溝谷區淺埋煤層覆巖破壞特征及地面裂縫發育規律

車曉陽，侯恩科，孫學陽，姜鈺泉，謝曉深，從 通，劉 博

(1.西安科技大學 地質與環境學院，陜西 西安 710054；2.西安科技大學 陜西省煤炭綠色開發地質保障重點實驗室，陜西 西安 710054；3.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710054)

0 引 言

采礦過程中煤層上覆巖體的穩定性與破壞特征是控制地下水運移及地面沉陷等問題的主要因素[1-3]，煤層覆巖穩定性及采動破壞規律的研究，是礦山開采與災害防治領域的一項重要研究內容。一般煤層上覆巖體的穩定性及破壞規律主要受關鍵層結構控制，覆巖裂隙在空間上呈“下方上圓”的“類梯形臺”形態[4-5]。在一些淺埋煤層區，煤層上覆巖層的擾動破壞規律還受埋藏深度及地表地形地貌的影響[6-8]。

關于淺埋深及地形地貌對煤層覆巖破斷規律的研究，近年來國內外學者對此做了大量工作。淺埋煤層由于埋藏深度淺，煤層頂板破斷規律受地形地貌影響的同時，頂板破斷對地面沉陷及裂縫的產生也有明顯的影響[9-12]。黃慶享，侯忠杰等人在明確了淺埋煤層的基本含義的基礎上，對煤層頂板周期垮落規律及上覆松散層厚度對覆巖破斷的影響進行了研究，得出厚松散層對關鍵層層位及頂板破斷規律影響明顯，主要表現為整體切落破壞，破壞形式較為劇烈[13-17]。地形地貌對煤層頂板垮落規律的影響在溝谷地區較為顯著，由于關鍵層受剝蝕而部分缺失，因此，不同區段覆巖破壞形式差異較大[18-21]。王方田，趙杰等對不同地形地貌條件下的煤層覆巖垮落特征進行了研究，得出溝谷地貌條件下溝谷坡體運動載荷比正常開采時明顯增大[22-24]。許家林，張志強等在分析了地形對煤層頂板影響的基礎上，得出溝谷坡角的大小對覆巖破斷后的運動特征也具有明顯的影響[25-27]。綜上所述，溝谷區的淺埋煤層由于上覆載荷的不均一性，使得覆巖破壞規律與普通淺埋煤層不同，而且由于其受到剝蝕作用明顯，巖體的破壞形式及裂縫發育規律與地表次生災害之間具有更強烈的聯系。但以往大家對溝谷區淺埋煤層覆巖破壞的研究重點都在對工作面礦壓的影響上，而對覆巖的破壞規律及與地面裂縫特征之間的研究偏少，因此，文中擬通過室內物理相似材料模擬與綜合分析的方法對其進行研究和分析，得到淺埋煤層過溝開采時的煤層覆巖破壞特征與地表裂縫發育規律。

1 地質特征

圖1 14210工作面地層巖性特征Fig.1 Comprehensive stratigraphic column in 14210 Coal seam mining face

2 物理模擬實驗

2.1 模型建立

為測量采動引起的地表下沉變化情況，模型風干后在其頂面非等間距設置10個百分表測量點，測量點間距與地形變化程度呈反比，間距20～40 cm。為測量采動引起的煤層覆巖變化特征，在模型正面共設置5排142個編碼監測點，底部3排縱向間距10 cm，橫向間距在溝谷區域為10 cm，兩側坡體區域為15 cm，頂部地表監測點橫向間距與其他行一致，縱向與地表起伏保持一致，與地面距離1 cm。利用全站儀對編碼監測點的位移進行監測和記錄。

圖2 相似材料模型Fig.2 Similar material model

表1 煤巖體物理力學參數

2.2 實驗分析

模型兩端各留設30 cm煤柱，按照時間相似比從左向右循環開采，模擬開采4-2煤層，開采總長度340 cm，相當于原型長度340 m。為敘述方便，下文以原型實際數值描述開采現象。

當工作面推采至44 m時，覆巖出現層間裂隙，老頂初次垮落，破斷巖體沿煤壁切落，形成“單斜巖塊”結構(圖3(a))。

工作面持續推進，直接頂板隨采隨落，覆巖懸頂面積逐漸增大，離層空間向上移動，當工作面推采至53 m時，覆巖頂懸露面積達到破斷極限，發生周期垮落，周期垮落步距9 m(圖3(b))；當工作面推采至107 m時，基巖老頂發生第5次周期垮落，基巖裂隙發育至地表，形成貫通裂隙，由于巖體下沉，在地表形成錯臺裂縫(圖3(c))；隨著覆巖周期性垮落，基巖裂隙與地表裂縫基本同步發育，但發育初期，二者并不相互導通，且地表下行裂隙的發育位置要超前于覆巖上行裂隙最高點的發育位置。

圖3 覆巖裂隙演變過程Fig.3 Fractures development process of crack

工作面推采至160 m時，推采位置位于溝谷底部正下方，溝谷底部出現地表隆起，但覆巖上行裂隙并未與溝谷底部裂縫導通；工作面推采至180 m時，覆巖上行裂隙與溝谷底部下行裂縫導通，形成貫通裂隙(圖3(d))。

模擬開采結束，煤層覆巖垮落帶垂向裂隙發育，從工作面走向剖面來看，垮落帶形態呈正梯形分布，覆巖垮落跨度從近煤層位置向上逐漸遞減，裂隙帶一直貫通至地表，開切眼處與停采線處垮落角分別為60°和44°。基本頂的周期性垮落步距為8～18 m，地表共發育有20條地表裂縫，順向坡(坡向與工作面推采方向一致)裂縫表現為推擠形態，逆向坡(坡向與工作面推采方向相反)裂縫表現為拉張形態，溝底裂縫表現為隆起形態。且裂縫形態在開采過程中并不是一成不變的，而是隨著推采的進行而動態變化的。

3 煤層覆巖破壞特征

3.1 覆巖沉降特征

利用全站儀系統可以有效的對相似材料模擬模型正面的編碼測量點各向位移進行精確測量，利用輸出數據繪制各點的垂向位移特征曲線，可以較為直觀的掌握煤層開采過程中，煤層頂板各位置的垂向位移特征(圖4)。

圖4 煤層頂板沉降變化Fig.4 Settlement variation of coal seam roof

工作面基本頂初次垮落時，由于垮落巖體的碎脹因素，垮落體的最大下沉位移小于3 m，煤層覆巖的最大下沉位置位于溝谷底部，最大沉降值為3.6 m。受斜披體的影響，溝谷區淺埋煤層覆巖的最終沉降值并不均一，且溝谷底部沉降值比其他地方的沉降值相對較大。

煤層覆巖周期性垮落后，累計沉降值形成近似于“U”形的沉降曲線，覆巖周期性垮落時一般沿著“U”形沉降曲線兩側沉降值變化率大的位置發生破斷，形成上行裂隙，裂隙兩側沉降值差異明顯。

在工作面開采過程中,裂隙發育位置處剪應力較為集中，巖層容易產生破斷，破斷后采空區一側巖體隨下伏巖層的垮落一起垮落，未開采一側巖體仍具有一定的完整性，僅在上覆應力作用下發生微小的豎向形變，造成垂向裂隙兩側巖體的沉降值差異較大，形成“U”形的沉降曲線。

物理模擬實驗中裂隙的發育位置與監測得到的沉降“U”形曲線中沉降值變化率大的位置也基本吻合。沉降值變化率與巖層裂隙之間的規律，不僅適用于煤層覆巖裂隙的形成分析，同樣也適用于地表裂縫的形成分析。

地表的沉降值特征也可以反映地表的裂縫發育情況，地表沉降變化曲線(圖5)與煤層覆巖的沉降曲線特征類似，“U”型曲線兩側沉降值變化率大的位置，地表裂縫也較為發育，且相鄰位置的下沉值差異隨開采的進行由大變小時，地表的裂縫寬度也會隨之逐漸減小，與實驗觀測現象一致。

圖5 地表沉降變化Fig.5 Settlement variation of surface

3.2 下沉量的垂向繼承性

物理模型正面布置的各排位移編碼監測點上下一一對應，根據不同位置的監測點位移數據，繪制沉降值曲線(圖6)。上部監測點的沉降曲線特征與下部監測點的沉降曲線特征類似，說明上部沉降曲線對下部沉降曲線具有一定的繼承作用，煤層覆巖的沉降特征是向上傳遞的，下部巖層沉降量大的位置，上部巖層的沉降量也大，同時由于巖塊的碎脹作用，上部巖層的沉降值比其下部巖層的沉降值略小。筆者將這種特征概括為煤層覆巖沉降量的垂向繼承性，這種繼承性一直由煤層頂板傳遞至地表。且上下兩層沉降值差異較大的區域，橫向裂隙較為發育，更容易形成離層空間。

圖6 不同層位的最終沉降Fig.6 Final settlement of different horizons

結合煤層覆巖沉降量的垂向繼承性及“U”形沉降曲線與覆巖裂隙的關系，可以得到地表沉降量變化率大的地方，其垂直對應的煤層頂板巖層沉降量變化率也大，并由此可以推斷其覆巖裂隙在該位置也較為發育。利用這項規律，在野外對煤層采后覆巖裂隙進行探查時，可根據地表沉降量特征對覆巖的裂隙發育情況做一大致推斷。

沉降曲線中垂向沉降值與橫向距離的比值，可以表示單位距離的巖層形變程度，若單位的形變程度在煤層開采過程中一直很小，說明水平巖層基本是同步運動的，一般產生的裂隙較少，未產生相對大的形變；若單位形變在破斷初期較小，而后又由小變大，說明巖層產生了二次破壞；若單位形變開采初期較大，而后又由大變小，說明隨著開采進行，原有裂隙逐漸產生了閉合，相鄰位置之間的距離在逐漸減小。

3.3 覆巖垮落的周期性特征

工作面開采過程中，溝谷區淺埋煤層覆巖的垮落形態為正梯形結構(圖7)，將巖體垮落邊界按垮落周期進行簡化，得到簡化的周期性垮落邊界線(圖8)。從圖中可以看出覆巖的垮落邊界并不是順著開采位置垂直發育，而是沿著由開采范圍所決定的自然平衡拱的邊界線發育，遵循自然平衡拱的破壞法則。圖8中的紅色虛線為覆巖周期性垮落的實際邊界線，邊界線外繞的半圓為該開采進尺所對應的自然平衡拱結構邊界線。

圖7 覆巖垮落結構Fig.7 Structure of overburden collapses

圖8 覆巖垮落與平衡拱結構Fig.8 Structure of overburden collapses and balanced arch

開采初期，煤層覆巖會沿著最初形成的平衡拱兩側跡線發生破斷并垮落，隨著開采進尺的增加，自然平衡拱的范圍不斷增大(圖8(a))，覆巖的垮落范圍也隨著平衡拱的增大而不斷增大，當達到下一個應力平衡極限時，覆巖便會沿著下一個平衡拱的的兩側邊界破斷并垮落，當平衡拱的范圍發育至該開采地質條件下的穩定狀態后，平衡拱的范圍便不再增大(圖8(b))，而是隨著工作面開采前進方向周期性的向前移動(圖8(c)、(d))，當工作面推采至周期性平衡拱的應力邊界時，覆巖則會沿著平衡拱的前進側邊跡線發生破斷并垮落。這種貫通性的垮落步距一般為40～60 m，大于煤層基本頂的周期垮落步距，是基本頂周期垮落步距的3.3～5.0倍，但在溝谷底部煤層埋深較淺的區域其垮落步距又與基本頂的垮落步距較為接近。煤層開采結束后，垮落體最終在工作面走向剖面上形成“正梯形”的垮落形態。

4 地表裂縫發育規律

煤層工作面在推采過程中，地表會伴隨產生多種類型的裂縫破壞。利用測量工具對產生的每條裂縫進行測量并記錄統計。根據溝谷坡向與工作面推采方向的關系，可將地表裂縫分為順向坡(坡向與推采方向一致)裂縫、逆向坡(坡向與推采方向相反)裂縫，及溝底隆起3種主要類型。

14210工作面模擬開采過程中，順向坡共發育8條裂縫，裂縫間距4.0～30.0 m，平均間距16.1 m，最大裂縫寬度為1.7 m，最小裂縫寬度為0.05 m；溝谷底部共發育2條地表隆起，隆起高度為0.5～1.6m；逆向坡共發育10條裂縫，裂縫間距5.1～20.1 m，平均間距11.8 m，最大裂縫寬度為2.0 m，最小裂縫寬度為0.01 m。不同位置的裂縫在工作面推采過程中形成機理和發育規律有所不同。

4.1 順向坡裂縫

由于工作面開采，采空區一側地表與未采區一側地表出現不均勻沉降，使得地表出現下行的拉張裂縫，此時地表裂縫與覆巖破斷形成的上行裂隙尚未貫通。地表拉張裂縫產生的位置基本與工作面推采位置一致。隨著沉降區域沉降值增大，沉降區域與未沉降區域落差增大，拉張裂縫的張度也進一步增大。

地表沉降區域在水平投影上，滯后于工作面的推采位置，最大的沉降位置一般位于沉降區域中心，地表巖土體滯后于下伏巖體產生破斷和下沉。隨著工作面回采位置向前推進，地表沉降區域向工作面推采方向擴展，原由于采空區一側與未采區一側的不均勻沉降而產生的拉張裂縫，由于區域沉降落差減小，拉張裂縫張度也隨之減小。但由于近地表覆巖體整體向溝谷側移動，沉降區域內的裂縫并不能完全閉合，而是在小范圍內波動后并趨于穩定。同時上側坡體由于向溝谷側移動，容易對下側坡體造成推擠作用，使裂縫兩側形成與坡向一致的錯臺。地表覆巖移動過程中，已產生裂縫的區域也會在已有的相臨裂縫中間重新產生新的裂縫，但二次產生的新裂縫寬度一般較小，且容易重新閉合。順向坡地表裂縫在形成過程中，經歷了起裂、破斷，穩定后表現為推擠形態。

4.2 溝谷底部隆起

由于兩側斜坡體的存在，近地表覆巖垮落后整體均向溝谷方向移動，坡體上側巖土體對下側巖土體具有一定的推擠作用，在靠近溝谷底部岸坡及溝谷底部，沿著地表裂縫發育方向均有不同程度的地表隆起，地表隆起最初表現為擠壓破斷，隨著推采進行，破斷逐漸轉化為地表隆起，并不斷增高。谷底的隆起高度要大于岸坡的隆起高度，說明越靠近溝底，斜坡對溝谷方向的擠壓作用越強。溝谷底部地表隆起表現為上升、穩定、上升的過程，最大隆起高度為1.5 m(圖9)。

圖9 溝谷底部隆起發育過程Fig.9 Development process of swell in the bottom of gully

4.3 逆向坡裂縫

逆向坡裂縫與順向坡裂縫的形成機理基本類似，都是由于采空區一側與未采區一側的不均勻沉降引起的，但兩者的裂縫發育規律又有所不同。

煤層工作面推采位置越過溝底之后，逆向坡地表出現拉張裂縫，隨著推采進行，裂縫張度逐漸增大，并出現錯臺。但無論是正向坡裂縫或逆向坡裂縫，錯臺較低的一側一般均指向溝底。當沿上坡方向出現下一條裂縫并逐漸增大時，前一條裂縫張度將逐漸減小并可能發生閉合。逆向坡裂縫的動態發育過程如圖10所示，裂縫在發育過程中裂縫寬度迅速擴大，并逐漸回落后趨于穩定，裂縫的最終寬度值較小，并有可能發生閉合。逆向坡裂縫寬度變化整體呈現增大后又逐漸減小的規律，后續的開采過程中，逆向坡周期性出現新的類似的地表裂縫。

圖10 逆向坡裂縫動態發育過程Fig.10 Development process of cracks in the inverse slope

4.4 覆巖破壞與地表裂縫關系

通過上述分析可以得到煤層覆巖基本的垮落規律及地表裂縫發育過程，可以看出，地表裂縫的產生對煤層覆巖破壞具有延續性，地表裂縫出現的位置符合煤層覆巖破壞剖面正梯形形態特征。

總的來看，受地表地形地貌特征的影響，地表斜坡體在煤層開采過程中基本均向溝谷底部方向移動，由于順向坡與煤層工作面開采方向相同，后生裂縫位于先生裂縫下側，先生裂縫在擴展過程中就會對下側斜坡體造成一定的推擠作用；逆向坡坡向與煤層工作面開采方向相反，后生裂縫位于先生裂縫上側，先生裂縫由于自身擴張對后生裂縫造成的影響較小，但后生裂縫在擴張過程中向下運動，會促使先生裂縫寬度減小，甚至閉合。地表裂縫的產生受煤層覆巖破壞與地表形態兩方面的影響，覆巖垮落為地表裂縫形成的核心因素，地形特征對地表裂縫的形成及發育規律起到外在的影響作用。

5 結 論

1)14210工作面過溝段回采過程中，煤層覆巖裂隙可直接發育至地表，或與地表拉張裂隙貫通，形成貫通裂隙，對礦井的安全生產造成影響。

2)頂板周期性垮落后沉降曲線呈“U”型，沉降值變化速率大的“U”型兩側區域縱向裂隙發育，覆巖沉降值曲線在垂向上具有繼承性，上部巖體的沉降值特征受其下部巖體的沉降值特征決定，覆巖周期性垮落邊界沿自然平衡拱結構邊界發生垮落，遵從平衡拱破壞法則。

3)地表裂縫可根據溝谷坡向與煤層開采方向的關系分為順向坡裂縫、逆向坡裂縫和溝底隆起，順向坡裂縫一般表現為推擠形態，逆向坡裂縫表現為拉張形態，溝底裂縫表現為地表隆起。