黄土覆盖区采煤地表裂隙垂向延伸规律：以神南矿区为例

李 涛，高 颖，冯 海

(1.六盘水师范学院矿业与土木工程学院，贵州 六盘水 553004； 2.西安科技大学地质与环境学院，陕西 西安 710065； 3.陕西煤业化工技术研究院，陕西 西安 710065)

西北地区是我国煤炭主产区，该区大规模的煤炭开采已经诱发了一系列的生态问题，包括植被退化、泉水枯竭、河水减流、地表荒漠化及突水溃沙等。这些生态环境问题严重制约了生态脆弱矿区的煤炭绿色开采，煤炭开采与生态环境保护矛盾突出[1-3]。为此，专家学者开展了保水采煤研究。其中，地表裂隙对浅部土壤含水量有直接影响，造成生态退化，是保水采煤研究中的重要组成部分[4]。

关于地表裂隙，早在煤炭大规模开发的初期就有大量研究成果，涉及地表裂隙的发育深度、宽度、平面展布规律等[5-9]。但当时研究地表裂隙的主要目的是为了评价煤炭开采对地表建筑物、水体、道路的影响，因此重点关注地表裂隙的开度和显现深度。而地表裂隙显现深度下是否还有隐伏裂隙、延伸到什么深度，未见系统研究。保水采煤问题得到了专家的全面关注后，有很多关于采煤塌陷区的研究成果，研究发现采煤土壤含水率影响深度普遍比地表裂隙显现深度更大[10]。

本次研究采用理论分析和地表观测，分析了煤炭开采黄土中地表裂隙的极限显现深度。采用物理相似模拟实验和微电阻率扫描成像测井等，对地表裂隙极限显现深度下的延伸规律进行了研究。

1 研究区概况

1.1 采矿地质概况

研究区位于神木北部矿区的南部(以下简称“神南矿区”)，地貌上属于风沙滩地区和黄土高原的交接地区，包括黄土梁峁与风沙滩地两种主要地貌。目前，神南矿区采煤工作面主要分布在黄土梁峁区，黄土层厚度为40 m左右，最厚达70 m以上。研究区地层倾角约为1°，构造不发育。研究区可采煤层有5层，目前开采区域基本为2个煤层叠加开采区域。采煤方法主要是综采，采煤厚度变化较大，集中在2～5 m。黄土梁峁区煤炭开采后发育了大量的地表裂隙，造成了地表植被不同程度的退化。

图1 研究区水文地质图Fig.1 Hydrogeological map of the study area

1.2 水文地质条件概况

神南矿区水文地质条件如图1所示，区内主要含隔水层自上而下依次是松散砂层含水层(黄土梁峁区缺失)、黄土相对隔水层(离石黄土+保德红土)、基岩含隔水层、煤层隔水层(局部地区由于煤层自燃，上覆基岩演变为被火烧过的岩石含水层)。其中，松散砂层含水层受大气降水补给最富水，但下伏黄土层隔水层较好，因此除火烧的岩石含水层外，其他含水层富水性较差。因此，松散砂层是保水采煤的目的层，黄土层是保水采煤的关键层，其中裂隙发育规律需要开展研究。

2 地表裂隙极限显现深度

2.1 地表观测

在神南矿区N1112工作面和N1206工作面稳定后(回采结束1年以上)，对地表裂隙显现深度进行了观测。观测结果见表1，包括单一采煤工作面和2个工作面叠加区域的观测成果。由表1可知，单一煤层开采区域，煤炭开采厚度越大，地表裂隙显现深度越大，且两者接近正比关系；地表裂隙显现深度还受地形影响，地形平坦区域明显小于地形起伏区域；与采煤工作面推进方向近垂直的裂隙较近平行的裂隙，其显现深度更大；在研究区采矿地质条件下，煤层叠加开采区域较单一煤层开采区域地表裂隙显现深度更大。

表1 地表观测结果Table 1 Results of surface observations

2.2 理论分析

依据前人研究成果[11]，地表裂隙发育的深度约为煤层开采厚度的-2倍。但表1显示的现场观测结果(-0.12～1.45 m)均远小于煤层开采厚度(2.0～6.9 m)的-2倍，说明地表裂隙的显现深度下存在隐伏裂隙(图2)。其中，地表裂隙显现深度主要受黄土主动土压力影响，依据土力学中摩尔库伦理论，计算公式见式(1)。

(1)

式中：hj为黄土地表裂隙的极限自稳深度，m；c为黄土的内聚力，kPa；φ为黄土的内摩擦角，(°)；γ为黄土的容重，kN/m3。 在神南矿区采煤前获取了黄土样，通过室内土工实验测定的黄土参数(c取32.2 kPa，φ取10°，γ取18.4 kN/m3)带入式(1)，可以计算出神南矿区黄土的极限自稳定深度为-4.2 m。由于煤炭开采后，地表黄土受不同程度的卸载作用，实际内聚力c与室内土工试验结果相比会有不同程度的降低，因此地表裂隙显现深度比-4.2 m还要低。

图2 煤炭开采隐伏裂隙发育示意图Fig.2 Schematic diagram of development of hidden fissures in coal mining

3 物理相似模拟

3.1 模型的建立

物理模型以神南矿区1-2煤层(N1112工作面)、2-2煤层(N1206工作面)叠加开采为背景，以采煤工作面上钻孔数据为依据，模拟原型相关参数见表2。物理相似模拟材料方面，基岩选取河沙、石膏、大白粉、粉煤灰和水。黄土则依据前人正交实验成果选定为黄土和食用油[12]。需要指出的是，这种相似配比在几何尺度缩小的前提下，地表裂隙极限显现深度不影响模型地表裂隙的观测。模型的几何比定为1∶150，容重比定为1∶1。最终建立的实验模型尺寸为3.0 m(长)×0.2 m(宽)×2.5 m(高)，如图3所示，并在距离模型地表5 cm深度的黄土中设置位移观测线G。

3.2 模拟结果及分析

依次将模型的1-2煤层和2-2煤层开采，按照设定的几何比，计算出模拟原型的裂隙深度和沉降量，如图4所示。 由图4可知，1-2煤层开采到138 m时，G线沉降稳定在-0.6 m，地表裂隙最大发育深度稳定在-3.75 m。 采煤工作面继续推进至200 m，沉降和地表裂隙不再进一步增大。2-2煤层开采到200 m时，G线沉降稳定在-3.4 m，地表裂隙最大发育深度稳定在-15 m。采煤工作面继续推进至218 m，沉降和地表裂隙不再进一步增大(最终的模拟结果见图5)。物理模拟得到的地表裂隙深度-15 m为煤层采厚(6.97 m)的-2.15倍，这与前人研究结果相当[11]。说明地表裂隙的极限显现深度以下，还有隐伏裂隙的存在。

表2 模拟原型覆岩构成及其力学性质Table 2 Main strata composition and mechanical properties of simulated prototype overburden rock

图3 物理模型Fig.3 Physical model

图4 模拟原型地表裂隙深度和沉降量反演结果Fig.4 Inversion results of simulated prototype surface fissure depth and subsidence

图5 物理模拟结果照片Fig.5 Photograph of physical simulation results

4 现场测试

4.1 现场实测方法

神南矿区N1206工作面主采2-2煤层，采厚4.9 m。在煤层开采塌陷稳定后，在采空区上方实施2个钻孔。其中一个为对比钻孔，设置在未开采区域；另一个钻孔实施的位置，周边地表裂隙有一定的发育。煤层埋深-191.1 m，上覆基岩总厚度为92.24 m，黄土总厚度98.86 m。钻探过程中进行了冲洗液观测、静水位观测和黄土段的微电阻率扫描成像测井(该技术对钻探泥皮以外的地层进行成像测井，是石油系统先进的技术手段)。微电阻率扫描成像测井情况如图6所示，观测结果得到了其他手段的佐证，效果可信。

图6 测井工程实施Fig.6 Logging engineering implementation

4.2 实测结果及分析

实测结果可以分为4段，即距离地表埋深0～6 m 段、-6～13 m段、-13～15 m段和-15 m以深段，现分述如下。

1) 0～6 m段。如图7所示，该段全泵量漏失、没有观测到钻孔水位；另外，由于该段无法存水，微电阻率扫描成像在该段无法实施。综上，认为该段有明显裂隙发育。

2) -6～13 m段。如图7所示，该段冲洗液消耗量有一定的消耗(0.4～0.5 L/min范围内)，有稳定的水位，说明该段相对完整，但存在不连续的小裂隙(图8(a)，微电阻率扫描成像测井判译到的小裂隙)。综上，认为该段有不连续的小裂隙发育。

3) -13～15 m段。如图7所示，该段出现明显的连续裂隙，冲洗液消耗突变，水位也随之消失。另外，微电阻扫描成像测井显示该段有一条完整的裂隙(图8(b))，其裂隙角度为82.7°，裂隙走向为130°，这与采煤工作面推进方向近似垂直，说明这是地表裂隙向深部的延伸。

4) -15 m以深段。如图7所示，该段冲洗液消耗量有明显的降低，钻孔水位稳定，说明-15 m以深裂隙不发育，相应的微电阻率扫描成像也未识别出高角度小裂隙。

综合简易水文观测和微电阻率扫描成像测井成果，可以看出浅表拉张裂隙在N1206工作面主要发育在-15 m以浅，这与物理相似模拟结果相吻合。

图7 黄土中简易水文观测(部分)Fig.7 Simple hydrological observation in loess (part)

图8 成像测井成果Fig.8 Results of imaging logging

5 结 论

1) 依据摩尔库伦理论，研究区煤炭开采地表裂隙极限显现深度为-4.2 m，地表观测到的裂隙发育深度都小于该值。

2) 物理相似模拟实验由于缩小了几何尺度，采动地表裂隙极限显现深度对模拟结果没有直接影响。物理模拟得到神南矿区1-2煤层和2-2煤层叠加开采条件下，地表裂隙发育深度为-15 m，是煤炭开采厚度的-2.15倍，这与前人研究相符合。

3) 神南矿区钻孔微电阻率成像测井和水文简易观测成果显示，研究区采动裂隙有分段性和隐伏性，即极限显现深度以上裂隙发育，然后有一段相对完整区(小裂隙不连续发育)，其下存在隐伏裂隙。