淮北孫疃煤礦采煤地裂縫發育特征研究

王子威,蔡 毅,嚴家平,黃 河,馮 宇,尚相春

(1.安徽建筑大學 土木工程學院,安徽 合肥 230601; 2.安徽理工大學 測繪學院,安徽 淮南 232001;3.淮北礦業(集團)有限責任公司 孫疃煤礦,安徽 淮北 235000)

淮北礦區作為年產原煤千萬噸以上的大型礦區,在我國煤炭能源供給上占據重要地位。淮北地處黃淮海平原,礦區煤層埋藏較深且上部覆有松散沖積層,礦區采煤多采用綜采工藝,頂板管理方式為垮落法。煤層開采后引發上覆巖層擾動及地表沉陷,其中地表沉陷不僅周期較長,而且影響范圍遠大于采空區[1]。隨著采煤工作面的推進,地表各處產生不均勻沉降,在工作面上方及外圍形成了大量裂縫,對礦區建筑物構成威脅,同時也會對礦區生態環境及農業生產造成影響[2-7]。因此,為了保障礦區生產生活安全,最大程度降低采煤沉陷引發的地裂縫地質災害,需要針對礦區采煤沉陷地裂縫發育特征展開研究。

目前,眾多學者針對礦區地表移動及地裂縫發育特征進行了研究。胡振琪等[8]通過井上井下相結合的空間坐標控制體系,指出風積沙區動態裂縫超前距與工作面日推進量存在線性關系,邊緣裂縫以“帶狀”“O形圈”分布于開采邊界內側;蘇靜等[9]采用布設地表觀測站的方法,針對厚松散層下綜放開采對地表沉陷范圍的影響進行了研究;李運成等[10]通過構建工作面3DEC數值模型,探究了黃土溝壑區開采導致的地表裂縫的產生機理、發育特征和展布規律。

不同礦區因地質條件存在差異性,其地表移動變形規律及地裂縫發育特征也各不相同[11-19],尤其,針對淮北礦區地裂縫分布及發育規律鮮有系統研究。綜合考慮研究角度及目的,采煤地裂縫常見的3種分類方法有:形態分類法、力學分類法和成因分類法[20]。筆者依據采動裂縫分布狀態,將采煤地裂縫分為內部裂縫及外圍裂縫,其中:內部裂縫主要分布于采空區正上方,偶有延伸越過工作面邊界;外圍裂縫主要分布于采空區邊界及其外圍。通過對孫疃煤礦1047和10111工作面的地面調查與綜合分析,掌握研究區采煤沉陷地表裂縫的一般規律與特征,為礦區采煤地裂縫地質災害防治和生態環境保護提供科學依據。

1 研究區概況

孫疃煤礦位于淮北煤田的南部,含煤巖系沉積環境穩定,地層厚度、煤層間距、煤層厚度均具有一定的穩定性。巖層總體為走向近于南北,向東傾斜的單斜構造,地層傾角一般10°～20°,且沿走向和傾向變化不大[21]。通過對淮北礦區孫疃煤礦1047工作面及10111工作面進行地裂縫觀測及數據分析,系統探究其內部裂縫和外圍裂縫分布及發育規律。

2個工作面概況分述如下:①1047工作面采煤方法為綜采法,推進速度為3.5 m/d,設計走向長560 m,傾向寬220 m。主要回采10煤,上覆松散層厚約220 m,采深-380.4～-427.3 m,采高約3.3 m,煤層傾角為15°。煤層直接頂為厚1.7 m粉砂巖,老頂為厚2.4 m細砂巖;直接底為厚1.2 m粉砂巖,老底為厚3.0 m細砂巖。②10111工作面設計走向長926 m,傾向寬295 m,煤層埋深560 m,上覆松散層厚約230 m,煤層平均采高3.3 m,煤層傾角為19°。工作面推進速度為2.4 m/d,直接頂為厚10.8 m粉砂巖,老頂為厚6.4 m泥巖;直接底為厚2.2 m粉砂巖,老底為厚5.9 m泥巖。工作面地層剖面如圖1所示。

圖1 工作面地層剖面柱狀圖

2 地裂縫監測

2.1 監測手段

針對選取的各工作面內部裂縫及外圍裂縫,采用RTK(載波相位差分技術)定位、無人機監測、地質雷達監測、坑槽探測及地面測量等監測手段開展調查監測。具體而言:針對地裂縫分布位置,采用RTK定位、無人機監測及地面測量的手段;針對地裂縫演化規律,采用無人機對裂縫進行持續監測,同時結合地面測量以完善監測數據;針對地裂縫深度發育,采用地質雷達及坑槽探測法進行監測。地質雷達現場采樣參數見表1。

表1 地質雷達參數設置

2.2 監測方法

2.2.1 地裂縫分布

為了探究研究區工作面地裂縫分布位置,在采空區上方劃定內部裂縫調查區,沿開采方向依次進行內部裂縫調查;在采空區機巷外圍沿垂直開采方向依次進行外圍裂縫調查,基于調查獲取的地裂縫進行RTK定位并對照地面測量。對于工作面范圍較大,同時受地形地物影響的1047工作面,為了有效地避免人工觀測的片面性,同時采用無人機航拍進行調查。

2.2.2 地裂縫演化規律

針對1047工作面內部裂縫發育規律,選取采空區上方1條內部裂縫,采用無人機每2周進行一次持續監測;針對外圍裂縫,在4周內對同一地區內外圍裂縫進行3次無人機拍攝;針對裂縫地表寬度演化,選定1047工作面內部裂縫N6及3條外圍裂縫,布設測點1～7,并對測點進行裂縫地表寬度的持續監測。測點位置如圖2所示。

(a)1047工作面地裂縫分布

(b)10111工作面地裂縫分布

2.2.3 外圍裂縫寬度與深度的關系

為了獲取外圍裂縫寬度與深度之間的關系,采用地質雷達及坑槽探測法,針對發育穩定的外圍裂縫進行監測,具體過程分述如下:①地質雷達布設。在1047工作面機巷外圍布設2條相互垂直測線,分別為SL1和SL2,其中,SL1為南北走向,長度為55 m;SL2為東西走向,長度為106 m,具體測線布設見圖2。本次現場地質雷達波高頻發射,選擇非屏天線500 MHz與100 MHz,分別針對測線SL1和SL2進行測試。②坑槽布設。選取1047工作面測線2中4條比較典型的外圍裂縫,沿垂直于機巷方向進行坑槽布設,開展基于坑槽探測法的地裂縫調查。具體而言,通過開挖探槽,對外圍裂縫的寬度、深度、傾斜度進行觀察、實測。其中坑槽分別距工作面邊緣60、86、104、136 m。坑槽開口處尺寸為150 cm×120 cm×150 cm(長×寬×深),采用3個臺階分層開挖方式,開挖后用羅盤測量裂縫面傾角,用卷尺測量裂縫不同深度時的寬度,并在坑槽底部用卷尺測量裂縫深度。坑槽位置見圖3。

圖3 地質雷達及坑槽布設位置

3 地裂縫分布及演化規律

3.1 內部裂縫分布及演化規律

3.1.1 分布規律

由圖2(a)可知,1047工作面采空區上方共調查有6條內部裂縫。其中,N1～N5內部裂縫相對于N6發育規模較大,長度在3.2～4.6 m,延伸方向為91°～98°,且裂縫延伸位置在靠近工作面邊界時發生轉折,但總體與工作面開采方向基本保持垂直。

3.1.2 裂縫從形成到閉合的演化規律

由1047工作面內部裂縫發育監測結果可知,隨著地下采煤活動的不斷推進,地表沉陷盆地沿工作面采動方向不斷向前發展,平行于開切眼方向的內部裂縫在沉陷盆地的推進過程中規模從小變大再變小,最后趨于閉合。內部裂縫由形成、發展到閉合的過程見圖4。

(a)地裂縫位置

(b)裂縫形成

(c)裂縫發展

3.2 外圍裂縫分布及演化規律

3.2.1 分布規律

10111工作面地表共調查有5條外圍裂縫,其分布如圖2(b)所示。其中,裂縫W1寬3 cm,上下盤落差為5 cm;裂縫W2寬3 cm,上下盤落差4 cm;裂縫W3寬5 cm,上下盤落差為12 cm;裂縫W4寬18 cm,上下盤落差為18 cm;裂縫W5寬5 cm,上下盤高差為14～15 cm。5條外圍裂縫與工作面機巷基本保持平行。外圍裂縫與工作面距離越大,其裂縫之間的間距也會隨之增大,如圖5所示。通過擬合可知,外圍裂縫之間間距與距工作面邊界的距離呈明顯線性正相關關系。

圖5 10111工作面外圍裂縫分布

3.2.2 裂縫從形成到穩定的演化規律

通過對1047工作面選定區域內外圍裂縫的持續調查,從正射影像圖中幾條規模較大的外圍裂縫清晰可見,其長度約30 m,寬度3～10 cm。裂縫發育狀態見表2,外圍裂縫發育過程見圖6。

表2 外圍裂縫發育規律

(a)0周裂縫發育

(b)2周裂縫發育

(c)4周裂縫發育

通過無人機連續拍攝的3次照片可知,在1047工作面發現大量規模較大的外圍裂縫,其發育規律為:靠近機巷位置的外圍裂縫先產生,距離機巷較遠的裂縫后產生;裂縫延伸位置稍滯后于工作面回采位置,但總體與推進位置保持一致;外圍裂縫4周內寬度持續變大,寬度增大速率約1.3 mm/d,從初期進入活躍期后,即裂縫經歷短暫發育后,其地表寬度增長速率逐漸減小,直到穩定狀態;越靠近工作面的外圍裂縫發育寬度越大,且發育速度也越快,這與現場地面實測結果基本一致。

3.3 裂縫地表寬度演化規律

當采空區形成后,上覆巖層移動及變形傳遞至表土層,形成自下而上不斷擴展的地裂縫[22]。對裂縫地表寬度演化規律進行調查,可為裂縫深度預測及裂縫發育過程提供依據。通過對選定測點進行為期21 d共5次的監測,得到內部裂縫及外圍裂縫地表寬度變化規律,具體變化趨勢見圖7。

圖7 裂縫寬度變化趨勢

測點1、2布設在農田邊緣,在進行3次測量之后因農耕活動無法繼續展開監測;測點3、6在第5次測量中受到了人為擾動而出現輕微的裂縫閉合現象。通過觀察測點1、2及測點7前3次監測數據可知,在裂縫發育的前期及活躍期內,內部裂縫寬度的增長速度要明顯大于外圍裂縫;通過觀察與工作面邊緣不同距離的測點,即測點3與測點4、5或通過測點6與測點4、5可知,與工作面邊緣距離越小,外圍裂縫的寬度增長速度越快;通過觀察同一條外圍裂縫不同位置的測點,即測點5與測點6、7的前4次數據可知,隨著工作面的不斷推進,外圍裂縫在進入活躍期后,回采位置后方的裂縫發育速度小于推進前方的裂縫發育速度。

4 外圍裂縫寬度隨埋深的變化規律

內部裂縫隨著采煤工作面的推進,受采動影響,具有“自修復”特征[23]。而分布于采空區邊界上方及外圍的裂縫,在不受外力干擾的條件下,形成后將長期存在于地表,相對于內部裂縫,其對農業生產及生態環境具有更嚴重的影響[24-26]。因此,選取1047工作面4條發育穩定的外圍裂縫,進行地質雷達及坑槽探測法研究。

基于地質雷達共布設2條測線,針對1047工作面地裂縫深度演化展開探測,測試結果見圖8。

(a)SL1測線500 MHz天線測試結果

(b)SL1測線100 MHz天線測試結果

(c)SL2測線500 MHz天線測試結果

(d)SL2測線100 MHz天線測試結果

由圖8可知,測線SL1總長55 m,測線SL2總長106 m,2條測線均發現14個異常位置,記為點1～14。其中,測線SL1根據異常點與測線相對位置及雷達波響應特征可大體分為4段:點1～2為第一段,其異常點分布位置分別為測線6.1 m及10.0 m處,發育深度在8.7～8.8 m,雷達波顯示點1淺部相位連續,中部缺失,深部錯斷,點2淺部相位缺失,深部連續;點3～6為第二段,其異常點分布位置在測線17.8～22.3.m,裂縫發育深度在6.5～8.0 m,異常點雷達波顯示為淺部相位缺失,深部錯斷;點7～10為第三段,該段異常位置分布在測線32.3～40.8 m,發育深度在6.7～8.7 m,其中,點7～9雷達波顯示為相位缺失,點10顯示為淺中部相位連續,深部錯斷;點11～14為第四段,其異常點分布位置測線46.6～53.4 m,該段裂縫發育深度為7.1～9.6 m,異常點雷達波響應特征為淺部相位連續,中部缺失,深部錯斷。

同理,測線SL2總長106 m,根據異常點與測線相對位置及雷達波響應特征可分為5段:點1為第一段,該點位于測線6.0 m處,發育深度為7.6 m,且該點與測線SL1中異常點2分布于同一條外圍裂縫上,雷達波響應特征為淺部相位錯斷,中部缺失,深部錯斷;點2及點3為第二段,該段分布位置分別在測線13.8 m及16.0 m處,裂縫發育深度為11.7～12.0 m,點2雷達波響應為相位缺失,點3為淺部相位連續,深部缺失;點4～6為第三段,該段分布位置為測線26.0～50.6 m,其中,點4與測線SL1中異常點9分布于同一條外圍裂縫上,點4～6裂縫發育深度穩定在7.5～7.6 m,異常點雷達波響應特征均為淺部相位錯斷,中部缺失,深部錯斷;點7～10為第四段,異常點分布在測線69.8～81.8 m,其中點7發育深度為7.5 m,點8～10發育深度均為8.8 m,該段異常點雷達波響應特征均為淺部相位錯斷,中深部缺失;點11～14為第五段,分布位置為測線85.2～103.9 m,裂縫發育深度在6.4～13.7 m,該段異常點雷達波響應均為淺部相位連續,中部缺失,下部錯斷。

此外,同時選取1047機巷外側4條典型外圍裂縫進行坑槽探測法試驗,以探究裂縫寬度與深度演化規律。對探測數據進行處理,擬合裂縫寬度L與深度H之間的關系,以1#、2#坑槽為例,進行不同函數的擬合(見表3),并結合地質雷達結果,確定適合的擬合函數,并預測坑內裂縫的發育深度。

測線SL1中點2及SL2中點1與1#坑槽所選擇外圍裂縫為同一條,SL1中點9及SL2中點4與2#坑槽所處同一條裂縫,SL2中點6及點7分別與3#、4#坑槽處于同一條裂縫,結合圖8及表3可知,外圍裂縫深度與其寬度符合對數函數關系。1#、2#坑槽裂縫具體函數關系見表3,3#、4#坑槽裂縫具體函數如下:

3#坑槽裂縫深度與寬度函數關系:

H=97.15lnL-213.6,R2=0.973

(1)

4#坑槽裂縫深度與寬度函數關系:

H=114.08lnL-249.26,R2=0.753

(2)

式中:H為裂縫深度,cm;L為裂縫寬度,cm。

1#～4#坑槽裂縫發育深度與寬度的關系曲線如圖9所示。

(a)1#坑槽

(b)2#坑槽

(c)3#坑槽

(d)4#坑槽

由圖9可知:1#坑槽裂縫發育深度約為753 cm;2#坑槽裂縫發育深度約為840 cm;3#坑槽裂縫發育深度約為661 cm;4#坑槽裂縫發育深度約為775 cm。由于松散層不均勻,預測裂縫深度與地質雷達結果相比,存在0.2～1.4 m的偏差,可認為數值模擬結果基本符合實際狀況。1#～4#坑槽所在裂縫傾角分別為89°、88°、86°、83°,由此可知外圍裂縫隨著其與工作面距離的增大而呈現傾角變小的趨勢。

5 結論

1)根據裂縫分布特征,將研究區采煤地裂縫分為內部裂縫和外圍裂縫。其中,內部裂縫分布于采空區正上方,其延伸方向與工作面開采方向基本保持垂直,發育周期較短且呈現“形成—發展—閉合”的規律;外圍裂縫分布于采空區邊界及其外圍,其延伸方向與工作面開采方向基本保持平行(接近開切眼或終采線處除外),且呈現“形成—發展—穩定”的規律。

2)通過對研究區外圍裂縫的監測表明:外圍裂縫間距與距工作面邊界的距離呈明顯線性正相關關系;外圍裂縫隨著工作面開采不斷發育,但其延伸位置稍滯后于工作面開采位置;外圍裂縫在進行部分發育后,裂縫地表寬度增長速率逐漸減小,直到穩定狀態,且工作面推進前方的外圍裂縫寬度發育速度大于后方的外圍裂縫發育速度。

3)對1047工作面外圍裂縫觀測數據進行分析擬合,并結合地質雷達測量結果,可知研究區外圍裂縫發育深度為6.4～13.7 m;裂縫傾角近于垂直,且裂縫傾角隨其與工作面距離的增大而減小;裂縫發育深度與寬度呈對數函數關系變化趨勢。