复杂地质条件下采煤诱发地表裂缝成因研究

王丽男

(辽宁省自然资源事务服务中心，辽宁 沈阳 110034)

0 引言

针对煤矿地下开采导致地表大面积沉陷出现地裂缝的问题，目前多数国家研究的重点是用地裂缝反演其背景断层的蠕滑特征。由于地质开采条件的复杂性，尽管借助现代力学方法和计算技术可以部分解决岩层内部移动变形方面的问题，目前仍主要建立在半经验公式上。近年来，工程地质与岩土力学相结合的分析方法比较普遍，通过建立物理模型和数值模型，解决岩土体移动变形破坏的模式、机制及规律[1-6]。采煤诱发的地表裂缝的成因机理问题，国内外研究的重点是煤矿采空区地面塌陷区域的地表裂缝，而对于复杂地质条件下，采煤诱发的地表裂缝成因机理缺乏系统分析和综合总结。

1 采煤诱发地表裂缝成因机理及特点

采煤诱发的地表裂缝多种多样，按照其成因机理，矿区中出现的地表裂缝主要有沉降盆地边缘的地表裂缝以及断层活化引起的地表裂缝。如图1所示。

图1 采煤诱发的地表裂缝示意

1.1 沉降盆地边缘产生的地表裂缝

一般地质采矿条件下，受开采影响会在采空区上方的地表形成沉降盆地，其边缘至采空区边界之间，由于地表下沉程度的不同，使得地表移动向盆地中心方向呈凸型倾斜，当采动产生的拉应力超过地表岩土的抗拉强度时，地表就会产生地裂缝[1]。如图1(a)所示。只受采煤影响出现在盆地外边缘的地表裂缝，走向多与盆地边缘大致平行；地面表土呈直接拉裂状，一般宽度较小；此类地表裂缝通常多条出现，且走向具有近似平行的规律性。

1.2 断层活化引起的地表裂缝

一定条件下，断层的存在会影响岩层和地表移动的范围和规律，使开采沉陷表现出一定的特殊性。据统计，当所采煤层的上覆岩层中存在断层，且与上盘顶面之间的夹角大于20°时，对开采沉陷产生的影响最为明显，主要表现在2个方面：一是导致开采沉陷的影响范围发生改变，二是在断层露头处产生较大宽度的地表台阶状裂缝[1-8]，如图1(b)所示。在采空区影响范围内，地表台阶裂缝的发育方向与断层走向近于一致，在断层露头处的地表移动变形集中而剧烈，地表裂缝特征明显，断层两侧则反之。

1.3 火成岩断裂引起的地表裂缝

当采空区的上覆岩层中赋存火成岩时，因其硬度大，抗拉、抗压、抗剪能力强，对于地层变形起着一种“桥式屏蔽作用”。若上覆火成岩较薄或者存在弱面，由于采空区产生的影响，致使下部岩层下沉而火成岩局部悬空。悬空的火成岩在其上覆岩层重力和自身重量的综合作用下会发生弯曲现象，当形变的弯曲应力超过火成岩层自身强度极限时，就会产生断裂，从而在地表出现裂缝，如图1(c)所示。上覆岩层中赋存较浅的火成岩断裂诱发产生的地表裂缝，突发性极强，破坏性极大；开裂宽度、可视深度和延伸长度均较大；裂缝呈现拉裂状，地表裂缝中间区域表土下陷。

2 地表裂缝形态特征分析

2.1 开采引起地表裂缝宽度与变形计算

如图2所示，煤层走向主断面上，设地表点M、N、P，其中M点的水平位移量UM为零，下沉量也为零；N点的水平位移量为Umax，下沉量达到最大为Wmax；P点的水平位移量为UP，下沉量为WP[7]。

图2 煤层走向主断面地表点位移示意

根据图1可知，若以M点为原点，MN方向为X轴，建立坐标系，则地表M点至地表N点的裂缝的总宽度l为

(1)

同理则地表任意两点间的裂缝宽度lij为

lij=lj-li=

(2)

裂缝变形值ε(单位长度内的裂缝宽度)为

(3)

利用摩尔-库伦破坏准则[7]预测裂缝发育最大深度h为

(4)

式中，c为土壤粘聚力，kPa；φ为土壤内摩擦角,(°)；μ为泊松比；γ为土壤比重,kN/m3。

根据实验数据统计得出，裂缝的最大宽度l与最大深度h大体成正比例关系，即

l=0.015h

(5)

2.2 受断层影响下地表裂缝形态特征分析

根据波兰学者科瓦尔苏克提出的研究结论表明：当断层倾角大于边界角时，计算地表台阶裂缝落差W和裂缝宽度l时，需要综合考虑岩层沿断层的位移量和无断层时位移量[8]。即

(6)

式中，ΔWF和ΔlF分别为断层上下盘沿层面滑移所产生的垂直移动分量和水平分量；ΔWε和Δlε分别为无断层时断层露头位置的下沉量和地表拉伸变形所产生的裂缝宽度。

ΔWε=m×q×cosα×ekx

式中，m为采厚，m；q为下沉系数；H为采深,m；α为煤层倾角,(°)；k为系数(由采深和边界角确定)；x为断层露头至采空区边界的距离,m；h为冲击层厚度,m。

Δlε由式(5)确定

ΔlF=ΔWF×ctgαF

(7)

3 实例分析

以某煤田内一地裂缝为例，该煤田开采方式为综采放顶煤开采，全部垮落法管理顶板。地裂缝呈东西走向，与东西方向夹角约7°，最大宽度约150 mm。表1是根据开采沉陷预计理论，利用地表移动参数计算出来的地表下沉预计成果，从表中可以看到，受开采影响有可能导致地表裂缝产生的最大水平移动值为-621.685 mm，+781.006 mm。

表1 地表沉陷预计成果

在该研究区内，参考实验数据，利用公式(4)、(5)计算得到，裂缝深度h=5 465 mm，宽度l=81.975 mm(泊松比μ=0.25，土壤内摩擦角φ=20°，土壤粘聚力c=30 kPa，土壤容重γ=19.6 kN/m3)。结果表明：预计所得的地表裂缝最大宽度比实测结果150 mm要小，可能是参数取值有偏差所致，此外，单独的采空区影响下，裂缝的开裂宽度一般不会太大。

3.1 断层对地表裂缝的影响

通过剖面图3分析，地表裂缝邻近处存在多条断层，其中有可能对地表裂缝的产生影响断层有F38和F39。该井田的开采沉陷影响边界角为58°，F38的断层面倾向与工作面移动角倾向相反，断层面上部分处于工作面W2-706的采动影响范围内，而断层面的下部分处于工作面W2-706的采动影响范围外。当工作面推进至断层处，由于上部断层面的阻隔使得断层面处的岩层不连续，致使采空区上方岩层移动与变形在断层面两侧终止，于是集中作用并延伸至地表露头处(即A点)就会出现宽度较大的台阶状裂缝。

图3 地表裂缝的某地质剖面

从图上可知断层F39在工作面W2-706的采动影响范围之外，且未在地表露头，因此断层F39只会使沉陷的影响范围变大，加剧地表裂缝的形成。

3.2 火成岩对地表裂缝的影响分析

该煤田的火成岩侵入时期为第三纪的喜山期。从图2剖面可以看到，裂缝下部岩层中存在巨厚火成岩。此片火成岩赋存深度小，对该区域的开采沉陷影响至关重要。地表裂缝东侧的火成岩呈块状，西侧的火成岩呈分支状态，自上而下共有3个分支。

随着地下煤炭的开采，开采工作面W2-706的采空区影响向上发展至火成岩下方，由于最下分支和中间分支火成岩厚度均较小，所以两处火成岩会受采动影响在压力作用下发生断裂。随着开采工作面的继续推进，采动影响发展至最上部火成岩下方，火成岩下部区域悬空。当火成岩下部悬空区发展至火成岩的弱面B点处时，悬空区上部的火成岩和松散层的自重力在B点产生应力集中，致使火成岩在B点发生断裂，从而出现超大地表裂缝。

4 结论

采煤会诱发地表裂缝的产生，在复杂地质条件下，受断层的影响会加剧地表裂缝的产生，且表现为一定的规律性。文中以某煤田内地表裂缝为研究对象，分析了其形成原因及形态特征。可知，煤炭开采是该地表裂缝形成的根本原因，复杂的地质构造条件也是造成该裂缝的重要原因，但对其具体形态特征需进一步探究。该问题的探讨可为矿区中采煤诱发的地表裂缝灾害的防治提供理论基础，对保障矿区采煤工作的进行具有一定的现实意义。