浅埋缓倾斜煤层开采覆岩及地表裂缝发育规律与形成机理

谢晓深　侯恩科　龙天文　冯栋　侯鹏飞　刘江斌　李洋

摘要：為掌握浅埋缓倾斜煤层开采覆岩及地表裂缝发育规律和形成机理，采用野外实地调查、模拟实验和理论分析等方法，以羊场湾煤矿110207综采工作面为工程背景开展研究。研究表明：浅埋缓倾斜煤层开采诱发的地表裂缝发育特征明显。垂直回采方向裂缝呈弧形和直线形，平行间隔展布;平行回采方向裂缝展布于工作面两侧顺槽外侧，且工作面机巷侧裂缝发育范围大于工作面回风巷道侧。工作面顶板初次垮落步距60 m，周期性垮落步距平均为21.6 m，顶板以悬臂梁和铰接岩梁的形式重复破断活动;覆岩离层裂隙具有“产生—增大—减小—闭合”的演化规律，与竖向裂隙贯通后，导致导水裂隙带发育高度增大。地表裂缝具有动态发育和宽度动态变化2种动态规律，前者与覆岩周期性破断引起的地表动态下沉有关，后者则有“只开不合”、“先开后合再开”和“先开后合”3种活动类型，与地表岩土体复杂运移特征密切相关。倾向上工作面机巷侧（下山方向）裂缝发育范围大是煤层倾斜地表移动变形非对称偏移造成的。

关键词：煤炭开采;地表裂缝;覆岩垮落;机理;缓倾斜煤层

中图分类号：TP 325文献标志码：A

文章编号：1672-9315（2022）02-0200-10

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2022.0202开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Development law and formation mechanism of overburden and surface

cracks induced by inclined coal seam mining in shallow buried areaXIE Xiaoshen HOU Enke LONG Tianwen FENG Dong

HOU Pengfei LIU Jiangbin LI Yang

（1.College of Geology and Environment，Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China;

2.Shaanxi Provincial Key Laboratory of Geological Support for Coal Green Exploitation，Xian 710054，China;

3.Yangchangwan Coal Mine，National Energy Group Ningxia Coal Industry Co.，Ltd.，Yinchuan 750410，China）Abstract：In order to master the development law and formation mechanism of cracks induced by gently-inclined coal seam mining in shallow buried area，a comprehensive method was used to explore 110207 working face in Yangchangwan Coal Mine：field investigation，indoor simulation experiment and theoretical analysis.The research results show that：the development characteristics of surface cracks induced by mining of gently-inclined coal seam in shallow-buried area were obvious.The cracks perpendicular to the mining direction were arc-shaped and linear，and distributed at parallel intervals.The fractures parallel to the mining direction are distributed on the outer side of the working face grooves，and the development range of the fractures in the downhill grooves is larger than that in the uphill grooves.The initial caving distance of the working face roof is 60 m，the average periodic caving distance is 21.6 m，and the repeated breaking activities occurred as the form of cantilever beam and articulated rock beam.The strata separation cracks in overburden rock evolve in the process of “generation-increase-decrease-closure”，which will lead to the increase of the height of the water-conducting fracture zone after it connects with the vertical fractures.There are two  dynamic development laws of surface fractures：dynamic expansion and dynamic development in width.The former is related to the dynamic subsidence caused by periodic overburden fractures，while the latter involves three kinds of activity types：“only open and not closed”，“open and then close again” and “open and then close first”，which is closely related to the complex migration characteristics of surface rock and soil mass.The large development range of the fractures in the upward and downhill channels is caused by the deformation and migration of the inclined surface of the coal seam.

Key words：coal mining;surface cracks;overburden caving;mechanism;gently-inclined coal seam

0引言

地下煤炭采出后势必会破坏围岩原有应力平衡，导致覆岩及地表发生移动变形，产生裂隙（缝），在垂向上形成冒落带、裂隙带和弯曲下沉带“三带”[1-3]。其中裂隙带中的裂隙既是卸压瓦斯富集区，也是地下水漏失的主要通道，地表裂缝则是造成浅层地下水、地表水漏失的主要通道[4-6]。因此，研究掌握岩层采动裂隙和地表裂缝发育规律与机理对煤矿实现安全、绿色开采具有重要意义[7-8]。

采动覆岩裂隙演化研究方面，黄庆享等揭示近距离浅埋煤层群开采覆岩裂隙演化规律，提出煤层错距开采减轻地表损害的技术[9-10]。林海飞等揭示覆岩采动裂隙演化形态特征，得到采动覆岩破断裂隙“M”状分布以及“三阶段”演化规律[11-12];李志梁等通过监测覆岩采动裂隙演化过程中的声发射特征，认为采动裂隙演化是一个复杂的能量释放过程[13-14];魏宗勇等通过三维物理模拟实验揭示大采高综采覆岩裂隙演化特征[15];秦伟博利用分形理论揭示了倾斜煤层综放开采裂隙演化特征[16]。

采动地表裂缝研究方面，侯恩科等对黄土沟壑区工作面过沟开采和风沙滩地区中深埋工作面开采地表裂缝发育规律进行详细研究，揭示顺向坡、逆向坡以及沟底平坦区域地表裂缝动态发育规律，并通过模拟实验阐明沟谷区覆岩应力演变对地表裂缝的控制机理[17-19]。LI等揭示风沙区地表裂缝“M”型發育规律，揭示双关键层运移对“M”型裂缝活动的控制机理[20];范立民等利用分形方法，揭示工作面不同区域地表裂缝展布特征[21];CHEN等揭示风沙滩地区地表移动变形规律，提出了地表沉陷预计方法[22];徐祝贺等通过现场实测、数值模拟实验等方法揭示神东典型综采工作面中部地表裂缝“双周期+稳定期”的动态发育特点，利用岩块运移特征阐明动态发育机制[23];谢晓深等揭示羊场湾煤矿缓倾斜煤层开采地表位移场与裂缝发育的关系[24];LIU等探查地表裂缝地下形态特征，阐明塌陷型裂缝发育机理，提出地表裂缝治理标准[25]。

以上研究成果为采动覆岩及地表裂缝的深入研究奠定了基础，但成果多集中在近水平煤层开采，对缓倾斜和倾斜煤层开采覆岩裂隙、地表裂缝演化的研究较少，特别是对缓倾斜煤层开采地表裂缝动态发育规律和活动机理的研究不足，无法为缓倾斜煤层开采地面塌陷预防工作提供科学指导。以宁夏羊场湾煤矿缓倾斜煤层综采工作面为研究对象，通过相似材料模拟和数值模拟揭示浅埋缓倾斜煤层开采覆岩及地表裂隙（缝）发育规律和形成机理，以期为地面塌陷治理和生态修复提供科学依据。

1地质特征

110207综采工作面位于羊场湾煤矿北部边界处，走向长1 096 m，倾向长190～232 m，在距切眼约400 m处倾向长由190 m变为232 m（图1）。工作面以一次性采全高的方式回采2煤层。

工作面内2煤层位于侏罗系延安组第IV段，煤层厚度5.84～7.20 m，平均采厚5.8 m，采深80.8～142.8 m;煤层向东南方向倾斜即由工作面风巷向工作面机巷倾斜，倾角10°～13°，平均115°。2煤层之上为延安组和直罗组地层，以粗砂岩、中砂岩为主，夹少量泥岩。地表被次生的黄土和亚沙土覆盖，厚度较薄，平均14 m左右（图2）。

2地表裂缝类型及展布规律

为清楚掌握采动地表裂缝发育规律，采用无人机航拍和人工填图2种方法对110207工作面采后地表裂缝进行了调查。按照地表裂缝空间展布与回采方向的关系分为垂直回采方向裂缝和平行回采方向裂缝2类（图3（a））。

垂直回采方向裂缝主要发育于面内和切眼、停采线附近，相邻2条裂缝平行间隔展布，间隔距离10～120 m。裂缝呈直线形或者弧形形态，弯曲朝向切眼。裂缝宽度最大约150 cm;裂缝落差大部分在15 cm左右。裂缝间隔距离的异常扩大是回采时间和调查时间相隔较长，裂缝被填埋且填埋痕迹消失造成的，但在一定程度上仍能反映地表裂缝沿走向方向的展布特征。

平行回采方向裂缝主要发育在工作面顺槽边界外侧，裂缝延展长度较长，宽度较大，在垂向上具有落差，小型坡顶上方落差超过100 cm;裂缝形态呈线状和弧状，弯曲朝向采空区。工作面回风巷道侧（上山方向）最远处裂缝距边界约37 m，工作面机巷侧（下山方向）最远处裂缝距边界约54 m（图3（b））。

3采动覆岩及地表裂缝动态发育规律

3.1相似材料模拟设计

以1503钻孔揭露的地质资料和地形条件为基础，结合岩石物理力学参数，采用平面应力模型，构建了110207工作面相似材料模型（图4（a））。煤系地层结构及岩石力学参数见表1。

根据相似条件和岩石物理力学参数，确定了相似材料模拟配比。模型尺寸2.0 m×0.2 m×05 m（长×宽×高），模型几何相似比为1∶200，相似材料为沙，石膏，大白粉等。利用云母粉模拟层间层理和人工节理裂隙。模型正面点缀散斑，用于监测采煤过程中覆岩应变演化特征，顶部布设了18个监测点，监测地表下沉（图4（b））。

模型风干稳定后，由A点向A′点开挖，切眼侧留有40 m煤柱，每次开挖20 m，共开挖17步。

3.2采动覆岩垮落及裂隙发育规律

为消除模型正面散斑对覆岩移动破坏特征的影响，对模型反面的覆岩运移特征进行监测，揭示覆岩垮落和裂隙演化规律。

3.2.1覆岩垮落规律

2煤开采后上覆岩体开始受到扰动发生弯曲下沉，当弯曲程度超过覆岩极限后，岩体开始断裂并发生垮落（图5）。

当工作面推进60 m时，顶板发生初次垮落，垮落体高度2 m，长度44 m，岩体垮落高度8 m（图5（a））。当工作面推进80 m时，顶板再次发生垮落，岩体垮落高度增加至25 m，岩层垮落角在切眼处为60°，煤壁处63°（图5（b））。随着工作面推进至90 m位置，上覆岩体在自重作用下再次垮落，垮落带高度为28 m，其上方发育悬空高度8 m的离层空间;基本顶悬空形成悬臂，对正上方岩体仍具有支撑作用。煤壁处岩层垮落角为61°（图5（c））。当工作面推进100 m，前一步形成悬臂发生断裂，与垮落后的岩体形成铰接岩梁结构。垮落高度增加至32 m，导水裂隙带发育高度为40 m。切眼处岩层垮落角是61°，煤壁处42°（图5（d））。当工作面推进180 m时，上覆岩层发生整体性下沉，工作面达到充分采动，覆岩垮落带高度约34 m，切眼处竖向裂隙导通地表，裂隙带发育高度约94 m（图5（e））。

从上述覆岩垮落特征可知，110207工作面岩体垮落是以悬臂梁和铰接岩梁的形式交替向前扩展，即随着工作面推进，前方岩体发生“悬臂—断裂—铰接—垮落回转—稳定”的重复性破断活动。工作面开采共记录发生13次顶板垮落，顶板初次垮落步距为60 m，周期性垮落步距为10～32 m，平均21.6 m。

3.2.2覆岩裂隙发育规律

工作面开采后上覆岩体发育竖向裂隙和离层裂隙。竖向裂隙由岩体断裂形成，主要发育在切眼和回采煤壁处沿垂向延展。一般情况下开采边界处的竖向裂隙发育高度最大，面内采空区上方较小。竖向裂隙是造成覆岩周期垮落的主要原因。

离层裂隙由相邻岩体不均匀弯曲下沉形成，主要发育在面内采空区上方，是裂隙带向上扩展的主要形式。离层裂隙宽度具有“产生—增大—减小—闭合”的演化规律（图5（a）～图5（d））。当离层裂隙与竖向裂隙相互贯通后，导水裂隙带高度随之增加。

导水裂隙带发育高度是表征导水裂隙带发育规律的基本参数。110207工作面垮落带和导水裂隙带发育具有明显的规律性（图6）。开采前期垮落带和导水裂隙带发育高度具有明显的递增性，当工作面推采至140 m时，垮落带高度发育至最大，为34 m;当工作面推采至180 m时，切眼处覆岩竖向裂隙与地表裂缝贯通，导水裂隙带发育至地表，高度为94 m。采空区中部离层裂隙发育高度高，覆岩竖向裂隙发育高度较低，两者并未全部贯通，只在局部位置存在贯通现象。

3.3采动地表裂缝动态发育规律

3.3.1地表裂缝静态发育规律

对110207工作面模型开挖过程中出现的地表裂缝位置及信息特征进行记录，110207工作面开采过程中地表共出现8条裂缝，裂缝平行展布，间距8.0～72.0 m，多为弯曲状裂缝。裂缝发育稳定后，宽度0～40.0 cm，平均为11.0 cm（表2、图7）。

3.3.2地表裂缝动态发育规律

由于地表裂缝调查是工作面回采结束后进行的，缺乏地表裂缝动态发育实测数据，因此，借助相似材料模拟实验结果说明地表裂缝动态发育规律。从模型开采过程中地表裂缝发育特征可以看出，沿工作面走向方向地表裂缝具有动态发育特征，即随着工作面的回采不断产生、发育。裂缝整体滞后回采位置发育，滞后距6.0～120.0 m，平均44.6 m（表3）。

3.3.3地表裂缝宽度动态变化规律

模拟开采过程中出现的8条裂缝表现出3种动态变化特征，分别是“只开不合”型、“先开后合再开”型和“先开后合”型（图8）。

“只开不合”型裂缝活動主要出现在开采边界附近，裂缝宽度表现出持续增大至稳定的变化特征，比如裂缝L₁和裂缝L₈;“先开后合再开”型裂缝活动主要出现在工作面内，裂缝宽度表现出“先增大后减小再增大”的变化特征，如裂缝L₂;“先开后合”型裂缝活动则普遍出现在工作面内，裂缝宽度表现出“先增大后减小”的特征。如裂缝L₃，L₄，L₅，L₆和L₇。

裂缝动态变化过程中裂缝最大宽度是初始宽度的1～5倍，平均为2.6倍，裂缝稳定宽度是初始宽度的0.4～2.0倍，平均为0.85倍（图9）。

4采动地表裂缝形成机理

4.1地表裂缝动态发育机理

4.1.1地表裂缝静态发育机理

工作面开采过程中地表裂缝沿走向方向平行间隔展布，间隔距离8.0～72.0 m，平均37.14 m。统计分析发现，71.4%的裂缝间距数据与基本顶周期垮落步距基本一致，表明工作面走向地表裂缝展布与基本顶周期垮落密切相关。

110207工作面FLAC3D数值模拟结果显示，工作面顺槽边界两侧为拉张塑性破坏区，表明倾向方向上的平行顺槽裂缝均由拉张作用产生（图10（a））。倾向上煤层倾斜导致地表水平移动呈现非对称偏移特征。工作面回风巷道附近（上山边界）地表水平移动量最大为542.0 mm，最大水平变形20.44 mm/m;工作面机巷处（下山边界）最大为-788.45 mm，其外侧40 m的位置水平变形值最大，为27.71 mm/m（图10（b））。统计分析发现，工作面回风巷道和工作面机巷附近水平变形>1.0 mm/m的范围分别是40 m和60 m，机巷>回风巷道。表明工作面机巷一侧达到裂缝发育临界水平变形的范围即裂缝发育范围要大于工作面回风巷道一侧，与裂缝发育范围实际观测结果基本一致。

分析认为煤层倾斜导致了地表下沉和水平移动向下山方向偏移和增大，继而造成了工作面倾向开采边界地表裂缝的非对称性展布。

4.1.2地表裂缝动态发育机理

走向上地表裂缝随回采向前动态发育是“覆岩-地表”耦合联动的结果。上覆岩层的周期性垮落导致了地表下沉盆地的动态发育，地表移动变形范围和下沉曲线随回采不断向前扩展（图11），当地表水平变形量超过表土体极限时，就会产生裂缝。因此走向上地表裂缝表现出随回采向前动态发育的特征。

4.2地表裂缝宽度动态变化机理

4.2.1“只开不合”型动态变化机理

以模拟实验过程中出现的裂缝L1为研究对象，从覆岩运移及地表移动变形2个角度阐述“只开不合”型裂缝宽度动态变化机理。根据实验结果，裂缝L1为切眼处边界裂缝且与覆岩竖向裂隙贯通。裂缝L1是由前方块体2破断形成的，在整个开挖周期内，岩块2始终处于拉伸状态，向采空区倾斜未发生回转（图12）。因此，裂缝L1宽度持续增大至稳定，没有减小过程。

从地表移动变形的角度分析，裂缝L1位于地表下沉盆地边缘，与地表测点3位置重合。模型整个开挖周期内测点2与测点3以及测点3和测点4之间地表倾斜值始终为负，且后者远大于前者，表明测点3处的地表土体始终逆回采方向倾斜，没有倒转。此外，从图中还可以看出工作面推采160 m时裂缝L1开始发育，此时测点3的曲率为-5.3×10^-3m，表明该值是边界裂缝发育的临界曲率。至模型开挖结束测点3的曲率维持在-5.23×10^-3～-5.83×10^-3m，说明开采过程中测点3弯曲程度始终大于裂缝L1发育时的地表弯曲程度，地表始终处于拉伸变形，无“拉伸-压缩”的转变（图13）。故裂缝L1宽度呈现出“持续增大至稳定”的变化过程。

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