浅埋近距煤层开采覆岩与地表裂缝发育规律及控制

曹 健，黄庆享

浅埋近距煤层开采覆岩与地表裂缝发育规律及控制

曹 健1,2，黄庆享2

(1. 内蒙古科技大学 矿业与煤炭学院，内蒙古 包头 014010；2. 西安科技大学 能源学院，陕西 西安 710054)

我国西部神府东胜煤田主要赋存浅埋近距煤层，煤层埋藏浅，覆岩上部厚松散层大范围分布，近距煤层开采导致覆岩与地表裂缝发育严重，加剧了原本脆弱的生态环境进一步恶化。为探究浅埋近距煤层开采覆岩与地表采动裂缝发育规律，掌握其控制方法，以柠条塔煤矿1-2煤层和2-2煤层开采为背景，结合实测统计分析、物理模拟和分形理论，掌握浅埋顶部单一煤层开采和重复采动下覆岩与地表裂缝发育特征，揭示煤柱布置对裂缝发育的控制作用。研究表明，煤层开采导致的地表裂缝可分为平行于工作面的动态裂缝和工作面开采边界地表裂缝(切眼边界侧地表裂缝和区段煤柱侧地表裂缝)，动态裂缝在开采后能够实现自修复，工作面开采边界的地表裂缝不能自修复。下煤层开采区段煤柱侧覆岩与地表采动裂缝发育严重，其与区段煤柱错距密切相关。1-2煤层开采后，基岩垮落角为60°，土层垮落角为65°，边界煤柱侧地表裂缝的宽度为0.26 m。下部2-2煤层开采，煤柱叠置、错距20、40 m时，区段煤柱侧覆岩采动裂缝宽度分别为0.81、0.45和0.22 m，地表裂缝宽度分别为0.65、0.30和0.12 m。通过确定合理煤柱布置方式，能够有效控制覆岩和地表采动裂缝的发育程度，据此确定柠条塔煤矿1-2煤层和2-2煤层开采的合理煤柱错距应大于40 m。

浅埋近距煤层；覆岩采动裂缝；地表采动裂缝；煤柱错距

我国陕蒙交界的神府东胜煤田是世界七大煤田之首，2019年煤田内鄂尔多斯和榆林市煤炭总产量达11.43亿t。煤田主要赋存多层浅埋煤层，层间距一般在40 m以内，属于浅埋近距煤层开采[1]。实践表明，下部煤层开采覆岩和地表采动裂缝集中发育严重，加剧了原本脆弱的生态环境进一步恶化。

目前，我国学者主要通过地表实测研究浅埋近距煤层开采的地表裂缝发育特征，采用物理模拟和钻孔窥视研究重复采动覆岩裂缝发育规律。姚邦华等[2]研究布尔台矿重复采动覆岩裂缝再发育规律，认为顶板采动裂缝波及的含水层范围扩大；王文学等[3]研究厚松散含水层下煤层开采15 a后的裂缝闭合效应，得出裂缝带高度比开采结束时降低40%；余明高等[4]研究浅埋煤层群开采覆岩采动裂缝发育规律，得出下煤层开采覆岩裂缝高度增大；黄庆享等[5]将地表裂缝分为永久边界裂缝、周期性平行裂缝和区段煤柱边界裂缝，指出煤柱边界裂缝是裂缝控制的主要对象；张春雷等[6]研究浅埋近距煤层开采，不同层间岩层结构的覆岩采动裂缝发育规律；李树刚等[7]研究重复采动裂缝发育的“产生、扩张、压实、再扩张、再压实”5个阶段；文虎等[8]模拟浅埋近距下煤层开采的裂缝演化时空规律，两侧裂缝率先与地表连通；刘腾飞[9]分析覆岩导水裂隙带发育与煤层厚度和岩性等因素关系；白海波[10]研究认为因构造、采矿、不均匀沉降产生的隐伏张裂隙是地裂缝形成的基础。实践表明，浅埋近距煤层开采覆岩裂缝活化发育严重，尤其是区段煤柱两侧的覆岩裂缝集中发育，此外，煤柱侧对应地表裂缝同样发育加剧，与顶部单一煤层开采的地表裂缝纵横交错，破坏生态环境，需采用科学的手段加以控制。

以上研究为本文提供有益借鉴，但对于区段煤柱侧采动裂缝发育规律及裂缝控制机理，研究有待深入。笔者以柠条塔浅埋近距煤层开采为背景，结合实测统计、物理模拟和分形理论，分析浅埋近距离煤层开采覆岩和地表采动裂缝发育特征，揭示煤柱布置方式与裂缝发育之间的关系，提出其控制方法，以期为浅埋近距煤层减损开采提供依据。

1 地表裂缝发育特征的统计分析

1.1 单一煤层开采地表裂缝发育特征

统计国内单煤层开采地表裂缝实测工程实例，见表1[11-17]，分析可得以下结论：

(1)地表裂缝可分为平行工作面的动态裂缝和工作面开采边界地表裂缝。周期性出现的动态裂缝在开采后能够实现自修复，而工作面开采边界的地表裂缝不能自修复，如图1所示。

(2) 工作面边界的地表裂缝呈“O”形圈分布，区段煤柱侧地表裂缝呈弧形，指向工作面内部，以拉伸裂缝为主。地表覆盖有厚土层时，区段煤柱侧地表裂缝的裂缝角较大。

(3) 大范围开采条件下，由于留设大量区段煤柱，区段煤柱侧地表裂缝发育严重，且采后不能闭合，严重破坏生态环境，需通过科学研究加以控制。

1.2 浅埋近距煤层开采地表裂缝发育特征

统计浅埋煤层群重复采动的地表裂缝发育特征见表2[18-19]。可知，重复采动后，顶部煤层开采形成的原有地表裂缝活化发育加剧，裂缝宽度增大；在上下煤层工作面斜交布置时，地表裂缝相互交错，发育严重，且区段煤柱侧地表裂缝的发育程度与上下煤层区段煤柱的错距密切相关。通过研究合理的区段煤柱错距，能有效控制地表裂缝的发育程度。

2 单一煤层开采裂缝发育规律

2.1 物理模拟实验设计

以柠条塔煤矿北翼东区1-2煤层和2-2煤层开采为背景开展研究。1-2煤层平均厚度1.84 m，2-2煤层平均厚度5 m，平均层间距35 m，区段煤柱宽度为20 m。根据NBK26号钻孔数据，1-2煤层埋深为176.6 m，基岩厚度81.9 m，松散土层厚度94.7 m。

采用1︰200相似比建立平面应力物理相似模拟模型，模型尺寸为：5 m(长)×0.2 m(宽)×1.35 m(高)，模型如图2所示。实验采用BJQF-1型裂缝测宽仪监测覆岩与地表裂缝宽度。

表1 浅埋单一煤层开采地表裂缝发育特征实例统计[11-17]

图1 不同类型地表裂缝发育情况

2.2 覆岩与地表采动裂缝发育规律

1) 工作面走向

1-2煤工作面推进至20 m，直接顶垮落；工作面推进至43 m时，工作面基本顶初次破断，顶板垮落高度为4.5 m，基岩垮落角为60°，顶板上方8.5 m处产生离层裂隙(离层量1.4 m)，如图3a所示。

4号井始建于2007年，井深643.82 m，静水位377 m，出水量近50 t/h，0～124 m为石炭系太原组、本溪组地层，经井下电视探测，孔深70m处直径478mm×9 mm井管腐蚀一洞眼，石炭系水源向井孔内喷涌，压力大，该处为丈八煤层下10 m处，形成原因为采煤后太原组地层地壳变化，地层松动，常年聚积矿坑水源通过地层裂隙再将井管外原压注的水泥压碎，腐蚀井管，形成洞眼后，污染水源下泄向井孔内，严重污染深层岩溶水源，同时携带大量的矿坑物充垫了该深井。拟采用封层封堵、清掏。

工作面推进至54 m时，基本顶初次周期破断，周期破断距为11 m，顶板上方24 m处产生离层裂隙，离层量为0.87 m，如图3b所示。

此后，工作面推进至64、78、88 m时，基本顶出现第2—4次周期性破断，顶板裂缝最大发育高度和最大离层量如图4所示。

表2 浅埋煤层群重复采动地表裂缝发育特征实例统计[18-19]

图2 物理模拟模型

图3 基本顶初次和第一次周期破断

图4 裂缝发育高度与离层量

图5 工作面倾向采动裂缝发育规律

2) 工作面倾向

工作面开采后，工作面倾向基岩垮落角为60°，土层垮落角较大，约65°，如图5所示。物理模拟中，地表集中裂缝主要位于工作面内侧，采用裂缝测宽仪对集中裂缝进行监测，边界煤柱侧地表裂缝宽度0.26 m，区段煤柱侧地表裂缝为0.22 m(图6)。

图6 单一煤层开采地表裂缝宽度

3 重复采动覆岩与地表裂缝演化规律

3.1 工作面走向

1-2煤层开采后，开采下部的2-2煤层。工作面推进10 m时，直接顶垮落；推进至56 m时，基本顶初次破断，顶板垮落高度为12.3 m，离层裂隙量为3.5 m，如图7a所示。

工作面推进至72 m，基本顶第一次周期破断，顶板垮落高度为24 m，离层量为1.6 m，如图7b所示。工作面推进至90 m，1-2煤层和2-2煤层工作面采空区垮通，1-2煤层覆岩原有裂缝活化继续向上发育，边界煤柱侧地表裂缝宽度增大，如图8所示。

3.2 覆岩与地表采动裂缝演化规律及其控制

图7 2-2煤开采基本顶初次和第一次周期破断

图8 重复采动下覆岩与地表采动裂缝活化发育

通过物理模拟揭示不同煤柱错距的采动裂缝演化规律，上下煤层区段煤柱布置如图9所示，区段煤柱侧覆岩裂缝与地表裂缝发育宽度随煤柱错距变化规律如图10和图11所示。

柠条塔煤矿1-2煤和2-2煤开采，1-2煤层埋深为176.6 m条件下，当上下区段煤柱叠置时，区段煤柱侧覆岩裂缝集中发育严重，宽度达0.81 m；当煤柱错距为20 m时，裂缝发育程度减弱，为0.45 m；错距达到40 m，比叠置时减小了72.8%后，覆岩裂缝趋于闭合，减小为0.22 m，比叠置时减小了72.8%。同样，煤柱叠置、错距20、40 m时，区段煤柱侧地表裂缝宽度分别为0.65、0.30、0.12 m，比叠置时减小了81.5%。

图9 区段煤柱布置方式

图10 不同煤柱错距覆岩与地表裂缝宽度及特征

图11 不同煤柱错距覆岩与地表裂缝演化规律

根据图11可知，区段煤柱侧覆岩和地表裂缝随煤柱错距的变化具有同步性，可同时加以控制。可见，区段煤柱侧采动集中裂缝发育程度随煤柱错距增大而逐渐减弱，错距达40 m后，采动裂缝趋于闭合。

不同区段煤柱错距，能够影响上煤柱及其覆岩沉降特征，上煤层煤柱充分沉降后，其两侧集中发育的裂缝减小或闭合，同时，区段煤柱侧地表裂缝宽度也得到有效控制。

4 基于分形理论的覆岩裂缝演化控制方法

4.1 基于分形维数的覆岩裂缝发育规律

浅埋近距煤层采动覆岩裂缝分布交错复杂、裂隙张开程度不等，分形理论是研究自然界不规则、不连续、不可微以至“支离破碎”等复杂现象的有力工具[20]，采动裂缝分布具有自相似性，采用分形理论能很好地描述采矿工程复杂的采动裂缝。

一般可采用改变粗视化程度来计算分形维数，用不同尺度(size)的方格网覆盖所研究的某段岩体裂缝分布，观测位于不同尺度网格中长度大于等于的裂缝数量()(number)，数量和尺度的分形关系为：()∝–D，将这种关系表示在双对数坐标系中，可得到log2()-log2的关系曲线，该关系为简单的线性关系，其斜率即为分形维数[21-22]。

根据前述分析可知，煤柱错距对覆岩和地表裂缝具有控制作用，本节采用分形理论进一步分析论证基于煤柱布置方式的覆岩和地表裂缝控制方法。将不同煤柱错距的覆岩裂缝素描导入Matlab中，采用Matlab中的Fraclab工具箱计算分形维数。以煤柱叠置、煤柱错距20、40、60 m为例，得到不同煤柱错距的分形维数如图12所示。

分析可知，煤柱叠置时的裂缝分形维数最大，覆岩裂缝发育最严重；随煤柱错距增大，分形维数逐渐减小，错距达到一定值时，分形维数明显减小且趋于稳定，覆岩裂缝明显减弱，与物理模拟结果一致。可见，合理确定煤柱错距能有效控制采动覆岩裂缝发育程度，柠条塔煤矿1-2煤和2-2煤开采，基于覆岩和地表裂缝控制的煤柱错距应大于40 m。

4.2 工程验证

柠条塔矿1-2煤和2-2煤开采、大柳塔矿2-2煤和5-2煤开采，不同煤柱错距下地表裂缝宽度见表3。

煤柱错距较小时，区段煤柱侧地表裂缝宽度大，随煤柱错距增大，地表裂缝宽度明显减小。煤柱布置对重复采动地表裂缝发育起控制作用，煤柱叠置加剧区段煤柱侧地表裂缝发育，当煤柱错距增大到合理值时，可减轻区段煤柱侧地表裂缝发育程度，验证了物理模拟和分形理论研究的结果。

5 结论

a.根据实测，地表裂缝可分为动态裂缝和工作面开采边界地表裂缝，开采边界地表裂缝包括切眼边界侧地表裂缝和区段煤柱侧地表裂缝。周期性的动态裂缝在开采后能实现自修复，工作面开采边界的地表裂缝不能自修复，是主要研究和控制的对象。

b.重复开采的地表裂缝发育程度加剧，区段煤柱侧地表裂缝大范围存在，且不能自修复，其发育程度与区段煤柱错距密切相关。确定合理的煤柱错距能有效控制区段煤柱侧地表裂缝发育程度。

c. 柠条塔煤矿顶部1-2煤层开采覆岩裂缝最大发育高度随工作面推进增大，开采结束后，基岩垮落角为60°，土层垮落角为65°。边界煤柱侧地表裂缝的宽度为0.26 m，区段煤柱侧地表裂缝为0.22 m。柠条塔矿1-2煤和2-2煤埋深和层间距条件下，其下部2-2煤层开采，从煤柱叠置到煤柱错距40 m时，区段煤柱侧覆岩与地表裂缝宽度分别减小了72.8%和81.5%，采动裂缝得到有效控制。

d.根据物理模拟和分形理论，浅埋近距离下煤层开采，区段煤柱错距能够影响上煤柱及其覆岩的沉降规律，上煤层煤柱充分沉降后，其两侧集中发育的裂缝随之减小或闭合，同时，区段煤柱侧地表裂缝宽度也得到有效控制，有利于地表减损。

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Regularity and control of overburden and surface fractures in shallow-contiguous seams

CAO Jian1,2, HUANG Qingxiang2

(1. Institute of Mining and Coal, Inner Mongolia University of Science and Technology, Baotou 014010, China; 2. School of Energy, Xi’an University of Science and Technology, Xi’an 710054, China)

The Shenfu-Dongsheng Coalfield in western country mainly occurs in shallow close multi-seam, and the thick loose layers on the overlying rock are distributed in a wide range. Mining in shallow-contiguous seams results in serious development of overlying rock and surface fractures, which aggravates the deterioration of the originally fragile ecological environment. In order to explore the mining-induced overburden and surface fractures development characteristics in shallow shallow-contiguous seams, and obtain its control method. Taking No.1-2seam and No.2-2seam mining in Ningtiaota Coal Mine as background, this paper obtains the development characteristics of fractures in shallow single seam mining and repeated mining through in-site statistic analysis, physical simulation and fractal theory. Besides, the control effect of pillar staggered distance to mining-induced fractures is revealed. The results show that the mining-induced surface fractures can be divided into two types, one is dynamic fractures which are parallel to the working face, and another is mining boundary surface fractures which contain open-off boundary surface fractures and pillar boundary surface fractures. The dynamic fractures can realize self-repairing after mining, while the mining boundary surface fractures can not realize self-repairing. After lower seam mining, the pillar boundary overburden and surface fractures development seriously, which are closely related to pillar staggered distance. After No.1-2seam mining, the bedrock caving angle is 60°, and the soil layer caving angle is 65°, the width of surface fracture along coal pillar, 0.26 m. After lower No.2-2seam mining, when the pillars are aligned, with pillar staggered distance of 20 m and 40 m, the width of overburden fractures are 0.81m, 0.45m and 0.22m respectively, and the width of surface fractures are 0.65m, 0.30m and 0.12m. Through determining the reasonable pillar staggered distance, development of the overburden and surface fractures can be controlled effectively. Finally, thereasonable pillar staggered distance should be greater than 40m in No.1-2and No.2-2seams mining in Ningtiaota Coal Mine.

shallow-contiguous seams; overburden mining-induced fractures; surface mining-induced fractures; pillar staggered distance

TU478

A

1001-1986(2021)04-0213-08

2020-12-14；

2021-04-30

国家自然科学基金面上项目(51674190，52074211)；西安科技大学优秀博士学位论文培育计划项目(PY18002)

曹健，1991年生，男，山西大同人，博士，讲师，从事矿山岩层控制理论与绿色开采方面的教学与研究工作. E-mail：974613979@ qq.com

曹健，黄庆享. 浅埋近距煤层开采覆岩与地表裂缝发育规律及控制[J]. 煤田地质与勘探，2021，49(4)：213–220. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.04.026

CAO Jian，HUANG Qingxiang. Regularity and control of overburden and surface fractures in shallow-contiguous seams[J]. Coal Geology & Exploration，2021，49(4)：213–220. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.04.026

(责任编辑 周建军)