煤矿工作中地表裂缝的成因与防治

＊杜 江

（晋能控股煤业集团煤峪口矿 山西 037000）

引言

煤矿工作中，最主要的工作内容便是对煤炭资源的合理开发与利用，然而在煤炭资源十分紧缺的形势下，煤矿开采的难度也逐渐增大。现阶段的煤矿开采工作多以地下开采为主，很少有矿区适合采取露天开采措施，这无疑会加大煤矿开采的危险系数。虽然目前的煤矿开采中已经逐步实现了自动化，但还有部分工作内容是机械技术无法取代的，这意味着开采人员的人身安全将受到一定威胁。其中地表裂缝问题较为常发，对开采作业安全性的影响也较大。因此，对地表裂缝的防治策略展开研究极为必要。

1.地表裂缝的类型及成因

煤矿开采的过程中，开采作业对土层结构会产生较大的扰动影响，地层结构在外力破坏下很容易打破原有的平衡，致使在多方应力发生改变的情况下产生地表裂缝的问题。总结前期的煤矿开采经验，可将地表裂缝细分为拉伸裂缝、挤压裂缝和塌陷裂缝三种类型，其中拉伸裂缝和挤压裂缝的成因相似，均与岩体应力相关，而塌陷裂缝则不同。根据裂缝成因的不同需要采取特定的防治措施，现就三种地表裂缝的成因进行分别阐述，为后续的防治工作奠定一定的基础。

(1)拉伸、挤压型裂缝的成因

拉伸裂缝指的是，由于地表拉应力大于地表结构承受范围拉裂形成的一类裂缝，一般会分布于地表变形较为严重的区域，且分布较为密集，但宽度小，发育也较为迟缓，不会产生台阶（见图1）。挤压裂缝则是指，由于地表被压缩，且其压缩值超出地表结构的抗挤压能力的情况下所产生的地表开裂和隆起现象。挤压裂缝会随着开采工作的进行而缓慢发育，通常会在地表出现隆起，且缝隙较小（见图2）。

图1 拉伸型裂缝

图2 挤压型裂缝

主要成因：通过对开采区域应力分布状况的分析可以得出，在采空区上部的土层结构需要同时受到两种应力影响，分别为拉应力和压应力。一般在采空区的正上方主要受到压应力影响，根据采空区的结构特点，通常会在局部产生挤压作应力，形成挤压裂缝。而在煤柱区域分布的应力则以拉应力为主，发生拉伸裂缝的几率较大。随着煤矿开采工作的推进，会在矿区内形成较大的采空区，由于下方的煤炭被采出，采空区下部因缺少结构支撑将发生沉降反应，此时则会在地表形成两个变形区，分别受压力和拉力影响，产生拉伸变形区和压缩变形区，我们将变形区的拐点位置称之为分界点。煤矿开采的整个过程，拉伸裂缝和挤压裂缝均会在其固有的区域内持续发育，当拉应力加大或者挤压力增大的情况下，变化产生较为集中和明显的地表裂缝，不仅威胁煤矿生产安全，还影响区域生态环境。

(2)塌陷裂缝的成因

塌陷裂缝是指，在开采过程中由于地层结构被不断破坏，导致地面塌陷所引发的裂缝问题，通常裂缝的发育与开采作业进程相关，随着开采工作的深入，塌陷裂缝的宽度会快速发育，形成深度和宽度较大的地表裂缝。

图3 塌陷型裂缝

主要成因：塌陷裂缝与煤矿采空区的面积相关，采空区的面积越大，塌陷程度越严重，所产生的裂缝也会呈现出深度大和宽度大的特性。当地表土层发生破断后，便会引发地表塌陷问题，在塌陷区域产生集中分布的裂缝。

2.煤矿工作中地表裂缝的防治

地表裂缝防治的主要目标是降低地表裂缝问题的发生率，减少因地表裂缝所引发的生产安全事件。结合地表裂缝的成因，需要采取如下几点防治措施。

(1)做好矿区地表观测

在煤矿开采之前，对矿区的土质状况以及地层分布特点进行全面勘察，结合勘察结果确定区域内的重点观测区，即对于地层结构中岩体结构较弱的部分进行重点观测，在其中设置多个观测点，及时探查地表移动状况。随着开采深度的加大，地表会出现明显的移动现象，当其移动值超出规范值之后便会形成地表塌陷，从而引发裂缝。因此，在观测地表移动状况的同时，应根据观测数据及时采取结构加固措施，防治地表裂缝问题的发生。

(2)采取边开采边填充的作业手段

地表裂缝问题集中发生在采空区，由于下部被采空，缺少支撑而出现地面塌陷裂缝的案例数不胜数，目前较为有效的防治手段为采取边开采边填充的作业方法，即在采取分段开采的手段，开采完一段并将煤渣运出后，便可将开采过程中产生的石渣以及固体废弃物填回采空区域，并进行夯实处理，使其能够起到良好的支撑作用，对采空区上部土层结构的稳定性加以保护。将碎石以及砂砾等填充至采空区，还可减少上层压应力对顶板结构的破坏影响，控制覆岩的下沉现象，从而维系地表结构的稳定性。此外，该种作业方式也能在一定程度上保障井下作业的安全性，尤其可以保护开采人员的人身安全。

(3)根据地表裂缝机理设计开采方案

煤层开采时对于地表结构的扰动影响是诱发地表塌陷问题的关键性因素，为能达成防治地表裂缝的目标，需要结合地表裂缝的机理对于开采方案进行科学设计。主要内容包括对开采面的合理布置与划分；对地面的有效保护措施；对应力集中现象的合理控制等。此外，还应根据各类地表裂缝的分布特征制定科学可行的防治预案，尽可能将地表裂缝问题控制在萌芽阶段，降低地表裂缝对煤矿开采作业的影响。

(4)观测岩层变化规律

岩层的变动过程十分复杂，它不仅受地质条件本身的影响，还受到诸多外部因素的影响。对于岩层变动规律的分析可以为地表裂缝提供一定的参考，使其成功预测地表塌陷问题，并结合以往的地表塌陷表现制定出合理的防治措施。因此，在进行煤矿开采的同时，也需加强对岩层变动的重视，采取有效的观测手段对岩层变化现象进行具体分析，最终总结出岩层变化的规律，确保为地表裂缝防治工作奠定良好的基础。

3.结束语

上文针对地表裂缝类型以及成因进行了分别阐述，通过对地表裂缝成因的分析可以发现，其同时受到开采作用力的影响和地质构造本身的影响，当受到外力作用致使原本平衡的应力分布被打破后，便会影响地层结构的稳定性，进而引发地表裂缝。因此，在对地表裂缝问题进行防治时，也需结合其成因，对开采作业方法进行科学选择与科学设计，尽可能降低对地层结构的扰动影响，且对于采空区这种地表裂缝集中发生的区域需要进行重点观测，在开采完成后及时填充，保障上层结构的稳定性。