彬長礦區(qū)亭南煤礦開采地裂縫發(fā)育規(guī)律研究

張 曄，田增輝，祁宇璇

(陜西省一八六煤田地質(zhì)有限公司，陜西 西安 710065)

0 引言

亭南煤礦位于陜西省咸陽市長武縣境內(nèi)、彬長礦區(qū)中部。煤礦東西長11.3 km，南北寬5.1 km，面積35.55 km2。開采規(guī)模為300萬t/a，采用傾向長壁后退式綜采放頂煤采煤方法回采，垮落法管理頂板，目前二盤區(qū)已采4個(gè)工作面，三盤區(qū)已采2個(gè)工作面。

2013年至今，采空區(qū)上方出現(xiàn)多條地裂縫，形成多級錯(cuò)臺(tái)，引起地面塌陷，所以，有必要對地裂縫的發(fā)育規(guī)律進(jìn)行分析研究，提出防治對策建議，對采礦引起地面建筑物變形、生態(tài)環(huán)境的保護(hù)、周邊居民的生命財(cái)產(chǎn)安全及相關(guān)部門的決策具有重要的指導(dǎo)意義。

1 地質(zhì)特征

1.1 地層及煤層

區(qū)內(nèi)地層由老到新依次為：三疊系上統(tǒng)胡家村組(T3h)，侏羅系下統(tǒng)富縣組(J1f)，侏羅系中統(tǒng)延安組(J2y)、直羅組(J2z)、安定組(J2a)，白堊系下統(tǒng)宜君組(K1y)、洛河組(K1l)、華池組(K1h)，新近系(N)，第四系下更新統(tǒng)(Q1)、中更新統(tǒng)(Q2)、上更新統(tǒng)(Q3)、全新統(tǒng)(Q4)。

延安組為含煤地層，鉆孔揭露普遍沉積，最大厚度105.24 m，平均厚度63.92 m。巖性以河沼相砂泥巖沉積為主，含煤0～4層，其中可采煤層1層。

4號煤層為區(qū)內(nèi)唯一可采煤層，全區(qū)可采，厚度4.75～22.90 m，平均厚度15.57 m，厚煤層占100%。4號煤層厚度變化規(guī)律明顯，從南西至北東向煤層厚度增加，結(jié)構(gòu)簡單至較簡單，屬穩(wěn)定煤層。埋深401.32～788.60 m，平均埋深594.82 m。

1.2 構(gòu)造

區(qū)內(nèi)含煤地層延安組直接或間接沉積基底為三疊系胡家村組，其起伏形態(tài)與三疊系大致相當(dāng)。

褶曲：煤礦南部處于路家—小靈臺(tái)背斜中段，煤礦以北為董家莊背斜，如圖1所示。全煤礦大部分地區(qū)處于董家莊背斜南翼，路家—小靈臺(tái)背斜北翼，形成了2個(gè)寬緩的聚煤凹陷區(qū)。北部的哪坡—杏曹灣—公坡寺凹陷區(qū)和中塬—亭口北凹陷區(qū)，至亭口鎮(zhèn)北，兩凹陷區(qū)合而為一，該凹陷屬礦區(qū)南玉子向斜的西部。凹陷以南、以西及西北均為隆起區(qū)，凹陷區(qū)自東向西地層逐漸抬高。煤礦東南角屬安化向斜的西端，為凹陷區(qū)，沉積了巨厚煤層。凹陷區(qū)及背斜軸部地層產(chǎn)狀近水平，兩翼傾角也較平緩，一般3°～7°。構(gòu)造總體走向NEE，地層起伏幅度70～100 m。

圖1 構(gòu)造綱要Fig.1 Structure outline

斷層：地表未發(fā)現(xiàn)斷層。在亭南煤礦生產(chǎn)礦井中見4處斷距1.20～1.50 m的小斷層。

總體看來，全煤礦含煤地層沿走向、傾向的產(chǎn)狀變化不大，產(chǎn)狀接近水平或傾角很小，斷層稀少，屬簡單構(gòu)造。

1.3 自然地理

煤礦屬塬川地貌，西高東低，塬面開闊平坦，最高海拔1 194 m，最低海拔850 m，最大高差344 m，塬溝相對高差200 m，塬川相間，溝谷發(fā)育，形成渭北典型的黃土高原溝壑地貌。多年平均降雨量576.1 mm，降雨多分布在4～10月，主要集中在7、8、9月份，約占全年降水的54.9%。

黑河由西北向東南流經(jīng)煤礦東北部，在亭口鎮(zhèn)東側(cè)注入涇河。黑河最大流量1 160.00 m3/s，平均2.78 m3/s。

1.4 地質(zhì)總體特征

煤層直接充水含水層為侏羅系中統(tǒng)直羅組砂巖裂隙含水層以及侏羅系中統(tǒng)延安組煤層及其頂板砂巖含水層，充水方式為頂板進(jìn)水，富水性微弱。白堊系洛河砂巖含水層雖為礦井間接充水含水層，但其厚度大，分布范圍廣，富水性較強(qiáng)，并于局部地段可能通過導(dǎo)水裂隙帶與礦井井巷系統(tǒng)溝通，對礦井開采構(gòu)成一定威脅。井巷圍巖為各粒級砂巖及砂質(zhì)泥巖，屬層狀沉積巖類。巖性變化較大，巖體以層狀結(jié)構(gòu)為主，具各向異性，強(qiáng)度較低變化較大。巖石屬質(zhì)量劣完整性差-質(zhì)量中等完整性中等。隨著礦井大規(guī)模開采，局部出現(xiàn)地面塌陷、地裂縫等礦山環(huán)境地質(zhì)問題。

2 煤礦地裂縫發(fā)育現(xiàn)狀

2.1 地裂縫發(fā)育規(guī)模

亭南煤礦自2005年聯(lián)合試運(yùn)營以來，采礦誘發(fā)形成塌陷盆地2處，塌陷面積達(dá)2.62 km2，最大沉降量為1 920 mm，誘發(fā)地裂縫5處。地裂縫為地面塌陷的派生裂縫，是地面塌陷的另一種表現(xiàn)形式，共調(diào)查了22條裂縫，其中，寬度在5 cm以內(nèi)的裂縫6條，占27%；寬度在5～25 cm之間的裂縫3條，占14%；寬度在25～50 cm之間的裂縫12條，占55%；寬度大于50 cm的裂縫1條，占4%，如圖2所示。落差在5 cm以內(nèi)的裂縫7條，占32%；落差在5～25 cm的裂縫2條，占9%；落差在25～50 cm的裂縫11條，占50%；落差大于50 cm的裂縫2條，占9%，如圖3所示。裂縫最長951 m，最大寬度90 cm，可探深度最大4.50 m，最大落差1.20 m。各處地裂縫發(fā)育規(guī)模見表1。

表1 裂縫特征統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of fracture characteristics

圖3 裂縫落差占比Fig.3 The proportion of crack drop

2.2 地裂縫平面展布位置

煤礦開采共誘發(fā)地裂縫5處22條，其中F1～F9分布在304工作面東南側(cè)邊緣，F(xiàn)10～F13分布在302工作面西北側(cè)上方，F(xiàn)14～F16分布在207工作面西北邊緣，F(xiàn)17～F19分布在206工作面西北邊緣，F(xiàn)20～F22分布在204工作面東北邊緣，均位于采空區(qū)周圍，如圖4、5所示。

圖4 F1～F13地裂縫分布位置Fig.4 Distribution location of ground cracks F1～F13

圖5 F14～F22地裂縫分布位置Fig.5 Distribution location of ground cracks F14～F22

3 地裂縫發(fā)育特征

3.1 裂縫發(fā)育平面形態(tài)

直線型：裂縫近乎平直，延伸方向穩(wěn)定，亭南煤礦302、304工作面發(fā)育的幾條裂縫為直線型。

曲線型：裂縫延伸方向發(fā)生多次變化，但總體趨勢朝一定方向延伸。

分叉型：裂縫發(fā)育到某一位置后，然后朝2個(gè)或2個(gè)以上方向延伸。

雁列型：幾條地裂縫大致平行，呈雁列式排列，延伸較短，如206、207工作面上方的地裂縫。

臺(tái)階型：幾條裂縫大致平行，呈臺(tái)階狀，平行于順槽方向，落差較大。302、304工作面上方的地裂縫多為此種類型。

3.2 地裂縫發(fā)育剖面形態(tài)

根據(jù)地裂縫兩側(cè)有無落差，將地裂縫分為有落差的裂縫和無落差的裂縫。

有落差裂縫：裂縫兩側(cè)的巖土體產(chǎn)生了明顯的落差，形成錯(cuò)臺(tái)，亭南煤礦地裂縫的落差介于25～120 cm，平均41 cm，這些地裂縫多位于采空區(qū)邊緣，平行于順槽方向。

無落差裂縫：裂縫兩側(cè)的巖土體未產(chǎn)生落差，或者落差非常小。

4 煤礦地裂縫影響因素分析及成因探討

根據(jù)以往研究成果，煤礦地裂縫的發(fā)育程度和采煤方法、煤層賦存條件、開采地質(zhì)條件、地表巖土體性質(zhì)、地形地貌、降雨等有密切相關(guān)。亭南煤礦已開采的工作面均采用傾向長壁后退式綜采放頂煤采煤方法回采，垮落法管理頂板，同時(shí)根據(jù)表2可以看出，工作面長度、采厚變化不大，所以本次從煤層埋深和上覆基巖厚度、松散層厚度、地形地貌及降雨等因素進(jìn)行分析。

表2 工作面特征統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistics of working face characteristics

4.1 煤層埋深和上覆基巖厚度

煤層開采深度及上覆基巖厚度會(huì)影響煤層充分開采的程度，工作面長度相同的情況下，前兩者越大，煤層開采后地表變形約小，地裂縫的規(guī)模越小。從表2可以看出，由于工作面上方松散層厚度變化較大，導(dǎo)致裂縫發(fā)育程度和采深關(guān)系不明顯；207、206、204、302工作面上覆基巖厚度分別為534.00 m、508.05 m、496.85 m、465.90 m，裂縫發(fā)育平均寬度分別為3 cm、5 cm、30cm、47.5 cm，可以看出，隨著上覆基巖厚度的增加，穩(wěn)定性增加，對地表的影響程度減小，裂縫發(fā)育程度呈明顯的遞減趨勢。

4.2 松散層厚度

亭南煤礦松散層為新近系紅土和第四系黃土，厚度0.00～296.50 m，平均厚度119.55 m，成分以黏土、砂質(zhì)黏土、亞黏土為主，松散層力學(xué)性質(zhì)差，抗變形能力較差，松散層厚度越大，地表裂縫越發(fā)育，松散層厚度越小，反之。同時(shí)，塑性大的黏土、亞黏土占比越大，在相同的基巖沉降量下地裂縫的發(fā)育程度越小，在土層中的延展深度也越小。

4.3 地形地貌

亭南煤礦屬塬川地貌，西高東低。塬面開闊平坦，最高海拔1 194 m，川道最低海拔850 m，塬灘最大高差344 m，塬溝相對高差200 m，同時(shí)溝谷發(fā)育，地形坡陡溝深，坡度多為45°～65°，局部地段大于80°，易發(fā)生崩塌、滑坡等物理地質(zhì)現(xiàn)象。

從表3可以看出，204、302、304工作面上部發(fā)育的地裂縫均位于斜坡上，206、207工作面上方發(fā)育的地裂縫位于河流階地之上，位于斜坡上的裂縫規(guī)模從長度、寬度、落差等都明顯較塬面上的裂縫發(fā)育，斜坡使地裂縫的規(guī)模加劇，滑移加大，促使裂縫長度、寬度、落差等增加。

表3 各采空區(qū)上方地裂縫發(fā)育規(guī)模統(tǒng)計(jì)Table 3 Statistics on the development scale of ground cracks above each goaf

4.4 降雨

地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生和降雨關(guān)系密切，煤礦地裂縫隨著工作面向前推進(jìn)緩慢產(chǎn)生，發(fā)育規(guī)模逐漸變化，但是遇到暴雨或者連續(xù)降雨，雨水順著裂縫灌入，使松散層力學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，強(qiáng)度降低，使裂縫規(guī)模短時(shí)間加劇，尤其處于斜坡地帶的裂縫，雨水順坡而下，遇到裂縫完全灌入，對地裂縫的影響更甚。

4.5 成因探討

亭南煤礦地裂縫為煤礦開采所引起，從地下開采到地表沉陷是覆巖中應(yīng)力場、位移場復(fù)雜變化的過程，在這個(gè)過程中，開采空間是導(dǎo)引，覆巖破壞是過程，地表沉陷則為最終結(jié)果，而地裂縫則是地面沉陷坡壞的一種主要形式。亭南煤礦采用綜合機(jī)械化開采，全部垮落式管理頂板，地下煤層采出后，采空區(qū)直接頂板巖層在自重力及其上覆巖層作用下，產(chǎn)生向下的移動(dòng)和彎曲，當(dāng)其內(nèi)部拉應(yīng)力超過巖層的抗拉強(qiáng)度極限時(shí)，直接頂板首先斷裂、破碎、相繼冒落，而老頂巖層則以梁或懸臂彎曲的形式沿層理面法線方向移動(dòng)、彎曲，進(jìn)而產(chǎn)生斷裂、離層，隨著工作面的向前推進(jìn)，受采動(dòng)影響的巖層范圍不斷擴(kuò)大，開采影響逐漸波及到地表，地表開始下沉，但下沉的速度和幅度不同，從而形成地面塌陷及其伴生的地裂縫。地表塌陷表現(xiàn)為連續(xù)性、不均勻性、全區(qū)遍布性。地面塌陷的邊緣區(qū)以拉伸變形、水平位移和傾斜位移為主，形成地裂縫。

5 結(jié)語

亭南煤礦地裂縫為煤礦開采所引起，地裂縫平面形態(tài)特征為直線型、曲線型、分叉型、雁列型、臺(tái)階型；剖面形態(tài)特征分為有落差的裂縫和無落差的裂縫。地裂縫的發(fā)育規(guī)模主要受地形地貌、降雨、上覆基巖厚度、松散層厚度等因素的影響，地裂縫的發(fā)生發(fā)展是循序漸進(jìn)的，由小變大，由地下延伸到地表，外界條件發(fā)生變化時(shí)，地裂縫會(huì)發(fā)生突變。地裂縫的發(fā)生會(huì)危及到地面建筑的安全，同時(shí)會(huì)導(dǎo)通含水層，及時(shí)采取合理的措施，防止或減輕地裂縫的發(fā)育，對礦山安全生產(chǎn)及保護(hù)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境具有重要意義。考慮到煤層埋藏深度、開采厚度、開采方法、采區(qū)分布面積等多種因素，建議留出保安煤柱，控制開采厚度，加強(qiáng)頂板管理，以減少地面不均勻沉降、地裂縫等礦山工程地質(zhì)問題發(fā)生。