浅埋缓倾斜煤层开采覆岩及地表裂缝发育规律与形成机理

谢晓深，侯恩科，龙天文，冯 栋，侯鹏飞，刘江斌，李 洋

(1.西安科技大学 地质与环境学院，陕西 西安 710054；2.陕西省煤炭绿色开发地质保障重点实验室，陕西 西安 710054；3.国家能源集团宁夏煤业有限责任公司 羊场湾煤矿，宁夏 银川 750410)

0 引 言

地下煤炭采出后势必会破坏围岩原有应力平衡，导致覆岩及地表发生移动变形，产生裂隙(缝)，在垂向上形成冒落带、裂隙带和弯曲下沉带“三带”[1-3]。其中裂隙带中的裂隙既是卸压瓦斯富集区，也是地下水漏失的主要通道，地表裂缝则是造成浅层地下水、地表水漏失的主要通道[4-6]。因此，研究掌握岩层采动裂隙和地表裂缝发育规律与机理对煤矿实现安全、绿色开采具有重要意义[7-8]。

采动覆岩裂隙演化研究方面，黄庆享等揭示近距离浅埋煤层群开采覆岩裂隙演化规律，提出煤层错距开采减轻地表损害的技术[9-10]。林海飞等揭示覆岩采动裂隙演化形态特征，得到采动覆岩破断裂隙“M”状分布以及“三阶段”演化规律[11-12]；李志梁等通过监测覆岩采动裂隙演化过程中的声发射特征，认为采动裂隙演化是一个复杂的能量释放过程[13-14]；魏宗勇等通过三维物理模拟实验揭示大采高综采覆岩裂隙演化特征[15]；秦伟博利用分形理论揭示了倾斜煤层综放开采裂隙演化特征[16]。

采动地表裂缝研究方面，侯恩科等对黄土沟壑区工作面过沟开采和风沙滩地区中深埋工作面开采地表裂缝发育规律进行详细研究，揭示顺向坡、逆向坡以及沟底平坦区域地表裂缝动态发育规律，并通过模拟实验阐明沟谷区覆岩应力演变对地表裂缝的控制机理[17-19]。LI等揭示风沙区地表裂缝“M”型发育规律，揭示双关键层运移对“M”型裂缝活动的控制机理[20]；范立民等利用分形方法，揭示工作面不同区域地表裂缝展布特征[21]；CHEN等揭示风沙滩地区地表移动变形规律，提出了地表沉陷预计方法[22]；徐祝贺等通过现场实测、数值模拟实验等方法揭示神东典型综采工作面中部地表裂缝“双周期+稳定期”的动态发育特点，利用岩块运移特征阐明动态发育机制[23]；谢晓深等揭示羊场湾煤矿缓倾斜煤层开采地表位移场与裂缝发育的关系[24]；LIU等探查地表裂缝地下形态特征，阐明塌陷型裂缝发育机理，提出地表裂缝治理标准[25]。

以上研究成果为采动覆岩及地表裂缝的深入研究奠定了基础，但成果多集中在近水平煤层开采，对缓倾斜和倾斜煤层开采覆岩裂隙、地表裂缝演化的研究较少，特别是对缓倾斜煤层开采地表裂缝动态发育规律和活动机理的研究不足，无法为缓倾斜煤层开采地面塌陷预防工作提供科学指导。以宁夏羊场湾煤矿缓倾斜煤层综采工作面为研究对象，通过相似材料模拟和数值模拟揭示浅埋缓倾斜煤层开采覆岩及地表裂隙(缝)发育规律和形成机理，以期为地面塌陷治理和生态修复提供科学依据。

1 地质特征

110207综采工作面位于羊场湾煤矿北部边界处，走向长1 096 m，倾向长190～232 m，在距切眼约400 m处倾向长由190 m变为232 m(图1)。工作面以一次性采全高的方式回采2煤层。

图1 工作面开采参数Fig.1 Mining parameters of working face

工作面内2煤层位于侏罗系延安组第IV段，煤层厚度5.84～7.20 m，平均采厚5.8 m，采深80.8～142.8 m；煤层向东南方向倾斜即由工作面风巷向工作面机巷倾斜，倾角10°～13°，平均11.5°。2煤层之上为延安组和直罗组地层，以粗砂岩、中砂岩为主，夹少量泥岩。地表被次生的黄土和亚沙土覆盖，厚度较薄，平均14 m左右(图2)。

图2 面内1503钻孔地层结构Fig.2 Formation structure of Borehole 1503 in working face

2 地表裂缝类型及展布规律

为清楚掌握采动地表裂缝发育规律，采用无人机航拍和人工填图2种方法对110207工作面采后地表裂缝进行了调查。按照地表裂缝空间展布与回采方向的关系分为垂直回采方向裂缝和平行回采方向裂缝2类(图3(a))。

垂直回采方向裂缝主要发育于面内和切眼、停采线附近，相邻2条裂缝平行间隔展布，间隔距离10～120 m。裂缝呈直线形或者弧形形态，弯曲朝向切眼。裂缝宽度最大约150 cm；裂缝落差大部分在15 cm左右。裂缝间隔距离的异常扩大是回采时间和调查时间相隔较长，裂缝被填埋且填埋痕迹消失造成的，但在一定程度上仍能反映地表裂缝沿走向方向的展布特征。

平行回采方向裂缝主要发育在工作面顺槽边界外侧，裂缝延展长度较长，宽度较大，在垂向上具有落差，小型坡顶上方落差超过100 cm；裂缝形态呈线状和弧状，弯曲朝向采空区。工作面回风巷道侧(上山方向)最远处裂缝距边界约37 m，工作面机巷侧(下山方向)最远处裂缝距边界约54 m(图3(b))。

图3 地表裂缝发育特征Fig.3 Development characteristics of surface cracks

3 采动覆岩及地表裂缝动态发育规律

3.1 相似材料模拟设计

以1503钻孔揭露的地质资料和地形条件为基础，结合岩石物理力学参数，采用平面应力模型，构建了110207工作面相似材料模型(图4(a))。煤系地层结构及岩石力学参数见表1。

表1 地层物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of stratum

根据相似条件和岩石物理力学参数，确定了相似材料模拟配比。模型尺寸2.0 m×0.2 m×0.5 m(长×宽×高)，模型几何相似比为1∶200，相似材料为沙，石膏，大白粉等。利用云母粉模拟层间层理和人工节理裂隙。模型正面点缀散斑，用于监测采煤过程中覆岩应变演化特征，顶部布设了18个监测点，监测地表下沉(图4(b))。

图4 相似材料模拟模型Fig.4 Analogue material simulation model

模型风干稳定后，由A点向A′点开挖，切眼侧留有40 m煤柱，每次开挖20 m，共开挖17步。

3.2 采动覆岩垮落及裂隙发育规律

为消除模型正面散斑对覆岩移动破坏特征的影响，对模型反面的覆岩运移特征进行监测，揭示覆岩垮落和裂隙演化规律。

3.2.1覆岩垮落规律

2煤开采后上覆岩体开始受到扰动发生弯曲下沉，当弯曲程度超过覆岩极限后，岩体开始断裂并发生垮落(图5)。

图5 覆岩垮落演化特征Fig.5 Development characteristics of overburden caving

当工作面推进60 m时，顶板发生初次垮落，垮落体高度2 m，长度44 m，岩体垮落高度8 m(图5(a))。当工作面推进80 m时，顶板再次发生垮落，岩体垮落高度增加至25 m，岩层垮落角在切眼处为60°，煤壁处63°(图5(b))。随着工作面推进至90 m位置，上覆岩体在自重作用下再次垮落，垮落带高度为28 m，其上方发育悬空高度8 m的离层空间；基本顶悬空形成悬臂，对正上方岩体仍具有支撑作用。煤壁处岩层垮落角为61°(图5(c))。当工作面推进100 m，前一步形成悬臂发生断裂，与垮落后的岩体形成铰接岩梁结构。垮落高度增加至32 m，导水裂隙带发育高度为40 m。切眼处岩层垮落角是61°，煤壁处42°(图5(d))。当工作面推进180 m时，上覆岩层发生整体性下沉，工作面达到充分采动，覆岩垮落带高度约34 m，切眼处竖向裂隙导通地表，裂隙带发育高度约94 m(图5(e))。

从上述覆岩垮落特征可知，110207工作面岩体垮落是以悬臂梁和铰接岩梁的形式交替向前扩展，即随着工作面推进，前方岩体发生“悬臂—断裂—铰接—垮落回转—稳定”的重复性破断活动。工作面开采共记录发生13次顶板垮落，顶板初次垮落步距为60 m，周期性垮落步距为10～32 m，平均21.6 m。

3.2.2 覆岩裂隙发育规律

离层裂隙由相邻岩体不均匀弯曲下沉形成，主要发育在面内采空区上方，是裂隙带向上扩展的主要形式。离层裂隙宽度具有“产生—增大—减小—闭合”的演化规律(图5(a)～图5(d))。当离层裂隙与竖向裂隙相互贯通后，导水裂隙带高度随之增加。

导水裂隙带发育高度是表征导水裂隙带发育规律的基本参数。110207工作面垮落带和导水裂隙带发育具有明显的规律性(图6)。开采前期垮落带和导水裂隙带发育高度具有明显的递增性，当工作面推采至140 m时，垮落带高度发育至最大，为34 m；当工作面推采至180 m时，切眼处覆岩竖向裂隙与地表裂缝贯通，导水裂隙带发育至地表，高度为94 m。采空区中部离层裂隙发育高度高，覆岩竖向裂隙发育高度较低，两者并未全部贯通，只在局部位置存在贯通现象。

图6 导水裂隙带发育规律Fig.6 Development law of water-conducting fissure zone

3.3 采动地表裂缝动态发育规律

3.3.1 地表裂缝静态发育规律

对110207工作面模型开挖过程中出现的地表裂缝位置及信息特征进行记录，110207工作面开采过程中地表共出现8条裂缝，裂缝平行展布，间距8.0～72.0 m，多为弯曲状裂缝。裂缝发育稳定后，宽度0～40.0 cm，平均为11.0 cm(表2、图7)。

表2 地表裂缝发育位置及宽度Table 2 Development location and width of surface cracks

图7 地表裂缝静态发育特征Fig.7 Static development characteristics of surface cracks

3.3.2 地表裂缝动态发育规律

由于地表裂缝调查是工作面回采结束后进行的，缺乏地表裂缝动态发育实测数据，因此，借助相似材料模拟实验结果说明地表裂缝动态发育规律。从模型开采过程中地表裂缝发育特征可以看出，沿工作面走向方向地表裂缝具有动态发育特征，即随着工作面的回采不断产生、发育。裂缝整体滞后回采位置发育，滞后距6.0～120.0 m，平均44.6 m(表3)。

表3 地表裂缝动态发育特征Table 3 Dynamic development characteristics of surface cracks

3.3.3 地表裂缝宽度动态变化规律

(三)语义的规范性。语义的规范性主要是指在语言的发展过程中,其语义应符合社会风范、社会道德、词语要健康文明等原则。网络是一个开放的世界，人们随心所欲, 因此为了表达畅快, 不惜用一些语义不健康, 不文明的词语, 如“我勒个去”、“靠”(一种不文明的骂人的话, 类似与“操”)等。这样的词虽使用起来简单、便利, 表达起来痛快, 但这是一种极不文明的言语行为。曹德和先生指出:“在现代汉语词汇系统中, 除了‘不快语’以外, 还充斥着许多污言秽语, 这些垃圾自然应予清除。事实说明, 伦理原则亦适用于语言的规范……”④ 据此, “我勒个去”、“靠”等一类污秽词语将是不能进入现代汉语词汇系统中的。

模拟开采过程中出现的8条裂缝表现出3种动态变化特征，分别是“只开不合”型、“先开后合再开”型和“先开后合”型(图8)。

图8 地表裂缝宽度动态变化Fig.8 Activity characteristics of surface cracks width

“只开不合”型裂缝活动主要出现在开采边界附近，裂缝宽度表现出持续增大至稳定的变化特征，比如裂缝L1和裂缝L8；“先开后合再开”型裂缝活动主要出现在工作面内，裂缝宽度表现出“先增大后减小再增大”的变化特征，如裂缝L2；“先开后合”型裂缝活动则普遍出现在工作面内，裂缝宽度表现出“先增大后减小”的特征。如裂缝L3，L4，L5，L6和L7。

裂缝动态变化过程中裂缝最大宽度是初始宽度的1～5倍，平均为2.6倍，裂缝稳定宽度是初始宽度的0.4～2.0倍，平均为0.85倍(图9)。

图9 地表裂缝宽度对比分析Fig.9 Comparison of surface crack width

4 采动地表裂缝形成机理

4.1 地表裂缝动态发育机理

4.1.1 地表裂缝静态发育机理

工作面开采过程中地表裂缝沿走向方向平行间隔展布，间隔距离8.0～72.0 m，平均37.14 m。统计分析发现，71.4%的裂缝间距数据与基本顶周期垮落步距基本一致，表明工作面走向地表裂缝展布与基本顶周期垮落密切相关。

110207工作面FLAC3D数值模拟结果显示，工作面顺槽边界两侧为拉张塑性破坏区，表明倾向方向上的平行顺槽裂缝均由拉张作用产生(图10(a))。倾向上煤层倾斜导致地表水平移动呈现非对称偏移特征。工作面回风巷道附近(上山边界)地表水平移动量最大为542.0 mm，最大水平变形20.44 mm/m；工作面机巷处(下山边界)最大为-788.45 mm，其外侧40 m的位置水平变形值最大，为27.71 mm/m(图10(b))。统计分析发现，工作面回风巷道和工作面机巷附近水平变形>1.0 mm/m的范围分别是40 m和60 m，机巷>回风巷道。表明工作面机巷一侧达到裂缝发育临界水平变形的范围即裂缝发育范围要大于工作面回风巷道一侧，与裂缝发育范围实际观测结果基本一致。

图10 覆岩塑性破坏特征及地表水平移动变形Fig.10 Plastic failure characteristics of overlying rock and horizontal movement and deformation of surface

分析认为煤层倾斜导致了地表下沉和水平移动向下山方向偏移和增大，继而造成了工作面倾向开采边界地表裂缝的非对称性展布。

4.1.2 地表裂缝动态发育机理

走向上地表裂缝随回采向前动态发育是“覆岩-地表”耦合联动的结果。上覆岩层的周期性垮落导致了地表下沉盆地的动态发育，地表移动变形范围和下沉曲线随回采不断向前扩展(图11)，当地表水平变形量超过表土体极限时，就会产生裂缝。因此走向上地表裂缝表现出随回采向前动态发育的特征。

图11 地表下沉规律Fig.11 Subsidence law of surface

4.2 地表裂缝宽度动态变化机理

4.2.1 “只开不合”型动态变化机理

以模拟实验过程中出现的裂缝L1为研究对象，从覆岩运移及地表移动变形2个角度阐述“只开不合”型裂缝宽度动态变化机理。根据实验结果，裂缝L1为切眼处边界裂缝且与覆岩竖向裂隙贯通。裂缝L1是由前方块体2破断形成的，在整个开挖周期内，岩块2始终处于拉伸状态，向采空区倾斜未发生回转(图12)。因此，裂缝L1宽度持续增大至稳定，没有减小过程。

图12 地表裂缝L1剖面形态及结构演化Fig.12 Morphology and structural evolution of Surface Crack L1

从地表移动变形的角度分析，裂缝L1位于地表下沉盆地边缘，与地表测点3位置重合。模型整个开挖周期内测点2与测点3以及测点3和测点4之间地表倾斜值始终为负，且后者远大于前者，表明测点3处的地表土体始终逆回采方向倾斜，没有倒转。此外，从图中还可以看出工作面推采160 m时裂缝L1开始发育，此时测点3的曲率为-5.3×10-3m，表明该值是边界裂缝发育的临界曲率。至模型开挖结束测点3的曲率维持在-5.23×10-3～-5.83×10-3m，说明开采过程中测点3弯曲程度始终大于裂缝L1发育时的地表弯曲程度，地表始终处于拉伸变形，无“拉伸-压缩”的转变(图13)。故裂缝L1宽度呈现出“持续增大至稳定”的变化过程。

图13 开挖过程中裂缝L1处测点3倾斜值及曲率值Fig.13 Incline values and curvature values of Point 3 during excavation

4.2.2 “先开后合再开”型动态变化机理

裂缝L2出现“先开后合再开”型活动与其两侧地表差异性下沉造成的土体运移有关。从地表下沉曲线可以看出，开采过程中地表下沉曲线逐渐由“单峰”形态转变为“W”形，峰值分别位于测点4(距切眼60 m处)和测点10(距切眼200 m处)上。裂缝L2发育位置与测点6的位置基本重合即距离切眼100 m。

当模型推采160 m时，地表最大下沉点位于测点4位置，测点5～6之间土体向下沉盆地中心倾斜，拉张作用致使裂缝L2于测点6处发育，裂缝宽度增大(图14)。

图14 地表裂缝宽度动态变化机理Fig.14 Activity mechanism of surface crack width

当模型推采至200 m时，测点5～6之间的地表土体倾斜值由34.5 mm/m减小至23 mm/m，土体发生回转，而此时测点6～7之间的土体在拉张作用下发生逆回采方向倾斜，倾斜值增大。因此，裂缝L2在2块土体的挤压作用下逐渐弥合，裂缝宽度减小。

当模型推采至240 m时，测点5～6之间的土体又发生了逆回采方向的转动，倾斜值增大，而测点6～7之间的土体倾斜值减小，发生顺回采方向的转动，但此时仍是逆回采方向倾斜，因此裂缝L2宽度在2块土体的拉张作用下开始增大。

当模型开采至320 m，地表“W”型下沉已经成型，测点5～6之间土体逆回采方向倾斜基本稳定，而测点6～7之间的土体则在第2个地表下沉峰值的影响下顺回采方向倾斜，再次加大了裂缝L2宽度，直至稳定。

4.2.3 “先开后合”型动态变化机理

以发育位置基本与测点7重合的L3为研究对象，阐述“先开后合”型地表裂缝宽度动态变化机理。裂缝L3活动受测点6～7和测点7～8之间的岩土体运移控制。当模型推采至200 m时，测点6～7之间的岩体正处于逆回采方向的倾斜运动中，倾斜值为35 mm/m，测点7～8之间的土体同样发生逆回采方向的倾斜运动，倾斜值为11 mm/m，两者之间的差异性倾斜导致了裂缝L3的发育。当模型推采至240 m时，测点6～7之间的土体发生顺回采方向的回转，倾斜值为3 mm/m，仍逆回采方向倾斜。测点7～8之间的土体同样发生顺回采方向的回转，倾斜值为0 mm/m。因此，裂缝L3在测点6～7之间土体回转挤压力的作用下逐渐弥合，宽度减小。而后，当模型推采至320 m时，测点6～7和测点7～8之间的土体均顺回采方向倾斜，两者倾斜值分别是-2 mm/m和-5 mm/m，没有造成裂缝L3发生二次开裂。

5 结 论

1)浅埋缓倾斜煤层开采诱发的地表裂缝表现特征明显。面内垂直回采方向的裂缝呈直线形或者弧形平行间隔展布；平行回采方向裂缝发育在工作面顺槽边界两侧，且工作面机巷侧(下山方向)裂缝发育范围大于工作面回风巷侧(上山方向)。

2)工作面顶板以悬臂梁和铰接岩梁交替出现的形式扩展，重复发生“悬臂—断裂—铰接—垮落回转—稳定”的破断活动；工作面初次垮落步距为60 m，周期性垮落步距10～32 m，平均为21.6 m。覆岩内部有离层裂隙和竖向裂隙2类，前者随回采展现出“产生—增大—减小—闭合”的演化规律；当2种裂隙相互贯通后导水裂隙带高度增加。

3)地表裂缝具有动态发育和宽度动态变化2种动态规律。边界裂缝宽度动态变化规律为“只开不合”型，面内裂缝宽度动态变化类型为“先开后合再开”和“先开后合”2种。覆岩运移无倒转、地表无“拉伸-压缩”变形转换是导致“只开不合”型活动的主因；地表“W”型下沉变化导致的岩土体的复杂运移是面内裂缝发生“先开后合再开”和“先开后合”活动的根本。

4)地表裂缝动态发育是覆岩周期性破断引起地表动态下沉造成的。煤层倾斜导致工作面机巷侧水平移动变大和偏移是致使工作面机巷外侧裂缝发育范围大于工作面回风巷一侧的主要原因。