煤礦工作面上方地表裂縫分布、寬度與水平變形之關(guān)系研究

陳冉麗 李 亮 張連貴 吳 侃

(1.石家莊鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院測(cè)繪工程系，河北 石家莊 050047；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測(cè)繪學(xué)院，江蘇 徐州 221116；3.兗礦集團(tuán)有限公司，山東 鄒城 273500)

煤礦工作面上方地表裂縫分布、寬度與水平變形之關(guān)系研究

陳冉麗1李 亮2張連貴3吳 侃2

(1.石家莊鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院測(cè)繪工程系，河北 石家莊 050047；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測(cè)繪學(xué)院，江蘇 徐州 221116；3.兗礦集團(tuán)有限公司，山東 鄒城 273500)

煤礦工作面上方地表經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)一些裂縫，確定地表裂縫的分布、寬度及其與水平變形之間的關(guān)系，有助于對(duì)其引起的地面破壞進(jìn)行預(yù)防和治理。通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的裂縫分布情況的研究，得到了裂縫在平面上的分布形態(tài)、裂縫在寬度上的分布規(guī)律和裂縫與開(kāi)采引起的地表變形的關(guān)系，并給出了相應(yīng)的擬合公式。研究表明：開(kāi)采引起的裂縫寬度與水平變形之間存在密切的相關(guān)；裂縫區(qū)與拉伸變形區(qū)對(duì)應(yīng)；裂縫區(qū)裂縫寬度之和總是小于水平變形之和，僅有部分水平拉伸變形可以通過(guò)地表裂縫反映出來(lái)。

開(kāi)采 地表裂縫 寬度 分布 水平變形

煤礦地下開(kāi)采引起地表沉陷，隨著地表沉陷的發(fā)展，地表土層各點(diǎn)的受力狀態(tài)發(fā)生相應(yīng)的變化[1]。當(dāng)不均勻變形超過(guò)土體的極限平衡條件時(shí)，地表將產(chǎn)生裂縫。綜放開(kāi)采因開(kāi)采強(qiáng)度大，引起的地面變形劇烈，地表裂縫發(fā)育尤其明顯。地表裂縫是影響土地生產(chǎn)力，破壞地面建(構(gòu))筑物安全的主要影響因素，確定地表裂縫的分布規(guī)律對(duì)礦區(qū)土地復(fù)墾和三下采煤具有十分重要的意義。

地表裂縫與水平變形是最直接的相關(guān)關(guān)系，水平變形的大小，直接導(dǎo)致裂縫發(fā)育程度不同[2]。以某礦5305綜放開(kāi)采工作面地表裂縫為例，研究了地表裂縫在走向和傾向上的分布特征，并重點(diǎn)分析裂縫寬度與開(kāi)采引起的水平變形之間的關(guān)系。

1 地表裂縫監(jiān)測(cè)實(shí)例

為了研究開(kāi)采引起地表裂縫分布情況，對(duì)5305工作面采動(dòng)過(guò)程中的地表裂縫進(jìn)行了觀測(cè)，見(jiàn)圖1。5305工作面開(kāi)采深度294～-370 m，表土層平均厚度180 m，煤層平均厚度8.7 m，煤層厚度穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。煤層傾角平均8°。

圖1 5305工作面實(shí)測(cè)裂縫位置

工作面上方裂縫的發(fā)展過(guò)程：首先在回采工作面前方地表產(chǎn)生裂縫，隨著工作面的推進(jìn)，裂縫逐漸增大，當(dāng)工作面推進(jìn)到裂縫正下方時(shí)，裂縫發(fā)育至最大。當(dāng)工作面推過(guò)裂縫后，裂縫由大逐漸變小。薄煤層開(kāi)采時(shí)，這些裂縫最終會(huì)基本閉合，故稱(chēng)采空區(qū)上方裂縫為閉合裂縫[3]。但煤層綜放開(kāi)采時(shí)，進(jìn)入壓縮區(qū)后，部分裂縫閉合程度較小，而部分裂縫則受擠壓隆起。

采空區(qū)周?chē)紫仍诠ぷ髅孢吔缤?2 m左右處產(chǎn)生地表裂縫。隨著工作面的推進(jìn)，裂縫位置向遠(yuǎn)離工作面區(qū)域擴(kuò)展，直至到達(dá)裂縫角位置。有大裂縫3～5條，大裂縫周?chē)樯行×芽p多條。工作面回采結(jié)束后，這些裂縫不閉合，形成張開(kāi)裂縫。

根據(jù)實(shí)測(cè)成果，可總結(jié)出如下特點(diǎn)：

(1)當(dāng)開(kāi)采引起的地表拉伸變形達(dá)到或超過(guò)土體的極限抗拉強(qiáng)度時(shí)，地表土體將開(kāi)始產(chǎn)生裂縫；隨著地表變形的增大，地表裂縫加深、加寬，裂縫兩側(cè)通常還產(chǎn)生一定的落差；裂縫的深度、寬度、落差大小與地表變形、土體力學(xué)性質(zhì)有關(guān)；地表裂縫形成后，裂縫將吸收周?chē)牡乇碜冃危沟昧芽p兩側(cè)的土體變形降低；所以通常2條裂縫之間相隔一定距離。

(2)隨著工作面的推進(jìn)，通常每隔一定距離形成1條新裂縫；裂縫的間距取決于工作面的推進(jìn)速度、采深和地表變形值。一般當(dāng)?shù)乇硗翉?qiáng)度大、抗變形能力強(qiáng)時(shí)，形成的地表裂縫深度、長(zhǎng)度和寬度較大，各裂縫的間距大、密度低；當(dāng)土體強(qiáng)度弱、抗變形能力差時(shí)，地表裂縫深度、寬度、長(zhǎng)度小，但裂縫密度大、間距小。當(dāng)然，土體抗變形能力越強(qiáng)，使它產(chǎn)生裂縫所需的地表變形越大。

(3)地表裂縫總是在采空區(qū)的邊界外側(cè)上方產(chǎn)生，其基本形態(tài)是以采空區(qū)為中心的圓弧形或橢圓形[4]，近似平行于采空區(qū)覆巖陷落邊界，符合長(zhǎng)壁采場(chǎng)覆巖破壞、斷裂的“O形圈”理論；裂縫的延伸方向與地表變形主拉伸方向正交。

(4)平行于工作面推進(jìn)方向的裂縫均為張口裂縫，裂縫發(fā)育位置均位于工作面外側(cè)，說(shuō)明這些裂縫均由拉伸變形引起。沿工作面推進(jìn)方向裂縫分為兩種情況：位于工作面外側(cè)裂縫均為張口裂縫，由拉伸變形引起；位于采空區(qū)內(nèi)裂縫部分尚存在張開(kāi)空間，部分受擠壓隆起。說(shuō)明處于壓縮區(qū)域的變形不是均勻分布的，因裂縫的存在而出現(xiàn)不同程度的變形集中。

(5)在采空區(qū)周?chē)罅芽p處常產(chǎn)生臺(tái)階，臺(tái)階落差100～260 mm。臺(tái)階方向相背成對(duì)出現(xiàn)，形成小型的地壘和地塹[5]。而不像薄煤層開(kāi)采時(shí)傾向采空區(qū)。

(6)在地表上有建(構(gòu))筑物存在時(shí)，建(構(gòu))筑物基礎(chǔ)與地基的共同作用改變了地表土體局部的強(qiáng)度分布，因此將導(dǎo)致地表裂縫的分布形態(tài)和延伸長(zhǎng)度發(fā)生變化。

(7)在周?chē)欣喜煽諈^(qū)存在時(shí)，由于老采空區(qū)上覆覆巖破碎，地表變形與原來(lái)的地表變形有一定的疊加、抵消，所以一般在老采空區(qū)一側(cè)產(chǎn)生的地表裂縫較少，并會(huì)使原來(lái)開(kāi)采形成的地表裂縫產(chǎn)生縮小或閉合。

2 主斷面上裂縫分布范圍劃分

處于工作面上方的裂縫要經(jīng)歷一個(gè)拉伸張開(kāi)、還原閉合的過(guò)程，而處于開(kāi)切眼、停采線和上下山方向工作面外側(cè)的裂縫則一直處于拉伸擴(kuò)展的過(guò)程。為了確定開(kāi)采引起的裂縫各個(gè)時(shí)期在地表的分布范圍，給出如下幾個(gè)定義。

穩(wěn)定態(tài)裂縫角：在充分采動(dòng)或接近充分采動(dòng)條件下，沉陷基本穩(wěn)定后，在地表移動(dòng)盆地的主斷面上，移動(dòng)盆地內(nèi)最外側(cè)的地表裂縫至采空區(qū)邊界的連線與水平線在煤柱一側(cè)的夾角為穩(wěn)定裂縫角。

動(dòng)態(tài)裂縫角：在工作面開(kāi)采過(guò)程中，在地表移動(dòng)盆地的主斷面上，移動(dòng)盆地內(nèi)最外側(cè)的地表裂縫至采空區(qū)邊界的連線與水平線在煤柱一側(cè)的夾角為動(dòng)態(tài)裂縫角。

裂縫還原角：在工作面開(kāi)采過(guò)程中，裂縫寬度達(dá)到最大值后開(kāi)始還原的位置至采空區(qū)邊界的連線與水平線在煤柱一側(cè)的夾角為裂縫還原角。

5305工作面走向方向上煤層埋深為330 m，上山方向煤層埋深250 m，在工作面回采過(guò)程中，對(duì)裂縫的發(fā)育分布規(guī)律進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)測(cè)量。

在工作面開(kāi)采基本穩(wěn)定后，走向最外側(cè)裂縫距工作面邊界位置距離157 m，上山方向最外側(cè)裂縫距工作面邊界位置距離125 m。可得

走向穩(wěn)定裂縫角

上山穩(wěn)定裂縫角

在工作面動(dòng)態(tài)開(kāi)采過(guò)程中，走向上最外邊界裂縫距工作面邊界位置距離135 m，還原裂縫位于工作面前方21 m。可得

走向動(dòng)態(tài)裂縫角

裂縫還原角

走向方向裂縫分布情況如圖2。

圖2 裂縫分布范圍劃分示意

在工作面推進(jìn)過(guò)程中工作面前方地表114 m范圍(1～2點(diǎn)之間，即動(dòng)態(tài)裂縫角與裂縫還原角之間)是裂縫發(fā)育最為劇烈的位置。裂縫區(qū)與拉伸變形區(qū)對(duì)應(yīng)。

3 不同位置裂縫寬度分布

為了確定裂縫在寬度上的分布規(guī)律，在5305工作面傾向和走向方向上各取一典型剖面，以剖面上裂縫寬度分布為例進(jìn)行研究，剖面位置見(jiàn)圖1。2條剖面線上裂縫寬度的分布情況如圖3和圖4所示。

圖3 沿走向不同位置裂縫寬度分布

圖4 沿傾向不同位置裂縫寬度分布

通過(guò)研究分析得到如下結(jié)論：

(1)最寬裂縫位置。走向上最寬裂縫位于工作面前方，傾向位于工作面邊界外側(cè)，走向上最寬裂縫約為80 mm，傾向方向最大裂縫寬度約為100 mm。造成這種情況是因?yàn)閮A向方向變形是單一拉伸變形不斷增大的過(guò)程，而走向方向是動(dòng)態(tài)變形過(guò)程，而動(dòng)態(tài)變形極值小于穩(wěn)態(tài)變形最大值。

(2)裂縫寬度的分布。在走向方向上基本呈現(xiàn)出以工作外側(cè)0.6H處為中心，向兩側(cè)遞減的規(guī)律。近似呈現(xiàn)正態(tài)分布。通過(guò)擬合，走向裂縫在寬度上的分布函數(shù)為

(1)

式中，LZ為裂縫寬度，x為裂縫距工作面邊界距離，工作面內(nèi)側(cè)為負(fù)，外側(cè)為正。這是由于位于走向上的地面點(diǎn)在工作面的推進(jìn)過(guò)程中要經(jīng)受一個(gè)先拉伸再壓縮的過(guò)程。當(dāng)工作面沒(méi)有推過(guò)該點(diǎn)時(shí)，該點(diǎn)所受變形為拉伸變形，當(dāng)工作面推過(guò)該點(diǎn)時(shí)，其所承受為壓縮變形。因此，最大裂縫出現(xiàn)在拉、壓變形交界處，證明了拉伸變形是導(dǎo)致地表裂縫出現(xiàn)的擴(kuò)張的主要因素。傾向上，最大裂縫處于地表拉伸變形極大值周邊區(qū)域，向采空區(qū)方向和開(kāi)采影響邊界逐漸減小，向外到達(dá)裂縫角位置，向內(nèi)接近開(kāi)采邊界。同樣說(shuō)明了拉伸變形是地表裂縫擴(kuò)展的主因。傾向裂縫在寬度上的分布函數(shù)為

(2)

(3)裂縫累計(jì)寬度。在裂縫累計(jì)寬度上，走向拉伸區(qū)內(nèi)裂縫累計(jì)寬度為726mm，傾向拉伸區(qū)內(nèi)裂縫累計(jì)寬度為 545mm。走向方向單個(gè)最大裂縫寬度小，裂縫條數(shù)多，累計(jì)寬度大，傾向方向單個(gè)裂縫寬度大，裂縫條數(shù)少，累計(jì)寬度小。因此，總體上通過(guò)裂縫釋放的變形能量相當(dāng)。

4 裂縫寬度與水平變形關(guān)系

以2月13日數(shù)據(jù)為例，裂縫寬度分布與水平變形對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖3、圖4。

(1)最大裂縫寬度與最大水平變形值關(guān)系。最大裂縫寬度與最大水平變形值關(guān)系如表1，最大裂縫寬度約是最大水平變形的6.7倍。

表1 最大裂縫寬度與最大水平變形關(guān)系

(2)裂縫寬度總和與水平變形總量關(guān)系。走向裂縫累計(jì)寬度與累計(jì)水平變形之間比值

傾向裂縫累計(jì)寬度與累計(jì)水平變形之間比值

可見(jiàn)，水平變形并沒(méi)有全部通過(guò)裂縫反應(yīng)出來(lái)，一部分變形被地表土體所吸收。從計(jì)算結(jié)果上看，走向方向上，水平變形約有53%左右通過(guò)裂縫反映出來(lái)，而傾向約有34%通過(guò)裂縫反映出來(lái)。

5 結(jié) 論

(1)工作面上方的裂縫要經(jīng)歷一個(gè)拉伸張開(kāi)、還原閉合的過(guò)程，因此，采用穩(wěn)定態(tài)裂縫角、動(dòng)態(tài)裂縫角及裂縫還原角可以很好地描述這一現(xiàn)象。

(2)主要裂縫發(fā)育寬度呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性，且在走向上和傾向上的表現(xiàn)不盡相同。造成這種情況是因?yàn)閮A向方向變形是單一拉伸變形不斷增大的過(guò)程，而走向方向是動(dòng)態(tài)變形過(guò)程，而動(dòng)態(tài)變形極值小于穩(wěn)態(tài)變形最大值。

(3)開(kāi)采引起的裂縫寬度與水平變形之間存在密切的相關(guān)，裂縫區(qū)與拉伸變形區(qū)對(duì)應(yīng)，裂縫區(qū)裂縫寬度之和總是小于水平變形之和，說(shuō)明僅有部分水平拉伸變形可以通過(guò)地表裂縫反映出來(lái)。

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(責(zé)任編輯 石海林)

The Relations among Ground Fissures' Distribution，Width and Horizontal Deformation over Coal Mining Work Face

Chen Ranli1Li Liang2Zhang Liangui3Wu Kan2

(1.DepartmentofSurveyingEngineeringShijiazhuangInstituteofRailwayTechnology，Shijiazhuang050047，China;2.SchoolofEnvironmentalScienceandSpatialInformatics，ChinaUniversityofMiningandTechnology，Xuzhou221116，China;3.YanzhouCoalMiningCompanyLimited，Zoucheng273500，China)

A number of ground fissures frequently occur over coal mining work face.Figuring out the relations between ground fissures' distribution，width and horizontal deformation can contribute to predicting and controlling ground damage caused by fissures.The distribution of ground fissures is studied via field measured data and the relationship among the horizontal distribution and distributive regularities in width of fissures，and the relations between ground fissures and coal mining are obtained.Finally the corresponding fitting formula is given.This research indicates that there are a close relationship between ground deformation and the width of fissures caused by coal mining.Fracture zones are corresponding to the tensile deformation zones.And，the sum of fissure's width is invariably less than that of horizontal deformation and only a small quantity of horizontal deformations can be reflected through ground fissures.

Coal mining，Surface fissures，Width，Distribution，Horizontal deformation

2015-03-01

陳冉麗(1982—)，女，講師，碩士。

TD325

A

1001-1250(2015)-04-079-04