浅埋煤层开采地面塌陷裂缝规律及防治方法

侯恩科，谢晓深，冯 栋，陈秋计，车晓阳，侯鹏飞

(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.西安科技大学 测绘科学与技术学院，陕西 西安 710054；4.西安科技大学安全科学与工程学院，陕西 西安 710054)

地下煤炭开采势必会打破覆岩及地表原有应力平衡，破坏岩土层原有结构的完整性，造成覆岩垮落和地表开裂，进而损害煤矿区地质环境[1-3]。榆神府矿区是陕北煤炭基地重要的原煤生产区，赋煤面积约27 140 km2，构造简单，开采规模大，强度高。区内大规模、高强度开采诱发了大量地质灾害，地面塌陷问题尤为严重[4]。区内东北部浅埋区煤层采高大，其诱发的地面塌陷不仅损毁了大量土地，加重了水土流失，使得表生环境恶化，严重时还会造成溃水、漏风威胁井下生产安全[5]。

为实现煤矿区“煤-水-生态”的协调发展和修复塌陷区生态环境，许多学者对采煤地面塌陷进行了研究。钱鸣高等[6]阐述了煤炭开采与岩层运动的关系，分析了岩层移动对地表沉陷类型的影响；王双明等[7]对西部中深部煤层开采地表裂缝平面和垂向深度特征进行了剖析，揭示其对表生环境的影响并构建减损开采技术体系。胡振琪等[8]对风积沙区地表裂缝动态发育特征进行细致研究，揭示了地表裂缝超前发育特征和“M”型动态规律，而Xu Yuankun 等[9]根据相似材料模拟实验给出了“M”型裂缝的变化机理。侯恩科等[10-12]利用无人机航拍技术揭示了工作面地表裂缝展布特征并提出了基于无人机航拍的沉陷计算方法，并在后续研究中揭示了地表裂缝垂向剖面特征及动态发育规律。胡振琪等[13]提出了煤矿塌陷区自修复和自然修复的理念。刘辉等[14]根据地表裂缝规律和形成机理给出了地表裂缝治理标准，并提出了超高水材料治理裂缝的方法。胡海峰等[15]归纳总结了山西黄土丘陵沉陷区生态环境破坏特征与修复技术。以上研究成果为地面塌陷规律、机理以及治理提供了坚实的理论支撑，但尚未全面揭示浅埋煤层开采地面塌陷裂缝规律及机理，特别是裂缝动态发育规律和活动机理。

笔者以陕西榆神府矿区内柠条塔井田和张家峁井田为研究区，以地面塌陷裂缝为研究对象，采用实地调查、相似材料模拟实验和理论分析相结合的方法，研究了浅埋煤层开采地表裂缝静态、动态发育规律，揭示黄土沟壑区采动“覆岩-地表”运移过程和不同位置地表裂缝活动机理，提出了适宜的地表裂缝治理措施，以期为浅埋煤层开采地面塌陷防治和生态环境修复提供理论指导与技术参考。

1 研究区开采地质条件概况

研究区位于毛乌素沙漠东南缘，榆神府矿区东北部，包括张家峁和柠条塔2 个井田(图1)。

图1 研究区位置Fig.1 Location map of study area

区内地貌单元以风沙滩地和黄土沟壑为主，地形高差较大，区域地层隶属华北地层区鄂尔多斯地层分区，由下至上钻孔揭露地层为三叠系上统永坪组(T3y)、侏罗系下统富县组(J1f)、中统延安组(J2y)、直罗组(J2z)、安定组(J2a)、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)和马兰组(Q3m)，全新统风积沙和冲积层，其中安定组(J2a)和马兰组(Q3m)在张家峁井田内缺失，富县组(J1f)地层在柠条塔井田内缺失。张家峁煤矿目前正在开采延安组2-2煤层、4-2煤层和5-2煤层，柠条塔煤矿目前正在开采延安组1-2煤层和2-2煤层。两矿相邻，目前回采煤层采深一般小于200 m，裂采比基本一致，为27。依据区内工作面实际开采情况，分别选取柠条塔井田北翼N1212 工作面、南翼的S1230 工作面、S12002 工作面和S12013 工作面以及张家峁井田的14209 工作面和15209 工作面进行地表裂缝调查。工作面基本参数见表1。

表1 工作面开采条件与裂缝宽度分区占比数据Table 1 Ratio data of mining conditions of working faces and widths of fracture zone

2 采煤地表裂缝发育规律与机理

2.1 发育规律

2.1.1 发育类型及组合方式

研究区地表裂缝发育类型主要包括拉张裂缝、挤压隆起和台阶裂缝3 类。拉张裂缝由拉张作用产生，呈直线或弧线展布，裂缝两侧平直且无落差，一般发育在平坦地形区(图2a)。挤压隆起是地表受到挤压形成的线状隆起，多发育于山间平台和坡脚处(图2b)；台阶裂缝是两侧土体不均匀沉降造成的，两侧土体有垂直高度落差(图2c)，于黄土沟壑区普遍发育。地表裂缝组合有平行并列组合、塌陷槽和交叉组合3 类(图2d-图2f)，其中，交叉组合由2 条延展方向不同的裂缝斜交构成，多发育于上、下工作面斜交布置的叠置开采区。

图2 地表裂缝类型及组合方式Fig.2 Types and combination modes of surface cracks

2.1.2 静态发育规律

1) 展布特征

通过对研究区典型工作面地表裂缝进行填图发现：风沙滩地区与黄土沟壑区地表裂缝平面展布规律基本一致，地表裂缝发育范围大于工作面开采范围，其中走向裂缝角76.5°～82.4°，平均78.0°，倾向裂缝角67.7°～81.5°，平均为76.7°；地表裂缝类型多样，面内发育有大量台阶状裂缝，部分区域有塌陷槽，终采线及切眼外侧以拉张型裂缝为主。

按照地表裂缝空间分布特征将其分为面内裂缝和边界裂缝(包括切眼裂缝、巷道裂缝和终采线裂缝)两类。面内裂缝以平行并列的组合方式间隔展布在面内，主裂缝间隔距离8～15 m，一般小于工作面周期来压步距，裂缝在走向中心线位置宽度和错台高度最大，随两侧延展逐渐变小。边界裂缝围绕工作面开采边界发育，一般呈直线形，在开采边界的连接处呈弧形。边界裂缝宽度大，台阶落差明显，其与面内裂缝一起构成了工作面地表裂缝 “O”型展布形态(图3)。

图3 地表裂缝平面展布特征Fig.3 Plane distribution characteristics of surface cracks

2) 静态特征与开采条件的关系

表1 是工作面开采条件和裂缝宽度分区占比数据。对比分析发现，地表裂缝静态发育特征(以裂缝宽度为研究对象)与开采条件关系密切。地表裂缝静态发育特征与采高呈正相关关系(S1230 面和S12002 面对比)；与采深呈负相关关系(N1212 面和15209 面对比)；当采高、采深条件相似时，黄土沟壑区地表裂缝静态特征更明显，发育程度更高(N1212 面和S12002 面对比)；当工作面开采方式不同时，N00 工法可以较显著地降低地表裂缝发育特征(S12013 面和S12002 面比较)。

对S1230 工作面不同位置(切眼、巷道和面内)的地表裂缝宽度占比统计分析发现，地表裂缝在0～5 cm宽度区间时，工作面内地表裂缝占比最多，巷道地表裂缝占比最少；当地表裂缝在5～10 cm 和15～20 cm 宽度区间时，巷道地表裂缝占比最多，切眼地表裂缝占比最少；当地表裂缝在大于20 cm 宽度区间时切眼地表裂缝占比最多，巷道地表裂缝占比最少(图4)。因此，对于同一工作面而言，地表裂缝静态特征明显程度由高至低为：切眼、巷道和面内。

图4 S1230 工作面不同位置地表裂缝宽度占比Fig.4 Ratio of surface crack width of working face S1230

2.1.3 动态发育规律

一般认为地表裂缝动态发育规律包括动态扩展和裂缝活动2 方面。对柠条塔煤矿北翼黄土沟壑区N1212工作面和南翼风沙滩地区S12013 工作面的地表裂缝进行动态跟踪调查。调查结果显示两工作面上方地表裂缝均超前工作面回采位置扩展，黄土沟壑区地表裂缝超前距8.0～30.0 m，风沙滩地区地表裂缝超前距11.8～43.5 m，平均30.8 m。地表裂缝表现出“只开不合”和“先开后(半)合”的活动特征。边界裂缝、面内坡顶裂缝和下坡段坡体裂缝表现出“只开不合”的活动特征，即裂缝宽度随工作面推采呈现“开裂-增大-稳定”的动态变化特征；面内坡脚裂缝、沟底裂缝和上坡段坡体裂缝主要表现“先开后合”的活动特征即裂缝宽度随推采呈现“开裂-增大-减小-稳定”的变化，黄土沟壑区裂缝活动时间为4～9 d(图5a)，风沙滩地区地表裂缝活动时间6～9 d(图5b)。地表裂缝“先开后(半)合”的活动由“活动上升阶段”“活动稳定阶段”和“活动下降阶段”构成，且风沙滩地区地表裂缝“活动稳定阶段”时长明显大于黄土沟壑区，一般是后者的2 倍左右(图5)，间接说明风沙滩地区的风积沙层对开采扰动的削弱能力更强。

图5 不同区域部分地表裂缝活动特征Fig.5 Characteristics of surface fracture activity

N1212 工作面(黄土沟壑)和S12013 工作面(风沙滩地)地表裂缝活动过程中其宽度具有明显的变化规律。裂缝活动期间初始开裂宽度、最大发育宽度和稳定宽度的数据拟合结果显示：活动期间裂缝初始开裂宽度与最大发育宽度存在正相关线性关系；初始开裂宽度与活动结束后的稳定宽度存在正相关线性关系和正相关的指数函数关系(图6)。

图6 活动期间裂缝宽度变化规律Fig.6 Variation law of crack width during activity

2.2 采煤地表裂缝形成及活动机理

2.2.1 地表裂缝形成过程模拟

地表裂缝是“覆岩-地表”耦合运移的产物，其形成过程与上覆岩体运移(破断、垮落)和表土移动变形密切相关。相较于风沙滩地区，黄土沟壑区浅埋煤层开采覆岩及地表移动特征更为复杂，因此，笔者以陕北黄土沟壑区浅埋煤层开采为研究对象，通过相似材料模拟实验模拟地表裂缝形成过程，揭示采动覆岩垮落及地表裂缝发育特征。

1) 相似材料模拟模型的构建

利用河沙、大白粉、碳酸钙、石膏和云母等材料构建了黄土沟壑区浅埋厚煤层开采相似材料模拟模型(图7)，模型采用1∶100 的几何相似比搭建，设计尺寸长×宽×高为400 cm×20 cm×101 cm。模拟开采4-2煤层，采高3.7 cm(实际为3.7 m)，模型左右两侧各留设30 cm 煤柱，由左向右开采，走向开采长度 340 cm(实际长340 m)。

图7 相似材料模拟模型Fig.7 Similar material simulation model

2) 采动覆岩垮落特征

模型开采过程中先后经历了“下坡开采”“沟底开采”和“上坡开采”3 个阶段。下坡开采阶段位于开采初期，工作面尚未达到充分采动，上覆岩体不断受到开采扰动，破坏高度逐渐升高(图8a)，走向上覆岩以“悬臂-铰接-垮落-稳定”的形式发生周期性垮落，垂向上以横向离层裂隙和竖向裂隙组合的形式向上扩展。当工作面推采至沟底平坦区时，推采长度超过1.5H(H为平均采深)，达到充分采动，上覆岩体出现整体性下沉，覆岩破坏高度发育至地表。沟底开采阶段上覆岩体破断以下位“斜台阶岩梁”和上位“砌体梁”的结构不断演化，地表裂缝与覆岩内部裂隙发生贯通，形成贯通型裂缝(图8b)。下坡开采阶段，工作面已经达到超充分采动，覆岩破坏高度直接导通地表，覆岩及地表的整体下沉导致相邻贯通型裂缝之间组合形成斜型体(图8c)。斜型体的顶点是裂缝发育位置，底端与水平方向的夹角近似等于岩块破断角。高位破断裂缝发育明显，形态、宽度等明显强于低位破断裂缝。当工作面回采结束后，上覆岩层发育垮落带和导水裂隙带，不存在弯曲下沉带，整体形态呈向内收敛的“梯形”，符合应力平衡拱展布特点。切眼和终采线内侧岩体呈铰接结构，表现出拉张特性。采空区上方岩体为压实区，形成稳定的砌体结构(图9)。

图8 采动覆岩垮落及结构特征Fig.8 Caving and structural characteristics of mining overlying strata

图9 开采结束覆岩及地表破坏特征Fig.9 Characteristics of overburden and surface failure at the end of mining

3) 采动地表裂缝发育特征

根据工作面实际调查情况和相似材料模拟结果，黄土沟壑区地表裂缝发育具有明显的横向分区特征。就斜坡体而言，由坡顶至坡脚裂缝整体发育类型有“拉张型-滑动型-挤压隆起”的变化且裂缝表现特征由强变弱。这一横向现象表明坡顶地表裂缝由拉张作用形成，坡体裂缝是拉张和滑移双重作用形成，而坡脚裂缝则是坡体滑移导致的挤压作用和覆岩垮落后采空区上方岩体挤压双重因素导致的。此外，地表裂缝均与覆岩内部裂隙贯通形成贯通裂缝，表明裂缝活动与下伏关键岩层的垮落、破断密切相关。

2.2.2 采煤地表裂缝活动机理

1) 边界裂缝

从连续性变形和破断块体运移的角度来看，走向主断面地表下沉盆地可分为拉伸区、拉-压转化区和压缩区3 个区域(图10)。拉伸区分布在开采边界附近，是拉张裂缝的集中发育区，区内地表随工作面推采一直发生拉伸变形，表土破断块体始终向采空区倾斜，未发生倒转。因此，该区域裂缝宽度表现出“持续增大-稳定”的变化特征，即“只开不合”的活动特征。

图10 采煤“覆岩-地表”运移模式Fig.10 “Overburden-surface” migration model of coal mining

2) 面内坡体裂缝

以下坡开采阶段的坡体裂缝为研究对象，根据相似材料模拟中地表裂缝的形成特征，利用K 和M 两个块体分析被裂缝切割的两侧块体的稳定性(图11)。理论分析认为，下坡开采阶段K-M 裂缝随工作面开采有可能出现“先开后合”和“只开不合”2 种活动规律，“先开后合”的活动特征是K 块体沿回采方向倒转和M 块体逆回采方向回转造成的。而“只开不合”的活动特征则是M 块体沿斜坡下滑造成。因此，M 块体(裂缝下块体)是否会沿着斜坡发生滑动，即M 块体稳定系数(η)的大小是决定裂缝发生“只开不合”活动的判定条件。K 和M 块体的几何结构和力学特征如图11 所示。

图11 块体几何结构与力学特征Fig.11 Geometric structure and mechanical characteristics of blocks

根据块体结构力学特征和摩尔-库仑强度准则[16-17]，M 块体的抗滑力为：

M 块体的下滑力为：

M 块体的稳定系数：

式中：G为M 块体的自重力；Q为块体K 对块体M 的摩擦剪力；fm为 沿斜坡方向的摩擦力；C为块体M 的黏聚力；Lm为块体M 的可滑动斜长；α为坡体坡角。

进一步对块体K 和M 的接触点力学特征进行分析：

式中：f为作用在接触点上的摩擦力；N为块体K 对块体M 的法向应力；μ为摩擦因数；θ为块体K 的破断角。

对块体M 所受的力按照斜坡方向进行分解组合得到：

将式(4)—式(6)代入式(3)中可得：

裂缝出现“只开不合”的活动特征的判定条件为M 块体发生滑动，即η＜1。由式(6)可知，块体稳定系数与坡角(α)呈正相关的一次幂函数，与Lm呈负相关一次幂函数，而Lm一般与坡体相邻2 条主裂缝的发育间距一致，与工作面周期垮落步距有关。工作面实际调查过程中，下坡开采阶段坡体地表裂缝间距小，坡度较大，块体稳定系数基本小于1，地表裂缝表现出“只开不合”的活动特征。

对于上坡开采阶段发育的地表裂缝而言，同样可以利用上述公式对块体稳定性进行判定，当η＞1 时，地表裂缝上方块体不发生滑动，裂缝在其下侧块体的回转作用下减小；当η＜1 时，地表裂缝在下侧块体回转和上侧块体滑移的双重作用下发生闭合，因此，上坡开采时坡体地表裂缝只发生“先开后合”的活动特征，与实际调查结果相符合。

3) 面内沟底裂缝

相似材料模拟结果表明面内沟底平坦区域地表裂缝是贯通型裂缝，其表层岩土块体的运移受到下伏关键岩层的控制。根据浅埋煤层开采岩层控制理论，浅埋煤层开采关键岩块主要表现出回转变形失稳和滑落失稳2 种失稳特征[18]。一般情况下，上覆载荷层大于180 m 时会出现回转变形失稳，关键岩块周期来压期间破断块度(i)大于1.0 时出现滑落失稳。实测表明，陕北浅埋厚煤层开采区关键岩块破断块度一般大于1.0，关键岩块易发生滑落失稳[19]。鉴于此，笔者以3 块表层岩块体(K、M 和N)来说明面内沟底裂缝的活动机理(图12)。

图12 沟底裂缝岩土块体活动机理Fig.12 An indication of the activity mechanism of cracks at the bottom of the trench

由图12 可知，当工作面推采至A位置时，K 块体在拉张应力作用下向采空区倾斜，在K 和M 块体之间出现拉张裂缝L1，其宽度随工作面推采逐渐增大。当工作面推采至B位置时，K 块体在关键层的控制下发生滑落失稳，导水裂隙带发育至地表，裂缝发生贯通，M 块体向采空区倾斜，其与N 块体的连接处发育裂缝L2，此时，裂缝L1由拉张型的平直裂缝变化为台阶状裂缝，并在块体M 的挤压作用下闭合(图12b)。当工作面继续推采，块体M 发生滑落失稳，N 块体发生倾斜，裂缝L2发生闭合。因此，面内沟底裂缝表现出“先开后合”的活动特征。

块体滑落失稳期间，若M 块体的下沉量小于K 块体，即M 块体顶端始终位于K 块体之上，那么裂缝L1和L2组成同朝向的“类地垒”的平行并列组合；若M 块体的下沉量大于K 块体，裂缝L1和L2的组合方式则为“类地堑”式的塌陷槽。

3 采煤地面塌陷防治方法

3.1 减缓方法

采煤地表裂缝减缓方法是在掌握地表裂缝规律的基础上，以采中减损为目标提出的方法或技术。鉴于目前浅埋厚煤层的开采规模和强度，减缓技术主要有充填开采、限高开采、无煤柱开采以及煤层群协调开采技术等。

充填开采：通过压缩上覆岩体的垮落空间，减小或者消除采动对上覆岩体的扰动，达到减缓地面塌陷的目的[20]。充填开采可最大程度减缓地面塌陷，但具有增大煤炭开采成本，降低回采效率的缺点。

限高开采：是通过合理限制开采高度，减小上覆岩层破断后的滑落和回转空间，达到减缓地面塌陷的一种开采方法[21]。该方法具有一定的局限性，一般适合在厚或特厚煤层开采区实施，而薄煤层开采区不具备实施条件。此外，限高开采会加大煤炭资源的浪费，浅埋厚煤层开采区很少采用。

无煤柱开采：从表1 数据可以看出，相较于普通综采，N00 工法工作面(S12013 工作面)地表裂缝发育程度弱，裂缝宽度均小于10 cm，其中裂缝宽度小于5 cm的占比达到91%，是综采工作面的1.21 倍。实践数据表明，无煤柱开采减缓地面塌陷的可行性。无煤柱开采虽然具有减缓地面塌陷效果，但需要配套的开采设备，且对于开采条件有一定的限制。

煤层群协调开采技术：通过上、下工作面错距布置削弱下煤层开采时煤柱应力集中，增加地表连续性变形，达到实现地表均匀沉降，减缓地面塌陷的目的。黄庆享等[22]根据浅埋煤层群开采覆岩破断规律、应力分布和覆岩裂隙演化特征提出了实现减轻煤柱应力集中和减缓地面塌陷耦合控制的区段煤柱错距模型。

实现减缓地面塌陷的区段煤柱错距：

式中：Lε为减缓地面塌陷的合理煤柱错距，m；m1为上煤层采高，m；m2为下煤层采高，m；α1为上煤层顶板平均回转角，(°)；α2为下煤层顶板平均回转角，(°)。

分析认为：在不考虑煤炭经济成本的基础上，充填开采减缓地表裂缝的效果最好。多煤层开采区更适合采用充填开采和煤层群协调开采技术减缓地表裂缝发育。

3.2 治理方法

3.2.1 黄土沟壑区

1) 沟底贯通型裂缝

发育在沟底的贯通型裂缝不仅对土地、表生环境有危害，还是地表水溃入井下和漏风的主要通道。因此，针对沟底贯通型裂缝的治理不仅要考虑原生表层结构特征，还要达到预防溃水、漏风，保障安全生产的目的。为此，笔者提出了沟底裂缝的“裂缝填充+沟道恢复”治理技术和工艺，沟底裂缝治理结构剖面如图13 所示。

图13 沟底贯通型地表裂缝治理Fig.13 Treatment of surface cracks with penetration at the bottom of the ditch

裂缝填充剖面为“衬垫层+防渗层+顶封层”的多层组合结构，其中，衬垫层以碎石块或水泥做材料对裂缝起到封堵作用；防渗层以三合土或红土为材料，起到裂缝填充、隔水和固结的作用；以黄土作为顶封层进行回填，进一步封堵裂缝。

一般情况下，黄土沟壑的沟底地层为“基岩+薄洪积层”的结构。需要将裂缝开挖至基岩层面即剥离原有洪积层，才能保证裂缝填充治理效果。因此，在考虑季节性洪水冲刷和原有表层的功能性上，提出了“隔水层+减冲层+功能表层”的沟道恢复治理技术。其中，隔水层以红土层和防水布为材料铺设在裂缝顶封层之上；减冲层位于隔水层之上，材料以碎石块为主，起到减少洪水冲刷破坏的作用；功能表层则是在考虑原有表层的功能上，进行合理选材、布设，保障治理前后表层功能一致，比如治理前为耕地，治理后仍要保持其耕作功能。沟底贯通型裂缝治理工序：开挖-裂缝填充-压实-沟道恢复-夯实。

2) 坡体裂缝

实际调查发现坡体裂缝的开口宽度与台阶落差之间关系密切，一般宽大裂缝的台阶落差较大，微小裂缝落差较小。由于微小裂缝的危害程度较小，就地掩埋即可，而宽大的坡体裂缝需要进行针对性治理。根据坡体裂缝延展方向和坡体的关系及其修复利用方向，提出了“裂缝充填+微地形改造”的治理方法。

坡体裂缝充填方法包括裂缝充填分区、充填土壤重构和裂缝充填工艺3 个部分。坡体裂缝充填采用高阶开挖回填的分区治理方法即高位台阶处开挖土方回填至裂缝内，减小原来土方的使用量，充填区土壤重构是 “垫层+生土层+覆盖层+表土层”的多层组合剖面结构(图14a)，在达到裂缝充填土壤重构的基础上，考虑到实际施工效率，研究提出了“分段剥离+交错回填”的坡体裂缝充填施工工艺(图14b)。

图14 坡体裂缝治理方法Fig.14 Treatment method of slope crack

微地形改造技术是针对坡体裂缝治理后减少水土流失和提高植被生长提出的，对于横坡宽大裂缝(裂缝延展方向与坡向垂直)提出了水平阶微地形改造技术(图15a)，针对顺坡宽大裂缝(裂缝延展方向与坡向平行)提出鱼鳞坑微地形改造技术(图15b)。前者通过修建水平阶地，后者通过沿坡面修建月牙形鱼鳞坑拦蓄地表径流，减少水土流失，降低土壤水分蒸发，加速植被修复。

图15 微地形改造技术Fig.15 Technology of micro-topography transformation

3.2.2 风沙滩地区

根据以往研究成果[8,11]，风沙滩地区地形平坦地表被风沙覆盖，采煤形成的地面塌陷程度小于黄土沟壑区且面内地表裂缝具有较强的自修复和自然修复能力，因此，风沙滩地区地面塌陷的治理相对容易。结合地表裂缝“O”型展布和地表移动变形特点，笔者尝试性提出风沙滩地区地面塌陷“三圈”式治理模式(图16)。从图16 可以看出，风沙滩区工作面开采导致的地面塌陷由外至里分为“自然修复圈(Ⅰ)”“人工促进修复圈(Ⅱ)”和“人工诱导修复圈(Ⅲ)”。

图16 风沙滩地塌陷区“三圈”修复Fig.16 The sign of “three circles” restoration in the subsidence area of eolian sand beach

自然修复圈(Ⅰ)：位于塌陷区的边缘部分，是下沉边界角至裂缝角之间的区域，属于连续变形区，地表一般不发育裂缝，对土壤和植被的扰动程度小，主要依靠生态系统的自愈能力自行修复。

人工促进修复圈(Ⅱ)：该区以非连续性变形为主，裂缝呈带状形式分布于采空区边界所对应的地表上方，裂缝角至开采边界的区域。区内发育“只开不合”活动的边界裂缝，对地表土壤和植被扰动强度大，为采煤沉陷地的重点治理区域。采用“浅沟整地+沙障+植被”的治理措施进行修复，促进生态恢复。

人工诱导修复圈(Ⅲ)：是工作面采空区上方地表区域，该区域地表的扰动以具有“先开后合”的面内动态裂缝为主，裂缝发育过程对土壤和植被的扰动强度较大。主要采用“残留裂缝治理+种草”人工诱导的方式，进行生态恢复。

3.3 采煤塌陷区治理工程实践与示范

3.3.1 安山煤矿地表裂缝

与张家峁煤矿类似，安山煤矿同属陕西榆神府矿区，为黄土沟壑下采煤。煤矿125203 工作面位于井田中西部，工作面开采穿过一条最大宽度约100 m 的菜沟，5-2煤层采高约2.2 m，沟底开采深度约20 m。菜沟沟底土地利用类型多样，存在基岩裸露区、土质河道区和耕地区，过沟开采时(2019 年4 月)在地表形成了密集的台阶型裂缝并与覆岩内部裂隙贯通，严重破坏土地和表生环境，同时存在雨季洪水溃入井下危险(图17)。

图17 安山煤矿125203 工作面地形特征[23]Fig.17 Topographic characteristics of working face 125203 in Anshan Coal Mine[23]

为保障雨季125203 工作面安全生产，在2019 年4-5 月研究调查的基础上，采用前文提出的沟底地表裂缝治理方法对125203 工作面过沟段进行了治理，基岩裸露区位于沟道下游为地表水的排泄口，其功能表层采用水泥进行铺设保障其原有的排泄功能；土质河道区的功能表层采用“三合土”铺设保障其原有行人与行洪功能；而耕地区地形稍高，受洪水冲刷程度小，选用松散黄土作为功能表层，保持原有的耕种作用(图18)。

图18 陕北安山煤矿125203 面裂缝治理效果Fig.18 Governance effect of engineering practice in working face 125203 of Anshan Coal Mine of northern Shaanxi

3.3.2 柠条塔煤矿采煤塌陷坡地

柠条塔煤矿北翼属黄土沟壑地貌，起伏大，下伏煤层开采后坡体裂缝发育明显，坡体地貌和植被遭到严重破坏。为探索黄土沟壑区生态环境修复模式，提升煤矿区生态环境质量开展了相关治理工程。采用上述提出的坡体地表裂缝治理方法，柠条塔煤矿在北翼N1114 和N1206 工作面进行了地面塌陷治理。在工程实践过程中，笔者结合坡体生态环境提升情况，进一步提出了“截流沟+植物篱+土谷坊”的坡体微地貌改造技术，旨在控制水土流失、促进植被的生长恢复(图19)。

图19 陕北柠条塔煤矿北翼部分实践工程Fig.19 Part of practice projects in Ningtiaota Coal Mine of northern Shaanxi

3.3.3 柠条塔煤矿生态修复示范

在采煤塌陷治理的基础上，柠条塔煤矿联合西安科技大学和中国矿业大学(北京)等单位进一步对黄土沟壑区生态修复中的优势植被物种择选、植被组合模式和微生物修复技术等进行了深入研究，取得了一系列研究成果，规划建设了2.0×105m3生态修复示范区(图20)，为陕北黄土沟壑区采煤塌陷治理和生态恢复奠定了理论和实践基础。

图20 陕北柠条塔煤矿北翼生态修复示范区Fig.20 Demonstration area of ecological restoration in the north of Ningtiaota Coal Mine of northern Shaanxi

4 结论

a.浅埋煤层开采地表裂缝有拉张裂缝、挤压隆起和台阶裂缝3 类，组合方式有平行并列、塌陷槽和交叉组合3 种。裂缝具有“先开后(半)合”和“只开不合”2 种活动类型，活动期间裂缝初始开裂宽度与最大发育宽度呈线性正相关关系，与稳定宽度呈线性和指数2 种正相关关系。

b.揭示了黄土沟壑区浅埋煤层开采地表裂缝活动机理，提出块体稳定系数与坡角呈负相关的一次幂函数，与主裂缝间距呈正相关的一次幂函数。下坡开采，稳定系数小于1，地表裂缝呈 “只开不合”活动。上坡段开采，坡体裂缝受岩块倒转和坡体滑移双重影响呈“先开后(半)合”活动。面内沟底裂缝“先开后合”的活动特征受表层岩土块运移控制。

c.针对黄土沟壑区地面塌陷裂缝，提出沟底贯通裂缝采用“裂缝填充+沟道恢复”、坡体裂缝“裂缝充填+微地形改造”的治理方法；针对风沙滩地采煤地面塌陷区，提出工作面“三圈”修复模式；分别在陕北安山煤矿和柠条塔煤矿进行了工程实践，效果良好。