小保當煤礦開采沉陷引起的地表裂縫的特征分析

摘 要：榆神礦區是我國重要的產煤基地，由地下煤層開采而導致的地表塌陷和裂縫對這里的生態環境和地表建筑物造成了嚴重的破壞。研究煤層開采引起的地表裂縫的特點，對保護地表建筑物具有重要意義。小保當煤礦是榆神礦區的一個大型煤礦，具有榆神礦區煤礦的典型開采特點。通過對榆神礦區陜西小保當煤礦132201工作面進行地表移動觀測，分析了該礦的裂縫發育特征。

關鍵詞：開采沉陷;地表裂縫;移動觀測

中圖分類號：TD325 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）23-0079-04

Abstract： Yushen mining area is an important coal production base in China. Surface collapse and cracks caused by underground coal mining cause serious damage to the ecological environment and surface buildings here. To study the characteristics of surface cracks caused by coal mining is of great significance to the protection of surface buildings. Xiaobaodang coal mine is a large scale coal mine in Yusen mining area， which has typical geological and mining characteristics of yusen coal mine. Based on the surface movement observation of 132201 working face of Shaanxi Xiaobadang coal mine in Yushen mining area， the author analyzes the development characteristics in the mine.

Keywords： mining subsidence;surface crack;movement observation

1 小保當煤礦概況

1.1 地理位置

陜西小保當礦業有限公司二號煤礦位于陜西省榆林市神木市西南部、榆陽區的東北部，礦區距榆林市80 km。地處陜北黃土高原與毛烏素沙漠接壤地帶，地表地貌以沙漠灘地貌為主，地形較為平緩;礦區東南部有黃土梁峁地貌，地形起伏變化較大。132201工作面位于13盤區最南部，東側為工作面切眼，西側為回撤通道，北鄰132202工作面，南側為采區邊界和鐵路線。

1.2 開采煤層條件

132201工作面2-2煤賦存于延安組第四段頂部，是井區內最厚的主要可采煤層。埋深為307～367 m，煤層底板標高為944～954 m;煤厚為2.0～2.5 m，平均煤厚為2.2 m，以中厚煤層為主;標準差為0.21，變異系數為0.036;煤層由東向西逐漸變厚。

1.3 煤層頂底板

煤層頂板中老頂為灰白色中粒砂巖，成分以長石、石英為主，分選中等，局部鈣質膠結，塊狀層理，見炭質紋層;直接頂為灰色細粒砂巖，成分以長石、石英為主，含少量白云母碎屑，夾粉砂巖薄層，塊狀層理，局部有鐵質膠結的粉砂巖;偽頂為炭質泥巖。直接底以砂質泥巖及粉砂巖為主，具有水平及波狀層理，泥質膠結，夾細粒砂巖薄層;老底以粉砂巖及細粒砂巖為主，淺灰色，成分以石英、長石為主，少量巖屑，分選中等，次圓-次棱角狀，泥質膠結，水平及波狀層理。

1.4 地質構造

煤層埋藏淺，地質構造簡單。地層平坦，總體區域構造形態為一地層總體走向NE、傾向NW、傾角1°左右的單斜構造，坡降為6‰～7‰，無褶皺，無巖漿侵入，僅發育小型寬緩的波狀起伏，非常適合綜采。

1.5 工作面開采技術條件

132201首采工作面的采煤工藝為大采高長壁式，全部垮落法管理頂板，開采后頂板會發生垮落和開裂性破壞，并在巖層內部形成“三帶”，即垮落帶、裂隙帶以及彎曲下沉帶。2-2煤層直接頂板多為粉砂巖、細砂巖，厚為10～20 m;基本頂為延安組第四段底砂巖（真武硐砂巖）細粒長石砂巖，厚度較大;底板巖性以粉砂巖為主，局地段為泥巖，厚為1～2 m，其下伏為厚層狀細粒長石砂巖，頂底板穩固性較好。開采過程一般不產生底鼓現象。

132201工作面走向長度為4 060 m、傾向長度為300 m，煤厚2.0～2.5 m，平均厚度為2.2 m，煤層傾角平均為0.5°。

2 地表移動觀測

132201工作面地面地形比較簡單，不受建構筑物、鐵路及管線等的影響。因此，本次觀測站設計采用線性結構，即傾向觀測線和走向觀測線的基本布設形式，使走向觀測線和傾向觀測線垂直于工作面下沉盆地中間。觀測線具體布設方案如圖1所示。

2.1 走向觀測線

132201工作面中，布設觀測線處煤層屬于近水平煤層，所以不考慮傾角的影響，走向觀測線布設在工作面回采方向的中心線上。由于132201工作面地表松散層較厚，為確保走向觀測線覆蓋下沉盆地半長，結合小保當112201工作面地表移動觀測成果綜合考慮，最終確定走向觀測線長度為900 m，切眼開采邊界外側布設360 m，切眼內側布設540 m。在走向觀測線切眼外側一端布設3個控制點，控制點之間的距離和控制點與工作點之間的距離均為100 m。平均開采深度為311 m，監測點間距取20 m，共沿著走向觀測線布設46個監測點，編號分別為Z01、Z02、……、Z46。

2.2 傾向觀測線

傾向觀測線應選擇布設在最大下沉部位。因回采工作面傾向長度[d]=300 m<1.4[H0]（[H0]為回采工作面平均開采深度，取311 m），傾向方向可能未充分采動，所以布置整條傾向觀測線。傾向觀測線到切眼的距離[D]應滿足[D]≥0.7[H0]，即傾向觀測線到停采線的最小距離為217.7 m。

根據計算，傾向觀測線選擇在距離切眼大于217.7 m的位置才能處于主斷面內，為了能夠充分保證傾向觀測線覆蓋下沉盆地，將傾向觀測線布設在距離開切眼內側500 m的位置，并與走向觀測線垂直相交于走向觀測線的倒數第3個觀測點，保證傾向觀測線外還有2個走向觀測線的觀測點。

傾向觀測線長度必須保證完全覆蓋下沉盆地和工作面的寬度，并超出一定的距離。傾向觀測線最小長度計算式為：

[S傾向≥2（H0-h）cotδ-Δδ+2hcotφ+l]? ? ? ? （1）

式（1）中：[H0]為回采工作面平均開采深度，取311 m;[h]為松散層厚度，取80 m;[φ]為松散層厚移動角，取45°;[δ]為走向移動角，取73°;[Δδ]為走向移動角的修正值，取20°;[l]為工作面寬度，取300 m。

將數值代入式（1）計算得傾向觀測線最小長度[S傾向]=808.2 m。由于132201工作面地表松散層較厚，為確保覆蓋下沉盆地，綜合考慮確定傾向觀測線長度為1 000 m，可以滿足觀測需要。在傾向觀測線兩端各設2個控制點，共4個控制點，控制點與控制點間距為100 m，控制點與工作點間距大于100 m。為了準確確定移動盆地邊界，共布設工作觀測點50個，點間距20 m，編號分別為Q01、Q02、……、Q50。

2.3 開采沉陷數據觀測

觀測點的全面觀測內容為平面坐標、點間距及高程測量。控制點進行E級全球定位系統（Global Positioning System，GPS）測量，高程采用三等水準測量，全面測量平面觀測采用實時動態定位技術（Real-Time Kinematic，RTK）。測量時，啟動移動站接收機，至少選用3個以上分布合理的已知點進行平面校正，控制點上數據采集時間應不少于3 min，精度滿足要求后方可進行觀測。平面坐標和點間距采用RTK進行觀測，觀測工作按照《煤礦測量規程》中的精度要求進行，取前兩次觀測數據的平均值作為首次觀測數據。

各觀測點的水平位移采用GPS-RTK測量，高程采用四等水準測量。進行兩次獨立全面觀測，提供內業數據處理基準。在采動期間進行了18次日常觀測和穩定性監測。其中日常觀測是指定期、重復地測定觀測線上各點在不同時期內空間位置的變化。從2020年7月14日至2021年1月22日對所有觀測點進行了18次全面觀測。觀測成果較好地反映了開采沉陷的全過程。

3 裂縫角的確定

地面裂縫與裂縫角有關，為了確定地面裂縫的范圍，首先需要確定裂縫角。在開采工作面達到或接近充分采動的情況下，采空區上方地表最外側的裂縫位置和采空區邊界點的連線與水平線在采空區外側的夾角稱為裂縫角。

裂縫角的計算公式為：

[δ=arctanH0L]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

式（2）中：[H0]為回采工作面平均開采深度，取311 m;[L]為裂縫位置距開采邊界的距離。

實測地表裂縫位置及實景照片如圖2和圖3所示。走向觀測線最外側的裂縫在采空區邊界外側的Z17和Z18之間，到采空區邊界距離約為18 m;在傾向觀測線一側的裂縫位置分別在Q18和Q19之間、Q34和Q35之間，距離開采邊界分別為20 m和15 m。裂縫角計算結果如表1所示，其中裂縫角的均值為86.8°。

根據實地觀測，地表裂縫均產生于工作面開采邊界附近上方（見圖2和圖3），裂縫寬度和落差一般超過20 cm，呈環形狀展布。這是因為邊界內側的土層受地下煤層開采的影響發生下陷和位移，而邊界外側的地下區域沒有發生采煤，巖層和土層不運動。所以運動土層和靜止土層之間產生了拉伸和斷裂，導致裂縫在這一區域集中體現。實測結果顯示，傾向觀測線上所測裂縫的最大水平移動變形值為5.722 mm/m。

4 煤層開采引起的地表裂縫類型、特點和成因分析

4.1 地表裂縫類型

地下煤層開采引發的地表裂縫可以分為如下類型。

4.1.1 平行于開采工作面的裂縫。地下煤層開采后，上方的巖層開始垮塌，引發了地表的下陷，在工作面前方波及的地表就會產生這種裂縫。因此，這種裂縫一般出現在超前工作面的前方一定距離處。隨著開采的推進，裂縫也會逐漸變寬變大。當工作面處于裂縫下方時，裂縫變化最為劇烈。隨后，當工作面采過裂縫的正下方后，上面的土體塌陷下來，將裂縫擠壓閉合。這樣的裂縫隨著開采工作面的推進有一個動態的變化過程，先逐漸變大，后逐漸變小。因此，這類裂縫也稱為動態裂縫[1]。

4.1.2 采空區邊界的裂縫。當工作面推進到一定距離，致使老頂初次斷裂后5 d左右，會引發地表移動，裂縫沿著采空區邊界出現。這些裂縫位于下沉盆地的邊界，與未開采的工作面上方的土體逐漸分離，形成斷裂，隨著工作面的下沉逐漸變大，發展為永久性裂縫[2]。

132201工作面在開采過程中，在工作面前方產生了幾條動態裂縫，如圖4所示。在采空區邊界附近產生了多條延續的永久性裂縫，如圖5所示。

4.2 地表裂縫特點

圖6為裂縫塌陷較為嚴重的區域。圖6中不規則類似橢圓區域代表裂縫出現的位置，多是圍繞采空區邊緣地表。裂縫分布范圍為垂直于工作面走向的裂縫帶以及平行于工作面走向的裂縫帶[3]。在工作面前方超前影響范圍內，同樣會產生于垂直于工作面走向的裂縫帶。在工作面推過之后，這些裂縫趨于閉合[4]，而工作面起始邊界外的垂直裂縫帶則無法閉合。

根據實地勘察，對現場的地表裂縫做了記錄，發現裂縫主要分為3部分。

第1部分為位于切眼處的地表裂縫，表現為小臺階狀，垂直于工作面走向，長度約為150 m，部分位置的臺階高度約為5 cm，寬度為5 cm，如圖7所示。

第2部分為工作面兩側地表的裂縫，平行于走向觀測線，垂直于傾向觀測線，分別位于監測點Q18和Q19之間、Q34和Q35之間，與其對應的工作面邊界上方也存在這樣的裂縫，如圖8所示。

第3部分為工作面上方前進方向垂直于走向觀測線的裂縫，在走向觀測線上斷斷續續出現了多條裂縫。隨著工作面推進，裂縫寬度逐漸縮小，最終閉合[4]。圖9為工作面上的一條開采裂縫，一開始裂縫寬度為3～6 cm，隨著工作面的推進，最終裂縫逐漸閉合。

5 結語

通過小保當煤礦132201工作面的開采沉陷觀測及裂縫觀測可知，開采沉陷引起的地表裂縫根據其變化特征可以分為動態裂縫和永久性裂縫。動態裂縫出現在工作面推進的前方，開采過后逐漸閉合[5];永久性裂縫出現在工作面的邊緣，開采結束后依然難以閉合。根據裂縫的分布位置，可以分為在切眼附近的裂縫、垂直于工作面走向的裂縫帶以及平行于工作面走向的裂縫帶。切眼附近塌陷較為嚴重的區域，多是圍繞采空區邊緣，呈環形狀展布的裂縫帶。同時，地表裂縫與地表移動不同階段（起始、活躍、衰退3個階段）的時間分布及移動量有密切關系[6]。起始階段裂縫較為細小，活躍階段裂縫高度發育，衰退階段裂縫趨向穩定。

參考文獻：

[1]湯伏全，李林寬，李小濤，等.基于無人機影響的采動地表裂縫特征研究[J].煤炭科技技術，2020（10）：53-59.

[2]閆瑞龍，屠世浩，王方田，等.高頭窯礦區地表采動裂縫演化規律研究[J].煤炭學報，2016（1）：95-98.

[3]賀國偉.金雞灘煤礦首采工作面厚松散層地裂縫變形特征研究[J].煤炭科技，2020（4）：15-18.

[4]湯伏全，張健.西部礦區巨厚黃土層開采裂縫機理[J].遼寧工程技術大學學報（自然科學版），2014（33）：1466-1470.

[5]陳超，胡振琪.我國采動地裂縫形成機理研究進展[J].煤炭學報，2018（3）：810-823.

[6]許家林，陳稼軒，蔣坤.松散承壓含水層的載荷傳遞作用對關鍵層復合破斷的影響[J].巖石力學與工程學報，2007（4）：699-704.