不同地貌條件下采煤地表裂縫發育規律

張 艷，胡圣桃，龍建霖，吳彩艷

(1.陜西省一九四煤田地質有限公司，陜西 銅川 727000；2.陜西省一八五煤田地質有限公司，陜西 榆林 719000)

0 引言

陜北地區是我國煤炭開采的主要產區之一，處于黃土高原和毛烏素沙漠交接的位置[1]。煤炭開采與水資源、土地資源和生態環境的關系十分密切，采煤地表裂縫更是關鍵的一環[2-4]。目前，陜北采煤區包括神北礦區、神南礦區、神府礦區、榆神礦區和榆橫礦區等。其中，神北礦區以風沙灘地貌為主，榆神礦區、神府礦區等已經開采區域以黃土梁峁地貌為主。神南礦區則橫跨兩大地貌，是目前已經開采區域中地貌對比最強烈的區域。不同地貌下采煤對地表的擾動對比研究意義重大。

國內關于采煤地裂縫的研究十分豐富，在方法上有野外地質調查、遙感、無人機觀測、數值模擬、物理模擬及理論研究等[5-7]。在研究內容方面，有單一煤層開采地裂縫研究，有多煤層疊加開采地裂縫研究，有地表裂縫幾何特征研究，有隱伏地下裂縫幾何特征研究，有地裂縫對土壤影響的研究，有地裂縫對生態環境的影響研究，有采煤地裂縫發育機制研究，有單一地貌下地裂縫發育特征研究[8-12]。但在同一開采煤層不同地貌條件下，系統地采用野外地質調查方法對比分析采煤地裂縫發育規律的研究未見報道。

為此，以陜北典型的黃土梁峁地貌和風沙灘地貌為背景，同樣開采檸條塔煤礦2-2煤層，系統分析2個工作面的觀測邊界裂縫和平行裂縫特征，并對比其中的差異。

1 研究區概況

1.1 地形地貌條件

研究區為陜北侏羅紀煤田陜北礦區某大型煤礦，位于陜北神木市西北部，南部為榆神礦區，沿礦區中部考考烏素溝分割為2大類地貌單元，即北部為黃土溝壑地貌，南部為風沙灘地貌，如圖1所示。礦井內可開采煤層有11層，但目前主要開采1-2煤層和2-2煤層，其中2-2煤層2種地貌單元都大量賦存，是本次研究的目標煤層，其平均厚度5.56 m。已有的研究和實踐證明采煤地表裂縫受多種因素制約，其中地貌的影響就是其中的關鍵因素，因此選取以下相似工作面進行對比研究。

圖1 研究區典型地貌

1.2 采煤工作面概況

1.2.1 黃土溝壑區典型采煤工作面

本次選取的采煤工作面為N1209工作面，該工作面位于考考烏素溝以北，地表為典型黃土溝壑地貌。工作面傾向長度295 m，走向長度1 316 m，傾角0.3°。工作面開采2-2煤層，平均厚度5.87 m，煤層總體近于水平，構造簡單。該采煤工作面地表為黃土溝壑地區，中間高、東西低，煤層距離地表86～175 m，上覆黃土層厚度33～95 m，溝谷區薄，梁峁區厚，基巖厚度84～120 m，厚度變化與土層大體相當。

N1209工作面自2011年12月開始推采，于2012年5月回采完畢，采高平均4.02 m。該工作面老頂初次來壓步距為45.5 m。工作面上部周期來壓步距13.0～14.0 m，平均步距13.5 m；中部9.0～14.0 m，平均步距12.0 m；下部8.0～14.0 m，平均步距11.8 m，整個工作面老頂周期來壓步距最大為14 m，最小為9 m，平均13.41 m。

1.2.2 風沙灘地區典型采煤工作面

本次選取的采煤工作面為S1207工作面，該工作面位于考考烏素溝以南，地表為典型的風沙灘地地貌類型。該工作面開采2-2煤層，煤層厚度4.8～6.8 m，平均厚度5.9 m，煤層近水平，埋藏深度85～120 m，工作面煤層賦存穩定。頂板基巖厚30.48～35.86 m。工作面地面為風積沙地貌，地形西、南高，東、北低，地勢較平坦，地面標高+1 227～+1 262 m。

S1207綜采工作面于2013年6月開始推采，2014年7月回采完畢，采高5.4 m左右。該工作面直接頂垮落步距為7.3～9.8 m，平均值為9.3 m，來壓強度為14.7～28.5 MPa，平均值為18.2 MPa；工作面老頂初次來壓步距為34～103.3 m，平均值為64.8 m；初次來壓強度為23.2～43.3 MPa，平均值27.3 MPa；工作面老頂周期來壓步距8.9～18.9 m，平均來壓步距為14.8 m；老頂周期來壓強度17.2～42.5 MPa，平均值為31.7 MPa。

2 野外地質調查

本次野外地質調查采用人工填圖開展采煤地裂縫調查，由于采煤工作面范圍較大，因此對其中一段進行填圖。主要觀測采煤地裂縫的空間展布和幾何特征，詳細地質調查結果如下。

2.1 黃土溝壑區典型采煤工作面地調結果

2.1.1 地質調查結果

對N1209采煤工作面的采煤地表裂隙進行了部分的地質調查，調查范圍位于采煤工作面的中部。地質調查的結果如圖2所示。由圖2可以看出調查區采煤地裂縫普遍分布，但總體可以分為2組，即邊界裂縫和平行裂縫。所謂平行裂縫是指大體垂直于工作面回采方向。所謂邊界裂縫是指采煤工作面兩巷投影地表的區域，該區域的裂縫與采煤工作面的邊界近似。

圖2 黃土溝壑區采煤地表裂縫空間展布

2.1.2 平行裂縫

空間連續性方面，同一次礦山壓力形成的裂縫連續性不好，存在明顯的斷開，一般在等高線變化具體的區域；另外，黃土溝壑區的平行裂縫存在明顯的分叉特性，如f9裂縫，在等高線變化較大的裂縫端部出現分叉現象。整體的連續形態多為弧形。采煤地裂縫間距方面，平行裂縫之間的距離為9～23 m不等，在上、下坡處變化較大，平坦的梁峁頂部變化較小，在溝谷處間距出現最大值。采煤地裂縫空間位態方面，由于黃土梁峁地形有起伏，在爬坡階段形成順坡地裂縫，在下坡時則容易形成塌陷槽，如f5裂縫。采煤地裂縫幾何特征如圖3所示，典型的采煤地裂縫落差集中在0.1～0.4 m，寬度集中在0.1～0.4 m，僅塌陷槽處寬度達到0.7～1.0 m。采煤地裂縫充填性方面，采煤地裂縫普遍開口，無顯著的充填特性，僅少量黃土充填。

圖3 黃土溝壑區典型采煤地表裂縫

2.1.3 邊界裂縫

空間連續性方面，邊界裂縫連續性不好，存在明顯的斷開，延伸約50 m后斷開；整體的連續形態為弧形。采煤地裂縫間距方面邊界裂縫1組由3～4條裂縫構成，各條邊界裂縫之間的距離為0～2 m，并最終交叉在一起。采煤地裂縫空間位態方面，由于黃土梁峁地形有起伏，在爬坡階段形成順坡地裂縫，在下坡時則容易形成塌陷槽。采煤地裂縫幾何特征如圖3所示，典型的采煤地裂縫落差集中在0.1～0.35 m，寬度集中在0.1～0.3 m。采煤地裂縫充填性方面，采煤地裂縫普遍開口，無顯著的充填特性，僅少量黃土充填。

2.2 風沙灘地典型采煤工作面地調結果

2.2.1 地質調查結果

對S1207采煤工作面的采煤地表裂隙進行了地質調查，調查范圍位于采煤工作面的開切眼段。地質調查的結果如圖4所示。由圖4可以看出調查區采煤地裂縫普遍分布，總體也可以分為2組，即邊界裂縫和平行裂縫。2種類型的采煤工作面的主要特征分述如下。

圖4 風沙灘區采煤地表裂縫空間展布

2.2.2 平行裂縫

空間連續性方面，同一次礦山壓力形成的裂縫連續性較好，僅少量采煤地裂縫存在斷開現象，且無明顯的分叉特性；整體的連續形態多為直線。采煤地裂縫間距方面，平行裂縫之間的距離為9～15 m不等，整體變化較小。采煤地裂縫垂直于地表向下發育，也有少量塌陷槽，如f10裂縫。采煤地裂縫幾何特征如圖5所示，典型的采煤地裂縫落差集中在0～0.2 m，寬度集中在0～0.2 m。采煤地裂縫普遍閉口，有顯著的充填彌合特性，充填物為風積沙。

圖5 風沙灘區典型采煤地表裂縫

2.2.3 邊界裂縫

空間連續性方面，風沙灘區邊界裂縫較黃土溝壑區連續性較好，但仍然存在斷開現象，但延伸約100 m。整體的連續形態多為弧線線。邊界裂縫1組僅1個采煤地裂縫，無間距。采煤地裂縫垂直于地表向下發育，未見塌陷槽。典型的采煤地裂縫落差集中在0～0.3 m，寬度集中在0～0.2 m，但開切眼處的采煤地裂縫形成了塌陷槽，落差最大達到0.7 m。采煤地裂縫普遍閉口，有顯著的充填彌合特性，充填物為風積沙。

3 不同地貌采煤地裂縫對比分析

3.1 不同地貌下采煤地裂縫差異特征

將不同的地面采煤地裂縫的相關數值統計，結果見表1?？梢钥闯?，黃土梁峁地貌下采煤地裂縫的連續率更低、采煤地裂縫的間距變化更大；采煤地裂縫的平均寬度和落差較風沙灘地貌都更大，采煤地裂縫的充填性更差。

表1 不同地貌采煤地裂縫差異統計

3.2 差異機理分析

研究區最大和最小海拔點就位于黃土梁峁區，說明黃土梁峁地貌的高差更大，山區松散層的穩定性更差，有大量的黃土崩塌現象發育，最終造成黃土梁峁地貌下的采煤地裂縫的幾何尺寸更大。黃土梁峁地區的連續間斷區間主要集中在溝谷區域，此處是黃土高原水土運移的主要通道，容易發生裂縫愈合，因此黃土梁峁地貌下裂隙的連續性更差。通過井下的礦山壓力觀測可以得到黃土梁峁地區由于上覆荷載的不均勻性，來壓步距的方差較風沙灘區更大，而已有的研究認為平行裂縫主要是由于礦山來壓造成，因此黃土梁峁地貌的采煤地裂縫間距變化范圍更大。已有的研究證明，風沙灘區的風積沙的沉積速率遠大于黃土梁峁區，因此風沙灘區的采煤地裂縫普遍有高充填率特性。

4 結論

(1)黃土溝壑區與風沙灘區采煤地裂縫類型一致，均包括邊界裂縫和平行裂縫。其中，平行裂縫風沙灘區有明顯的充填彌合現象，充填率達到96%，黃土溝壑區彌合現象不顯著，充填率僅14%。

(2)黃土溝壑區平行裂縫展布不均勻，受黃土溝壑地貌影響顯著，間距方差達17，而風沙灘區裂隙間距僅3.2。

(3)黃土溝壑區平均裂隙寬度為0.21 m，而風沙灘區更小，平均裂隙寬度為0.10 m。