厚黄土覆盖层下覆岩采动裂缝闭合特征及应用研究

张刚艳，颜丙双，邹友平

(1.煤炭科学研究总院 开采设计研究分院，北京 100013；2.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013)

为了从根本上改善采煤沉陷区居民的生产生活条件，同时加快城镇化建设，我国多地相继启动了受损严重村庄的搬迁治理工作。对于资源型城市，煤炭的高强度开采导致大量土地损毁，建设用地匮乏，将不可避免地利用沉陷区作为建筑物兴建场地[1]。

采空区及其上覆岩层残留裂缝空间的二次压缩或失稳对地表建构筑物的影响较大[2-3]，为研究采动覆岩裂缝发育特征，我国学者进行了大量理论和实测研究。刘天泉院士[4-5]提出了覆岩破坏“三带”理论，并对垮落法开采时垮落带、裂缝带的发育特征和高度进行了研究，通过大量巷道观测、钻孔观测及工作面直接观测，得出了不同地质采矿条件下的两带高度计算经验公式；王文学等[6-7]采用彩色钻孔电视、冲洗液漏失量观测、岩芯RQD指标等对厚松散层薄基岩条件下煤层开采15a后的覆岩裂隙进行了实测分析，得出了覆岩裂隙闭合效应和两带变化特征，并建立了地下煤层开采空间演化模型，分析了采空区裂隙岩体应力恢复的时空特征；张玉军等[8-9]采用漏失量观测、彩色钻孔电视观测和相似模拟试验，对综放开采的覆岩破坏高度及裂缝分布特征进行了可视化研究，并对监测到的裂隙发育演化进行了数字化分析；刘贵等[10]采用漏失量观测、彩色钻孔电视观测和相似模拟试验，对非充分采动条件下综放开采覆岩破坏特征进行了研究，认为非充分采动条件下裂缝带发育形态为拱形，区别于充分采动条件下的马鞍形；徐智敏等[11]利用现场超声波成像技术、实验室试验等手段，对煤层顶板采动裂隙闭合的影响因素进行了研究，揭示了顶板隔水层采动裂缝的闭合规律。

以上学者的研究对覆岩裂缝发育特征的研究多是在煤层开采后较短的时间内进行的，对厚黄土层非薄基岩条件下煤层采动裂缝长期压实后的变化特征及闭合规律研究较少。作者利用钻孔冲洗液漏失量观测、彩色钻孔电视观测的可视化手段，对厚黄土层覆盖非薄基岩条件下煤层开采16a后的覆岩裂缝闭合特征进行分析，结果将对该区域地基稳定性评价提供依据。

1 研究区概况

研究区为搬迁新村址，位于山西某矿老采空区之上，该矿开采的4号煤层厚1.46～4.36m，倾角5°～7°，煤层厚度变化呈自西向东逐渐变厚趋势，主要地层为第四系、二叠系下统下石盒子组和二叠系下统山西组，4号煤层位于山西组下部，上覆基岩厚度约170m，第四系黄土层厚度约135m，采用综合机械化长壁采煤法。为掌握研究区采空区塌实及上覆岩层裂隙闭合情况，结合该矿地质采矿条件及工作面实际回采情况，在42201，42202工作面及隔离煤柱上方各布置一个观测钻孔，即GC1，GC2和GC3孔。42201，42202工作面开采时间为1996年3月～2001年7月，GC1钻孔位于42202工作面下巷内侧，距离下巷中心线约10m；GC2钻孔位于42201和42202工作面隔离煤柱中央，距离42201下巷11m，距离42202上巷29m；GC3钻孔位于42201工作面中央，距离下巷中心线约51m。钻孔布置与工作面平面关系如图1所示。

图1 观测钻孔布置

2 覆岩裂缝实测分析

2.1 钻孔冲洗液漏失量

图2为GC1，GC2，GC3钻孔岩性、冲洗液漏失量及水位变化情况。

图2 钻孔岩性、冲洗液漏失量及水位变化情况

图2(a)为GC1钻孔钻进过程中漏失量及水位变化观测数据，钻深240～284.7m层段时，钻孔冲洗液消耗量为1.19～1.55L/s，平均1.42L/s，钻孔水位深度为103～115m，平均约为107m，漏失量保持高位震荡，钻孔水位有所增大但相对平稳，说明该层段未受到明显的采动破坏影响。当钻深286.3m时，钻孔冲洗液消耗量突然增加至2.05L/s，未经衰减继续增大，孔内水位则由109m下降至149m，降幅40m。钻深290.1m时，冲洗液消耗量增加至2.25L/s，孔内水位155m。钻深302.7m时，漏失量达到2.35L/s，之后又迅速增大到2.85L/s，钻孔水位则由159m下降至186m，降幅27m，孔口有轻微吸风现象。GC1钻孔处4号煤埋深约为318.2m，煤层采高为2.30m，根据冲洗液漏失量观测结果，GC1钻孔观测到的导水裂缝带顶点的孔深初步判定为286.3m，导水裂缝带高度为31.9m，裂采比为13.87。

图2(b)为GC2钻孔钻进过程中漏失量及水位变化观测数据，钻深205.3～261.8m层段，钻孔冲洗液消耗量为0.06～0.16L/s，平均为0.12L/s，钻孔水位深度为16.5～20.5m，平均约为18.2m，漏失量和水位有所增加，但变化平稳，幅度较小，说明层段尚未受到明显的采动破坏影响。钻深261.8～297.8m层段，钻孔冲洗液消耗量一般为0.11～0.25L/s，钻孔水位深度一般为19.1～23.6m，平均约为21.1m，漏失量和水位有所增加，但变化仍较为平稳，幅度较小，说明该层段上覆岩层未受到明显的采动破坏影响。GC2钻孔总体钻孔冲洗液漏失量较小，钻进过程中漏失量和水位均缓慢增大，变化幅度较为平缓，未出现大幅度变化情况。缓慢增大的原因是随着揭露岩层深度增大，覆岩原生裂隙增加所致；未出现冲洗液全部漏失及钻孔水位大幅下降的现象，是由于该钻孔对应井下为42201和42202工作面隔离煤柱，煤柱的支撑作用，大幅度减少了覆岩中新裂隙的产生，阻止了裂隙的发育。

图2(c)为GC3钻孔钻进过程中漏失量及水位变化观测数据，钻深180～240.3m层段，钻孔冲洗液消耗量为0.2～1.1L/s，平均为0.5L/s，钻孔冲洗液消耗量明显增大，推测原因为该层段原生裂隙较发育。当钻进至241.1m时，冲洗液消耗量突然增大，经过短暂的衰减之后又迅速增大，钻深268.5m时，冲洗液漏失量为2.55L/s，钻深275.6m时，冲洗液消耗量为2.35L/s。孔内水位则从孔深270.5m开始明显下降，钻进至孔深273.1m时，钻孔水位由上轮的90.7m突然降至137.1m，降幅达47.4m。分析认为，出现冲洗液全部漏失及钻孔水位大幅下降现象是覆岩受到较明显的采动破坏影响，覆岩采动裂隙延伸扩展，改变了岩层原有的完整性，增加了岩层渗透性，使得钻孔冲洗液漏失量大幅增加。钻进至约283.5m时钻进速度明显变快，并伴随有轻微掉钻和埋钻现象，起钻后岩芯破碎，多呈块状，检测到孔口有轻微吸风现象。GC3孔处4煤底板的深度约为300.5m，煤层平均采厚约为2.20m，根据钻孔冲洗液漏失量观测结果，GC3孔导水裂缝带顶点的孔深初步判定为270.5m，导水裂缝带高度30.0m，裂高采厚比13.64。

根据上述观测结果可知，42201工作面和42202工作面经覆岩压实和水力作用16a后，导水裂缝带高度分别为31.9m和30.0m，位于工作面一侧的观测孔GC1实测导水裂缝带高度大于位于工作面中央的观测孔GC3，工作面采动裂缝发育特征仍然符合“马鞍形”形态的分布规律。GC2观测孔位于工作面煤柱正上方，其钻孔冲洗液漏失量和水位变化规律与GC1，GC3观测孔明显不同，冲洗液漏失量较小且波动幅度也不大，结合钻孔柱状结构可知，工作面之间的煤柱仍然保持较好，有效控制上覆岩层运动，阻止了采动裂隙发育。

2.2 彩色钻孔电视观测

根据GC1钻孔观测结果统计，钻孔深度145～280m范围内，共分布14条裂缝，裂缝分布密度为0.1条/m，以闭合裂缝为主，大部分裂缝宽度小于3mm。285～304m范围内共分布12条裂缝，裂缝分布密度为0.6条/m，大部分裂缝也基本闭合，存在少数张开裂缝。如图3所示，钻孔深度285.5m时，裂缝开始呈现裂缝群的状态，裂缝角度开始快速增大，由水平变为倾斜，进而出现大角度垂向裂缝，裂缝最大宽度达10mm，因此可判定钻孔已经进入导水裂缝带范围，导水裂缝带高度为32.7m。这也解释了该位置钻孔冲洗液消耗量迅速增大，水位急剧下降的现象，与冲洗液漏失量观测结果基本相符。

图3 GC1钻孔284～287m段影像

根据GC3钻孔观测结果统计，钻孔深度140～250m范围内，共分布25条裂缝，以闭合裂缝为主，裂缝分布密度为0.28条/m，大部分裂缝宽度小于3mm。270～285m范围内，共分布27条裂缝，裂缝分布密度为5.4条/m，大部分裂缝也基本闭合，仅存在少数张开裂缝。钻孔深度271.8m以下，裂缝多以裂缝群的形式出现，纵横交错，可见岩层已经进入了导水裂缝带，导水裂缝带高度为28.7m。这与钻孔冲洗液漏失量的观测结果基本相符合，如图4所示。由于多年的压实，裂缝带内大部分裂缝已基本闭合，存在的张开裂缝宽度在5mm以下。

图4 GC3钻孔270～273m段影像

由上述观测结果可知，采动覆岩裂隙宽度的分布特征为远小近大，即受煤层开采影响，距离煤层较远的覆岩内产生的裂缝经过多年的覆岩运动近乎压实闭合，裂缝宽度在3mm以下；距离煤层较近的覆岩内产生的裂缝经多年压实后，大部分裂缝也基本闭合，但仍存在少量张开裂缝，最大宽度达10mm，裂缝分布密度也随着靠近煤层而逐渐变大。

2.3 覆岩破坏高度变化对比分析

采动岩体裂隙场随工作面的逐渐推进而形成，不同区域上覆岩层的受力形式及位置也不同[9]。煤层采出后在上覆岩层中形成垮落带、裂缝带和弯曲下沉带，垮落带和裂缝带又统称为导水裂缝带，当工作面推进到一定距离后，导水裂缝带将逐渐发育到最大高度。经过多年覆岩运动，采动岩体裂缝在工作面后方压应力区压实作用、渗流携带物质填充作用以及软弱岩层遇水膨胀作用下[11]，大部分裂缝逐渐闭合，导水裂缝带高度也将发生变化。

采用公式对工作面导水裂缝带高度进行计算，其两带最大发育高度为37.2m，如表1所示。根据钻孔冲洗液漏失量观测结果和彩色钻孔电视观测结果，综合判定GC1和GC3钻孔导水裂缝带高度分别为32.7m和30.0m，与理论计算结果对比可知，导水裂缝带高度分别降低了4.5m和7.8m，降幅为12%和21%。

表1 导水裂缝带高度变化

3 新村址地基稳定性综合评价

(1)

(2)

以新村址为例，新村地面建筑物以2层住宅和1层公建为主，其中住宅的平面宽度13m，最大长度50m，公建的平面宽度9～13m，长25～50m，表土层平均容重取18kN/m3，表土层下方基岩的平均容重取25kN/m3。计算得出拟建场区建筑物的最大影响深度为22m，根据观测孔观测成果，导水裂缝带最大高度为32.7m，而本区域采空区的最小埋藏深度285m，安全保护层厚度远大于2倍的建筑物荷载影响深度。

煤层开采引起的地表移动稳定后，老采空区覆岩虽经历长时间的移动、压实，仍不可避免地存在离层、裂缝和孔洞，而受建筑载荷影响老采空区残留空隙二次压缩或失稳是浅部老采空区地表产生新的较大变形的根本原因[12]。根据观测结果，新村址地层内未发现离层、孔洞和较大裂缝，经过多年压实、渗流携带填充和软弱岩层的遇水膨胀作用，采动裂缝已经基本闭合，对新村址地基稳定性较有利。

地表经过多年移动变形，移动期已经结束，基于概率积分法计算的残余变形量为：最大残余下沉33mm，最大残余水平变形0.4mm/m；最大残余倾斜变形0.5mm/m，远小于《“三下”采煤规范》中规定的建筑物损坏等级I级的数值。综合分析认为，新村址地基具有较好的稳定性。

4 结 论

(1)厚黄土层覆盖条件下煤层开采后覆岩经过16a以上移动变形，采空区上覆岩层中未发现离层、空洞，采动裂缝已基本闭合；工作面煤柱上方未发现明显裂缝，隔离煤柱有效控制了覆岩裂缝发育。

(2)根据钻孔冲洗液漏失量观测、彩色钻孔电视观测结果，采动裂缝宽度与采空区距离呈现远小近大的特征，距离采空区较近的覆岩裂缝宽度相对较大，距离采空区较远的覆岩裂缝已基本闭合，导水裂缝带高度降低了12%～21%。

(3)厚黄土覆盖层条件下煤层开采16a后，建筑物附加载荷引起的老采空区的扰动、残留空隙二次压缩和地表残余变形对新村址影响较小，地基具有较好的稳定性。