U”形的沉降曲线。

物理模拟实验中裂隙的发育位置与监测得到的沉降“U”形曲线中沉降值变化率大的位置也基本吻合。沉降值变化率与岩层裂隙之间的规律，不仅适用于煤层覆岩裂隙的形成分析，同样也适用于地表裂缝的形成分析。

地表的沉降值特征也可以反映地表的裂缝发育情况，地表沉降变化曲线（图5）与煤层覆岩的沉降曲线特征类似，“U”型曲线两侧沉降值变化率大的位置，地表裂缝也较为发育，且相邻位置的下沉值差异随开采的进行由大变小时，地表的裂缝宽度也会随之逐渐减小，与实验观测现象一致。

3.2 下沉量的垂向继承性

物理模型正面布置的各排位移编码监测点上下一一对应，根据不同位置的监测点位移数据，绘制沉降值曲线（图6）。上部监测点的沉降曲线特征与下部监测点的沉降曲线特征类似，说明上部沉降曲线对下部沉降曲线具有一定的继承作用，煤层覆岩的沉降特征是向上传递的，下部岩层沉降量大的位置，上部岩层的沉降量也大，同时由于岩块的碎脹作用，上部岩层的沉降值比其下部岩层的沉降值略小。笔者将这种特征概括为煤层覆岩沉降量的垂向继承性，这种继承性一直由煤层顶板传递至地表。且上下两层沉降值差异较大的区域，横向裂隙较为发育，更容易形成离层空间。

结合煤层覆岩沉降量的垂向继承性及“U”形沉降曲线与覆岩裂隙的关系，可以得到地表沉降量变化率大的地方，其垂直对应的煤层顶板岩层沉降量变化率也大，并由此可以推断其覆岩裂隙在该位置也较为发育。利用这项规律，在野外对煤层采后覆岩裂隙进行探查时，可根据地表沉降量特征对覆岩的裂隙发育情况做一大致推断。

沉降曲线中垂向沉降值与横向距离的比值，可以表示单位距离的岩层形变程度，若单位的形变程度在煤层开采过程中一直很小，说明水平岩层基本是同步运动的，一般产生的裂隙较少，未产生相对大的形变;若单位形变在破断初期较小，而后又由小变大，说明岩层产生了二次破坏;若单位形变开采初期较大，而后又由大变小，说明随着开采进行，原有裂隙逐渐产生了闭合，相邻位置之间的距离在逐渐减小。

3.3 覆岩垮落的周期性特征

工作面开采过程中，沟谷区浅埋煤层覆岩的垮落形态为正梯形结构（图7），将岩体垮落边界按垮落周期进行简化，得到简化的周期性垮落边界线（图8）。从图中可以看出覆岩的垮落边界并不是顺着开采位置垂直发育，而是沿着由开采范围所决定的自然平衡拱的边界线发育，遵循自然平衡拱的破坏法则。图8中的红色虚线为覆岩周期性垮落的实际边界线，边界线外绕的半圆为该开采进尺所对应的自然平衡拱结构边界线。

开采初期，煤层覆岩会沿着最初形成的平衡拱两侧迹线发生破断并垮落，随着开采进尺的增加，自然平衡拱的范围不断增大（图8（a）），覆岩的垮落范围也随着平衡拱的增大而不断增大，当达到下一个应力平衡极限时，覆岩便会沿着下一个平衡拱的的两侧边界破断并垮落，当平衡拱的范围发育至该开采地质条件下的稳定状态后，平衡拱的范围便不再增大（图8（b）），而是随着工作面开采前进方向周期性的向前移动（图8（c）、（d）），当工作面推采至周期性平衡拱的应力边界时，覆岩则会沿着平衡拱的前进侧边迹线发生破断并垮落。这种贯通性的垮落步距一般为40～60 m，大于煤层基本顶的周期垮落步距，是基本顶周期垮落步距的3.3～5.0倍，但在沟谷底部煤层埋深较浅的区域其垮落步距又与基本顶的垮落步距较为接近。煤层开采结束后，垮落体最终在工作面走向剖面上形成“正梯形”的垮落形态。

4 地表裂缝发育规律

煤层工作面在推采过程中，地表会伴随产生多种类型的裂缝破坏。利用测量工具对产生的每条裂缝进行测量并记录统计。根据沟谷坡向与工作面推采方向的关系，可将地表裂缝分为顺向坡（坡向与推采方向一致）裂缝、逆向坡（坡向与推采方向相反）裂缝，及沟底隆起3种主要类型。

14210工作面模拟开采过程中，顺向坡共发育8条裂缝，裂缝间距4.0～30.0 m，平均间距16.1 m，最大裂缝宽度为1.7 m，最小裂缝宽度为0.05 m;沟谷底部共发育2条地表隆起，隆起高度为0.5～1.6m;逆向坡共发育10条裂缝，裂缝间距5.1～20.1 m，平均间距11.8 m，最大裂缝宽度为2.0 m，最小裂缝宽度为0.01 m。不同位置的裂缝在工作面推采过程中形成机理和发育规律有所不同。

4.1 顺向坡裂缝

由于工作面开采，采空区一侧地表与未采区一侧地表出现不均匀沉降，使得地表出现下行的拉张裂缝，此时地表裂缝与覆岩破断形成的上行裂隙尚未贯通。地表拉张裂缝产生的位置基本与工作面推采位置一致。随着沉降区域沉降值增大，沉降区域与未沉降区域落差增大，拉张裂缝的张度也进一步增大。

地表沉降区域在水平投影上，滞后于工作面的推采位置，最大的沉降位置一般位于沉降区域中心，地表岩土体滞后于下伏岩体产生破断和下沉。随着工作面回采位置向前推进，地表沉降区域向工作面推采方向扩展，原由于采空区一侧与未采区一侧的不均匀沉降而产生的拉张裂缝，由于区域沉降落差减小，拉张裂缝张度也随之减小。但由于近地表覆岩体整体向沟谷侧移动，沉降区域内的裂缝并不能完全闭合，而是在小范围内波动后并趋于稳定。同时上侧坡体由于向沟谷侧移动，容易对下侧坡体造成推挤作用，使裂缝两侧形成与坡向一致的错台。地表覆岩移动过程中，已产生裂缝的区域也会在已有的相临裂缝中间重新产生新的裂缝，但二次产生的新裂缝宽度一般较小，且容易重新闭合。顺向坡地表裂缝在形成过程中，经历了起裂、破断，稳定后表现为推挤形态。

4.2 沟谷底部隆起

由于两侧斜坡体的存在，近地表覆岩垮落后整体均向沟谷方向移动，坡体上侧岩土体对下侧岩土体具有一定的推挤作用，在靠近沟谷底部岸坡及沟谷底部，沿着地表裂缝发育方向均有不同程度的地表隆起，地表隆起最初表现为挤压破断，随着推采进行，破断逐渐转化为地表隆起，并不断增高。谷底的隆起高度要大于岸坡的隆起高度，说明越靠近沟底，斜坡对沟谷方向的挤压作用越强。沟谷底部地表隆起表现为上升、稳定、上升的过程，最大隆起高度为1.5 m（图9）。

4.3 逆向坡裂缝

逆向坡裂缝与顺向坡裂缝的形成机理基本类似，都是由于采空区一侧与未采区一侧的不均匀沉降引起的，但两者的裂缝发育规律又有所不同。

煤层工作面推采位置越過沟底之后，逆向坡地表出现拉张裂缝，随着推采进行，裂缝张度逐渐增大，并出现错台。但无论是正向坡裂缝或逆向坡裂缝，错台较低的一侧一般均指向沟底。当沿上坡方向出现下一条裂缝并逐渐增大时，前一条裂缝张度将逐渐减小并可能发生闭合。逆向坡裂缝的动态发育过程如图10所示，裂缝在发育过程中裂缝宽度迅速扩大，并逐渐回落后趋于稳定，裂缝的最终宽度值较小，并有可能发生闭合。逆向坡裂缝宽度变化整体呈现增大后又逐渐减小的规律，后续的开采过程中，逆向坡周期性出现新的类似的地表裂缝。

4.4 覆岩破坏与地表裂缝关系

通过上述分析可以得到煤层覆岩基本的垮落规律及地表裂缝发育过程，可以看出，地表裂缝的产生对煤层覆岩破坏具有延续性，地表裂缝出现的位置符合煤层覆岩破坏剖面正梯形形态特征。

总的来看，受地表地形地貌特征的影响，地表斜坡体在煤层开采过程中基本均向沟谷底部方向移动，由于顺向坡与煤层工作面开采方向相同，后生裂缝位于先生裂缝下侧，先生裂缝在扩展过程中就会对下侧斜坡体造成一定的推挤作用;逆向坡坡向与煤层工作面开采方向相反，后生裂缝位于先生裂缝上侧，先生裂缝由于自身扩张对后生裂缝造成的影响较小，但后生裂缝在扩张过程中向下运动，会促使先生裂缝宽度减小，甚至闭合。地表裂缝的产生受煤层覆岩破坏与地表形态两方面的影响，覆岩垮落为地表裂缝形成的核心因素，地形特征对地表裂缝的形成及发育规律起到外在的影响作用。

5 结 论

1）14210工作面过沟段回采过程中，煤层覆岩裂隙可直接发育至地表，或与地表拉张裂隙贯通，形成贯通裂隙，对矿井的安全生产造成影响。

2）顶板周期性垮落后沉降曲线呈“U”型，沉降值变化速率大的“U”型两侧区域纵向裂隙发育，覆岩沉降值曲线在垂向上具有继承性，上部岩体的沉降值特征受其下部岩体的沉降值特征决定，覆岩周期性垮落边界沿自然平衡拱结构边界发生垮落，遵从平衡拱破坏法则。

3）地表裂缝可根据沟谷坡向与煤层开采方向的关系分为顺向坡裂缝、逆向坡裂缝和沟底隆起，顺向坡裂缝一般表现为推挤形态，逆向坡裂缝表现为拉张形态，沟底裂缝表现为地表隆起。

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收稿日期：2020-06-06   责任编辑：李克永

基金项目：

国家自然科学基金项目（41472234）;陕西煤炭开采对水资源的影响研究（2020ZY-JC-03）

第一作者：车晓阳，男，陕西陈仓人，博士研究生，E-mail：280392042@qq.com

通信作者：侯恩科，男，陕西扶风人，教授，博士生导师，E-mail：houek@xust.edu.cn