浅埋煤层沟道采动裂缝发育特征及治理方法

侯恩科，冯 栋，谢晓深，从 通，李民峰，冯 冲，刘凡凡，杜超杰

(1.西安科技大学 地质与环境学院，陕西 西安 710054; 2.西安科技大学 陕西省煤炭绿色开发地质保障重点实验室，陕西 西安 710054; 3.陕西涌鑫矿业有限责任公司，陕西 府谷 719400)

陕北侏罗纪煤田煤炭资源丰富，煤质优良，目前开采的煤层具有埋藏较浅、上覆基岩较薄等特点[1]。煤层开采后造成的地面塌陷、生态环境损伤和地表裂缝溃水水害问题严重[2]。近年来不少学者从不同角度对煤层开采诱发的地表裂缝及其溃水水害问题进行了研究[3-8]。

针对地表裂缝发育规律的研究手段主要有现场实测、室内实验和理论分析等。现场实地观测能够为地表裂缝的的静态、动态发育规律研究提供第一手数据[9]。侯恩科等[10]通过调查揭示了宁东矿区羊场湾煤矿浅埋煤层开采地表裂缝的静态发育规律。刘辉等[11]通过调查揭示了神东矿区地裂缝“开裂—扩展—闭合”的动态发育规律，在此基础上提出临时性裂缝的治理标准。胡振琪等[12-14]通过现场实测发现了风积沙地区采煤诱发的地表裂缝具有“M”型发育特征。在沟道水害防治技术方面，范立民[15]对浅埋煤层过沟开采防治现行方法进行了总结。蒋泽泉等[16]提出了“修复地裂缝+汇流区防渗”的防治技术。王建文等[17]采用在地表安设排水管道、河道裂缝处开挖充填等方式防止地表水下渗。高登云等[18]通过对来压规律进行研究，提出了过沟段防治措施。张杰等[19]结合煤矿开采后导水裂隙带的发育情况，提出通过合理布设安全防水煤岩柱来避免水害事故发生。

黄土沟壑区浅埋煤层开采造成的地面塌陷相对较为严重，尤其在沟道底部等煤层埋深极浅区域，地表水会有通过地表裂缝溃入井下的危险。为此，笔者以安山煤矿125203工作面过菜沟段区域为研究对象，通过现场监测、无人机遥感等技术手段研究采煤诱发的地表沟道裂缝发育规律及特征，提出不同区域地表水害防治技术，并进行现场实践应用。

1 研究区概况

安山井田位于陕西省府谷县庙哈孤矿区东南部，井田面积约53.82 km2，区内年平均降水量433.1 mm，年最大降水量849.6 mm;降雨主要集中在7—9月，占年降雨总量的69%，尤以8月份最多，平均为132.5 mm，约占年降雨总量的25%，并多以暴雨形式出现，易形成洪水。井田受不同方向发育的沟谷侵蚀切割，梁峁相间发育，山梁、缓坡大部分被第四系黄土及新近系红土覆盖，沟谷、陡坡区域部分存在基岩露头，根据钻孔揭露和地质填图，区内分布的地层由老至新有:上三叠统永坪组(T3y)、下侏罗统富县组(J1f)、中侏罗统延安组(J2y)、新近系(N2)及第四系(Q)，研究区地层综合柱状图如图1所示。

图1 研究区地层综合柱状Fig.1 Comprehensive stratigraphic column in study Area

125203工作面位于井田中西部，沙蒿梁北侧，斜穿菜沟，走向方位与菜沟大致呈45°夹角。工作面地表植被覆盖率在35%左右，地表最大标高1 304 m，位于工作面距开切眼1 030 m处，最小标高1 191 m，位于工作面距开切眼2 534 m处即菜沟沟道底部。工作面呈黄土梁峁沟壑地貌(图2)，基岩出露于沟谷底部。基岩以上为新近系红土和第四系黄土覆盖。该工作面主采煤层为5-2煤层，煤层厚度2.2～2.4 m，平均厚度2.3 m，埋藏极浅，局部不足30 m，顶板基岩厚20～65 m，顶板基岩之上为0～77 m的新近系和第四系松散层。工作面走向长度3 152 m，倾向长度270.5 m，采高2.25 m，采用综合机械化采煤工艺进行开采。菜沟沟道为季节性流水，在雨季期间沟道中会有因降雨而形成流水或洪水;其他月份为枯水期，沟道基本是干涸的。

图2 工作面地形Fig.2 Topographic map of working face

125203工作面回采要穿过菜沟，其中工作面内菜沟主沟道长约435 m，宽15～100 m，菜沟支沟长约220 m，宽15～50 m，煤层埋深约20 m。依据现场调查及钻孔揭露情况得到工作面所在菜沟段剖面(局部)，如图3所示。

图3 工作面过菜沟段剖面(局部)Fig.3 Cross section of Caigou section of working face(partially)

2 采动地表裂缝发育规律及特征

2.1 调查方法

采用无人机航拍和现场大比例尺地表裂缝填图的方法对125203工作面地表裂缝进行现场调查研究。其中，利用大疆精灵4Pro无人机对菜沟沟道位置处回采产生的地表裂缝进行航拍，航拍时间为2019年4月，无人机遥感手段主要是为了能够更全面地将工作面煤层回采后产生的大于0.02 m的地表裂缝的发育长度、形态、延展方向等特征信息在无人机航拍影像图中识别出来，为了保证较高的准确性，结合现场地形地貌发育特征，并与现场实测的地表裂缝发育位置进行对比，确定最优飞行高度，无人机航拍影像数据见表1。

表1 无人机航拍影像数据Table 1 Drone aerial sensing image data

通过现场踏勘，并利用华测GPS接收机，平面精度(8±1) mm/km的RTK实时动态定位技术确定地表裂缝平面发育位置，采用钢尺量取地表裂缝的宽度和落差。具体调查方式如图4所示。

图4 地表裂缝调查方式Fig.4 Investigation method of surface cracks

2.2 地表裂缝平面展布规律

本次地表裂缝调查范围:125203工作面菜沟及其两侧，工作面回采位置向工作面开切眼方向延伸400 m。主要对沟道底部地表裂缝发育规律和特征进行调查。

125203综采工作面地表裂缝总体上有2类：一类是展布方向平行开切眼的裂缝，另一类是展布方向平行巷道的裂缝，分别称其为平行开切眼裂缝和平行巷道裂缝。在菜沟沟道底部共调查了50条平行开切眼裂缝，裂缝全部发育在工作面内部，形态整体呈现“倒C型”，裂缝发育类型为“台阶状裂缝”，形态多为直线型，少数出现弯曲状，裂缝宽度在0.2～50.0 cm，平均宽度为6 cm左右;裂缝落差在0～43 cm，平均落差在5 cm左右。相邻2条裂缝间隔距离最大为19 m，最小为1 m，平均间距为10 m。图5为菜沟段回采后局部航拍，图6为菜沟段回采后地表裂缝分布。

2.3 地表裂缝发育特征

在菜沟沟底共调查了50条采动地表裂缝，其中，宽度在5 cm以内的裂缝32条，占64%;宽度在5～10 cm的裂缝10条，占20%;宽度在10～20 cm的裂缝5条，占10%;宽度>20 cm的裂缝3条，占6%(图7(a))。落差在5 cm以内的裂缝30条，占60%;落差在5～10 cm的裂缝8条，占16%;落差在10～20 cm的裂缝8条，占16%;落差>20 cm的裂缝4条，占8%(图7(b))。

图5 菜沟段回采后航拍(局部)Fig.5 Aerial photograph after mining in Caigou bottom area(partially)

图6 菜沟段地表裂缝分布(局部)Fig.6 Distribution of surface cracks in Caigou bottom area(partially)

图7 地表裂缝发育特征Fig.7 Surface crack characteristics

在菜沟段正向坡地带共调查了28条采动地表裂缝，其中，宽度在5 cm以内的裂缝12条，占43%;宽度在5～10 cm的裂缝10条，占36%;宽度在10～20 cm的裂缝4条，占14%;宽度>20 cm的裂缝2条，占7%(图7(c))。落差在5 cm以内的裂缝11条，占39%;落差在5～10 cm的裂缝7条，占25%;落差在10～20 cm的裂缝8条，占29%;落差>20 cm的裂缝2条，占7%(图7(d))。

在菜沟段反向坡地带共调查了18条采动地表裂缝，其中，宽度在5 cm以内的裂缝13条，占72%;宽度在5～10 cm的裂缝3条，占17%;宽度在10～20 cm的裂缝2条，占11%(图7(e))。落差在5 cm以内的裂缝12条，占67%;落差在5～10 cm的裂缝2条，占11%;落差在10～20 cm的裂缝3条，占17%;落差>20 cm的裂缝1条，占5%(图7(f))。

根据现场调查的采动地表裂缝特征，可将裂缝形态划分为不同类型。

(1)裂缝的平面形态类型。① 直线型:裂缝平直，延伸方向稳定，整条裂缝没有发生转折，多出现在沟道底部区域;② 弧线型:裂缝呈弧形弯曲。这种裂缝大多发育在工作面巷道附近;③ 分叉型:裂缝发育一定长度后，朝几个不同的方向延伸，多出现于从斜坡地带由一条裂缝向到沟底区域朝着几个不同方向延伸。

(2)裂缝的剖面形态类型。根据裂缝两侧错落特点可进一步区分为正台阶状裂缝、负台阶状裂缝和无明显错落裂缝3种。正台阶状裂缝指台阶倾向与工作面回采方向相反的裂缝，负台阶状裂缝指台阶倾向与工作面回采方向一致的裂缝。在沟道区域，正台阶状裂缝及无明显错落的裂缝占绝大多数;在正向坡上，负台阶裂缝占大多数;在反向坡上，正台阶裂缝占绝大多数。

覆岩破坏及地表变形产生裂缝与其上覆基岩的结构和岩性相关，浅埋煤层的上覆基岩结构相对比较简单，有学者[20]对浅埋煤层开采引起的地表塌陷型裂缝的形成机理研究认为，此类型裂缝主要是由于基本顶的破断造成覆岩及表土的全部垮落造成的发生整体垮落，使得导水裂隙带直达地表，在地表形成台阶。结合对研究区地表裂缝的现场实际调查情况，研究区地表裂缝主要为台阶状地表裂缝和无明显错台地表裂缝2种类型，其中台阶状裂缝主要是由于煤层开采后产生的上行裂缝直接贯通地表，横向开裂，纵向下沉，其宽度相对较大;其中无明显错台裂缝主要是由于煤层开采后产生的上行裂缝与地表拉伸变形产生的下行裂缝形成，横向开裂，其宽度相对较小。

2.4 地表裂缝动态发育规律

为了掌握不同地形条件下地表裂缝的发育过程和活动规律，在菜沟段正向坡、反向坡位置及菜沟沟道底部开展了地表裂缝的动态监测研究。在菜沟段工作面内累计选取发育的35条地表裂缝进行了持续动态监测，获取了地表裂缝初始发育过程至稳定阶段的全部宽度数据。图8给出了125203工作面2条正向坡地表裂缝、2条反向坡地表裂缝和沟道底部4条典型的地表裂缝的宽度变化全过程。

由图8可知，不同地形条件下、不同日期产生的地表裂缝宽度不同，存在一定的差异，但在同一地形条件下产生的地表裂缝其动态发育过程具有明显的相似性。

在煤层开采过程中，正向坡(坡向与回采方向一致)产生的地表裂缝宽度值呈现出由小变大、再到稳定不变的趋势，即:“开裂—稳定”的动态发育规律;反向坡(坡向与回采方向相反)产生的地表裂缝宽度值呈现出由小变大、然后变小、最终保持不变的稳定状态趋势，即:“开裂—闭合—稳定”的动态发育规律。从时间角度来看，坡体的地表裂缝全发育周期分别是:LF01为3.0 d，LF02为4.0 d，LF07为4.0 d，LF08为4.0 d，平均3.7 d。

在煤层开采过程中，沟道底部地表裂缝宽度均呈现出“开裂—闭(半闭)合—再开裂—稳定”的动态发育规律，且第1次的“开裂—闭(半闭)合”过程中裂缝宽度峰值均明显高于第2次开裂的宽度值。从时间角度来看，沟底的这4条裂缝的全发育周期分别为5，5，6，5 d，平均5.25 d;裂缝宽度最大分别为2.5，3.5，6.0，6.0 cm;稳定后宽度分别为1.0，2.0，4.5，2.0 cm。说明沟道底部地表裂缝未能达到完全愈合状态，存在漏风溃水的危险性。

2.5 地表裂缝发育位置与回采位置的关系

根据125203工作面的回采日进尺以及每天观测的最前端新的地表裂缝产生的位置，2者之间的相关关系见表2。由表2可知，最前端发育的新裂缝位置与工作面推进位置相差在±6 m之内，平均值为-1 m，即地表裂缝既有超前工作面回采位置发育的，也有滞后工作面回采位置发育的，但超前或滞后距离较小，平均滞后1 m。超前裂缝角或滞后裂缝角较小，为5°～10°，接近垂直(图9)。将地表裂缝动态发育过程现场实测结果与工作面回采进尺比较分析，得到地表裂缝活动范围在30～50 m，即地表裂缝从出现到稳定，工作面推进距离为30～50 m。

3 沟道地表裂缝分区治理方法

3.1 煤层开采“两带”发育高度确定

选用现行《矿区水文地质工程地质勘探规范》(GB 12719—1991)所给式(1)和《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》中式(2)，进行导水裂缝带高度Hli计算，计算结果见表3。由于研究区工作面在5-2煤层采高为2.25 m，因此在计算导水裂缝带发育高度时，5-2煤层的开采厚度取2.25 m。

图8 地表动态裂缝发育过程曲线Fig.8 Dynamic developing curves of mining ground fissure

表2 工作面回采进度和最前端裂缝位置对应关系Table 2 Correspondence relationship between the working face progress and forefront dynamic

图9 地表裂缝发育位置与回采进尺关系Fig.9 Relationship between surface crack development position and mining footage

表3 “两带”高度计算结果Table 3 “Two belts” height calculation result

(1)根据《矿区水文地质工程地质勘探规范》，导水裂缝带高度计算公式为

Hli=100∑M/(3.3n+3.8)+5.1

(1)

式中，M为累计采厚;n为煤分层层数; 5.1为修正系数。

(2)根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》，导水裂缝带高度计算公式为

Hli=100∑M/(1.6∑M+3.6)+5.6

(2)

式中，5.6为修正系数。

(3)垮落带计算公式为

Hm=4M

(3)

徐智敏等[21]认为西部侏罗系含煤地层采动导水裂隙发育高度明显大于经验公式计算值，根据计算结果，为了安全起见，选用《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》公式计算结果，5-2煤层回采时导水裂缝带高度在36.85 m左右。

结合研究区5-2煤层在菜沟沟道的埋深情况(沟道埋深不足30 m)，当工作面推进到菜沟沟道底部时，形成的导水裂隙带高度大于沟道底部5-2煤层埋深，会产生贯通地表的采动地表裂缝，形成导水通道，即前述菜沟沟底发育的采动地表裂缝，大多为贯通工作面采空区的导水裂缝。沟底地表裂缝虽然有所闭合，但仍有一定宽度，能够形成导水通道。工作面回采过沟后，特别是在每年7～9月雨季时可能会出现持续降雨或暴雨，沟道底部汇水区域容易沿着地表裂缝出现井下溃水的危险，影响工作面安全开采。125203工作面于2019年6月已经完全回采过菜沟沟底段，为了保证雨季来临时后续工作面安全高效生产，有必要对工作面采后沟道地表裂缝进行治理。

3.2 沟道地表裂缝分区治理方法

通过现场调查该工作面沟道底部的地形地貌特征及沟道底部的土地利用类型，将沟道治理区域划分为基岩河道、土质河道(行驶道路)、过水耕地、可能过水耕地4块，对应A治理区、B治理区、C治理区和D治理区(图10)，不同区将采用不同治理方式。

图10 治理工程分区Fig.10 Government area district chart

结合现场调查地表裂缝发育特征，对地表裂缝进行治理时，在时间特征上应该在工作面回采过后1周左右，待地表裂缝发育稳定再开始进行治理;并提出了以宽度为0.1 m的地表裂缝为分界线的治理标准:即地表裂缝宽度大于0.1 m时，采用表土层+防渗层+衬垫层的分层填充模式对地表裂缝进行填充;若地表裂缝宽度小于0.1 m时，对不同区的裂缝采用表土层、防渗层或衬垫层的单层填充模式进行填充。

最终按照A→B→C→D区的顺序依次进行治理，治理的总体施工工序如图11所示。

图11 施工工序Fig.11 Construction process diagram

3.2.1A治理区

A区为基岩裸露河道，沟道狭窄，需重点治理。其中，衬垫层:用大石块或砾石等作为骨架来进行充填，再用水泥混凝土灌浆缝合或黄土填充夯实。衬垫层的稳定性和密实性是保证上部土层稳定的关键;防渗层:用三合土进行充填，并对其进行夯实，三合土体积配比为1∶2∶4(石灰∶沙∶红土)。防渗层的强度和耐水性是保证防水效果的关键;表土层:用裂缝区两侧的黄土来填充，再夯实。

具体治理方案如下:

(1)首先对河道进行整体开挖，挖至新鲜基岩面，再对裂缝进行填充。宽度在0.1 m以上的裂缝先用大石块或砾石填充做骨架，然后再用水泥进行灌浆缝合，再用黏土进行填充并夯实，最后用三合土填充夯实。对此类型裂缝进行填充的模式为:表土层(≥0.3 m)+防渗层(≥0.5 m)+衬垫层(≥0.2 m)(图12(a))。地表裂缝宽度在0.1 m以下的直接用碎石混凝土(衬垫层)的填充模式治理即可。

(2)在地表裂缝填充完成后对河道从下往上依次进行回填，首先按照每层0.2 m的厚度由下向上回填黏土或者红土，每回填0.2 m采取人工或机械进行压实，并在每回填0.2 m的土层位置铺设1层膨润土复合防水毯，提高隔水效果。在回填的黏土上部回填0.3 m厚级配良好的碎石并用机械压实，最后铺设0.3 m厚的混凝土达到防止水流冲刷河床的效果(图12(b))。

图12 A区治理方法示意Fig.12 Schematic diagram of governance methods in area A

3.2.2B治理区

B区为土质河道，为洪水过水区域，且在非雨季为行驶道路，也需重点治理。具体治理方案如下:

(1)首先对河道进行整体开挖，若土层厚度<1 m，则直接挖至新鲜基岩面;若土层厚度≥1 m，向下开挖1 m。

(2)对裂缝进行填充。宽度在0.1 m以上的裂缝首先用大石块或砾石填充做骨架，然后再用水泥进行灌浆缝合，再用黏土进行填充并夯实，最后用三合土填充夯实。对此类型裂缝进行填充的模式为:表土层(≥0.3 m)+防渗层(≥0.3 m)+衬垫层(≥0.2 m)，填充后进行夯实(图13(a))。地表裂缝宽度在0.1 m以下的直接用三合土(防渗层)填充模式治理即可。

图13 B区治理方法示意Fig.13 Schematic diagram of governance methods in area B

(3)在地表裂缝填充完成后对河道从下往上依次进行回填，首先按照每层0.2 m的厚度由下向上回填黏土或者红土，每回填0.2 m采取人工或机械进行压实，并在每回填0.2 m的土层位置铺设1层防水布，提高隔水效果。在回填的黏土上部回填0.4 m厚级配良好的碎石并用机械压实，最后铺设0.3 m厚的三合土并进行机械压实达到防止水流冲刷土质河道的效果(图13(b))。

3.2.3C治理区

C区为洪水流经的耕地，土层厚度>1 m，由于上覆土层较厚且为了保证治理后能够继续耕种，需进行裂缝开挖处理。治理方案如下:

(1)沿裂缝延伸方向开挖，向下开挖1.0 m深，0.5 m宽。

(2)裂缝宽度在0.1 m以上的先用大石块或砾石填充做骨架，然后再用水泥进行灌浆缝合，再用黏土进行填充并夯实，最后用三合土填充夯实。对此类型裂缝进行填充的结构模式为:表土层(0.3 m)+防渗层(0.3 m)+衬垫层(0.2 m)，填充后进行夯实(图14(a))。地表裂缝宽度在0.1 m以下的直接用黄土填充夯实即可。

(3)对开挖的地表裂缝进行回填，首先按照每层0.2 m的厚度由下向上回填黏土或者红土2层，每回填0.2 m采取人工或机械进行压实。由于C治理区属于当地村民的耕地，为了保证沟道治理后不影响农作物的耕种，在回填黏土或红土上部回填≥0.8 m厚的松散黄土(图14(b))。

图14 C区治理方法示意Fig.14 Schematic diagram of governance methods in area C

3.2.4D治理区

D区为洪水可能流经耕地，土层厚度>1 m。由于该区域地势较高，对此类型裂缝不需要开挖，直接用黄土填充并夯实即可。

4 治理效果

125203工作面回采过菜沟后，为了预防洪水期工作面沟道裂缝溃水水害，矿方依据地表裂缝区治理的技术方案对菜沟沟道A，B，C，D等4个区域进行了河道开挖、裂缝填充、铺设防水毯、三合土夯实、水泥混凝土加固等方式治理(图15)。

图15 研究区治理效果Fig.15 Research area governance results

根据矿方提供的降雨及矿井涌水量资料，安山煤矿7—9月份出现降雨的频率较高，7月份最大达到24 h降雨量56 mm，降雨天数14 d;8月份最大达到24 h降雨量52 mm，降雨天数11 d;9月份最大达到24 h降雨量35 mm，降雨时间6 d。经过整理得到2019年7—9月份安山煤矿所在区域降雨量曲线图(图16)。

图16 研究区降雨量Fig.16 Study area rainfall

2019年5—9月，125203工作面涌水量基本稳定在31.7～36.5 m3/h(图17)，在7—9月份矿井涌水量没有发生大的变化，说明安山煤矿125203工作面菜沟沟道地表裂缝经过分区治理后，有效地阻止了雨季地表沟道洪水溃入井下，没有发生矿井水害，地表裂缝充填夯实措施经受住了汛期洪水考验，菜沟沟道充填后的地表裂缝汛期在洪水过后地表也无裂缝可见。进一步验证了地表裂缝“开挖—充填—夯实”措施是预防井田沟道地表水害的有效途径。

图17 矿井涌水量曲线Fig.17 Mine water flow

5 结 论

(1)通过对回采位置附近地表裂缝动态发育特征进行研究，得到浅埋煤层开采不同区域地表裂缝存在一定的差异，但在同一地形条件下产生的地表裂缝其动态发育过程具有明显的相似性。

(2)正向坡裂缝呈现出“开裂—稳定”的动态规律，反向坡裂缝呈现出“开裂—闭合—稳定”的动态规律;沟底裂缝呈现出“开裂—闭(半闭)合—再开裂—稳定”的动态规律，且第1次“开裂—闭(半闭)合”过程中地表裂缝宽度峰值均明显高于第2次开裂宽度值;坡体裂缝平均活动周期为3.70 d，沟底裂缝平均活动周期为5.25 d。

(3)针对回采后沟道地表裂缝治理提出了分区治理的模式。即基岩河道段可采用“河道开挖、裂缝充填、铺设防水毯、三合土夯实、水泥加固”的治理模式，土质河道段可采用“河道开挖、裂缝充填、铺设防水毯、三合土夯实的治理模式，非河道段可采用一般的“开挖-回填-压实”的治理模式。

(4)菜沟沟道治理工程实践表明，本文提出的分区治理模式能够有效预防沟道采动地表裂缝溃水水害，保证矿井安全生产。