彬长矿区亭南煤矿开采地裂缝发育规律研究

张 晔，田增辉，祁宇璇

(陕西省一八六煤田地质有限公司，陕西 西安 710065)

0 引言

亭南煤矿位于陕西省咸阳市长武县境内、彬长矿区中部。煤矿东西长11.3 km，南北宽5.1 km，面积35.55 km2。开采规模为300万t/a，采用倾向长壁后退式综采放顶煤采煤方法回采，垮落法管理顶板，目前二盘区已采4个工作面，三盘区已采2个工作面。

2013年至今，采空区上方出现多条地裂缝，形成多级错台，引起地面塌陷，所以，有必要对地裂缝的发育规律进行分析研究，提出防治对策建议，对采矿引起地面建筑物变形、生态环境的保护、周边居民的生命财产安全及相关部门的决策具有重要的指导意义。

1 地质特征

1.1 地层及煤层

区内地层由老到新依次为：三叠系上统胡家村组(T3h)，侏罗系下统富县组(J1f)，侏罗系中统延安组(J2y)、直罗组(J2z)、安定组(J2a)，白垩系下统宜君组(K1y)、洛河组(K1l)、华池组(K1h)，新近系(N)，第四系下更新统(Q1)、中更新统(Q2)、上更新统(Q3)、全新统(Q4)。

延安组为含煤地层，钻孔揭露普遍沉积，最大厚度105.24 m，平均厚度63.92 m。岩性以河沼相砂泥岩沉积为主，含煤0～4层，其中可采煤层1层。

4号煤层为区内唯一可采煤层，全区可采，厚度4.75～22.90 m，平均厚度15.57 m，厚煤层占100%。4号煤层厚度变化规律明显，从南西至北东向煤层厚度增加，结构简单至较简单，属稳定煤层。埋深401.32～788.60 m，平均埋深594.82 m。

1.2 构造

区内含煤地层延安组直接或间接沉积基底为三叠系胡家村组，其起伏形态与三叠系大致相当。

褶曲：煤矿南部处于路家—小灵台背斜中段，煤矿以北为董家庄背斜，如图1所示。全煤矿大部分地区处于董家庄背斜南翼，路家—小灵台背斜北翼，形成了2个宽缓的聚煤凹陷区。北部的哪坡—杏曹湾—公坡寺凹陷区和中塬—亭口北凹陷区，至亭口镇北，两凹陷区合而为一，该凹陷属矿区南玉子向斜的西部。凹陷以南、以西及西北均为隆起区，凹陷区自东向西地层逐渐抬高。煤矿东南角属安化向斜的西端，为凹陷区，沉积了巨厚煤层。凹陷区及背斜轴部地层产状近水平，两翼倾角也较平缓，一般3°～7°。构造总体走向NEE，地层起伏幅度70～100 m。

图1 构造纲要Fig.1 Structure outline

断层：地表未发现断层。在亭南煤矿生产矿井中见4处断距1.20～1.50 m的小断层。

总体看来，全煤矿含煤地层沿走向、倾向的产状变化不大，产状接近水平或倾角很小，断层稀少，属简单构造。

1.3 自然地理

煤矿属塬川地貌，西高东低，塬面开阔平坦，最高海拔1 194 m，最低海拔850 m，最大高差344 m，塬沟相对高差200 m，塬川相间，沟谷发育，形成渭北典型的黄土高原沟壑地貌。多年平均降雨量576.1 mm，降雨多分布在4～10月，主要集中在7、8、9月份，约占全年降水的54.9%。

黑河由西北向东南流经煤矿东北部，在亭口镇东侧注入泾河。黑河最大流量1 160.00 m3/s，平均2.78 m3/s。

1.4 地质总体特征

煤层直接充水含水层为侏罗系中统直罗组砂岩裂隙含水层以及侏罗系中统延安组煤层及其顶板砂岩含水层，充水方式为顶板进水，富水性微弱。白垩系洛河砂岩含水层虽为矿井间接充水含水层，但其厚度大，分布范围广，富水性较强，并于局部地段可能通过导水裂隙带与矿井井巷系统沟通，对矿井开采构成一定威胁。井巷围岩为各粒级砂岩及砂质泥岩，属层状沉积岩类。岩性变化较大，岩体以层状结构为主，具各向异性，强度较低变化较大。岩石属质量劣完整性差-质量中等完整性中等。随着矿井大规模开采，局部出现地面塌陷、地裂缝等矿山环境地质问题。

2 煤矿地裂缝发育现状

2.1 地裂缝发育规模

亭南煤矿自2005年联合试运营以来，采矿诱发形成塌陷盆地2处，塌陷面积达2.62 km2，最大沉降量为1 920 mm，诱发地裂缝5处。地裂缝为地面塌陷的派生裂缝，是地面塌陷的另一种表现形式，共调查了22条裂缝，其中，宽度在5 cm以内的裂缝6条，占27%；宽度在5～25 cm之间的裂缝3条，占14%；宽度在25～50 cm之间的裂缝12条，占55%；宽度大于50 cm的裂缝1条，占4%，如图2所示。落差在5 cm以内的裂缝7条，占32%；落差在5～25 cm的裂缝2条，占9%；落差在25～50 cm的裂缝11条，占50%；落差大于50 cm的裂缝2条，占9%，如图3所示。裂缝最长951 m，最大宽度90 cm，可探深度最大4.50 m，最大落差1.20 m。各处地裂缝发育规模见表1。

表1 裂缝特征统计Table 1 Statistics of fracture characteristics

图3 裂缝落差占比Fig.3 The proportion of crack drop

2.2 地裂缝平面展布位置

煤矿开采共诱发地裂缝5处22条，其中F1～F9分布在304工作面东南侧边缘，F10～F13分布在302工作面西北侧上方，F14～F16分布在207工作面西北边缘，F17～F19分布在206工作面西北边缘，F20～F22分布在204工作面东北边缘，均位于采空区周围，如图4、5所示。

图4 F1～F13地裂缝分布位置Fig.4 Distribution location of ground cracks F1～F13

图5 F14～F22地裂缝分布位置Fig.5 Distribution location of ground cracks F14～F22

3 地裂缝发育特征

3.1 裂缝发育平面形态

直线型：裂缝近乎平直，延伸方向稳定，亭南煤矿302、304工作面发育的几条裂缝为直线型。

曲线型：裂缝延伸方向发生多次变化，但总体趋势朝一定方向延伸。

分叉型：裂缝发育到某一位置后，然后朝2个或2个以上方向延伸。

雁列型：几条地裂缝大致平行，呈雁列式排列，延伸较短，如206、207工作面上方的地裂缝。

台阶型：几条裂缝大致平行，呈台阶状，平行于顺槽方向，落差较大。302、304工作面上方的地裂缝多为此种类型。

3.2 地裂缝发育剖面形态

根据地裂缝两侧有无落差，将地裂缝分为有落差的裂缝和无落差的裂缝。

有落差裂缝：裂缝两侧的岩土体产生了明显的落差，形成错台，亭南煤矿地裂缝的落差介于25～120 cm，平均41 cm，这些地裂缝多位于采空区边缘，平行于顺槽方向。

无落差裂缝：裂缝两侧的岩土体未产生落差，或者落差非常小。

4 煤矿地裂缝影响因素分析及成因探讨

根据以往研究成果，煤矿地裂缝的发育程度和采煤方法、煤层赋存条件、开采地质条件、地表岩土体性质、地形地貌、降雨等有密切相关。亭南煤矿已开采的工作面均采用倾向长壁后退式综采放顶煤采煤方法回采，垮落法管理顶板，同时根据表2可以看出，工作面长度、采厚变化不大，所以本次从煤层埋深和上覆基岩厚度、松散层厚度、地形地貌及降雨等因素进行分析。

表2 工作面特征统计Table 2 Statistics of working face characteristics

4.1 煤层埋深和上覆基岩厚度

煤层开采深度及上覆基岩厚度会影响煤层充分开采的程度，工作面长度相同的情况下，前两者越大，煤层开采后地表变形约小，地裂缝的规模越小。从表2可以看出，由于工作面上方松散层厚度变化较大，导致裂缝发育程度和采深关系不明显；207、206、204、302工作面上覆基岩厚度分别为534.00 m、508.05 m、496.85 m、465.90 m，裂缝发育平均宽度分别为3 cm、5 cm、30cm、47.5 cm，可以看出，随着上覆基岩厚度的增加，稳定性增加，对地表的影响程度减小，裂缝发育程度呈明显的递减趋势。

4.2 松散层厚度

亭南煤矿松散层为新近系红土和第四系黄土，厚度0.00～296.50 m，平均厚度119.55 m，成分以黏土、砂质黏土、亚黏土为主，松散层力学性质差，抗变形能力较差，松散层厚度越大，地表裂缝越发育，松散层厚度越小，反之。同时，塑性大的黏土、亚黏土占比越大，在相同的基岩沉降量下地裂缝的发育程度越小，在土层中的延展深度也越小。

4.3 地形地貌

亭南煤矿属塬川地貌，西高东低。塬面开阔平坦，最高海拔1 194 m，川道最低海拔850 m，塬滩最大高差344 m，塬沟相对高差200 m，同时沟谷发育，地形坡陡沟深，坡度多为45°～65°，局部地段大于80°，易发生崩塌、滑坡等物理地质现象。

从表3可以看出，204、302、304工作面上部发育的地裂缝均位于斜坡上，206、207工作面上方发育的地裂缝位于河流阶地之上，位于斜坡上的裂缝规模从长度、宽度、落差等都明显较塬面上的裂缝发育，斜坡使地裂缝的规模加剧，滑移加大，促使裂缝长度、宽度、落差等增加。

表3 各采空区上方地裂缝发育规模统计Table 3 Statistics on the development scale of ground cracks above each goaf

4.4 降雨

地质灾害的发生和降雨关系密切，煤矿地裂缝随着工作面向前推进缓慢产生，发育规模逐渐变化，但是遇到暴雨或者连续降雨，雨水顺着裂缝灌入，使松散层力学性质发生变化，强度降低，使裂缝规模短时间加剧，尤其处于斜坡地带的裂缝，雨水顺坡而下，遇到裂缝完全灌入，对地裂缝的影响更甚。

4.5 成因探讨

亭南煤矿地裂缝为煤矿开采所引起，从地下开采到地表沉陷是覆岩中应力场、位移场复杂变化的过程，在这个过程中，开采空间是导引，覆岩破坏是过程，地表沉陷则为最终结果，而地裂缝则是地面沉陷坡坏的一种主要形式。亭南煤矿采用综合机械化开采，全部垮落式管理顶板，地下煤层采出后，采空区直接顶板岩层在自重力及其上覆岩层作用下，产生向下的移动和弯曲，当其内部拉应力超过岩层的抗拉强度极限时，直接顶板首先断裂、破碎、相继冒落，而老顶岩层则以梁或悬臂弯曲的形式沿层理面法线方向移动、弯曲，进而产生断裂、离层，随着工作面的向前推进，受采动影响的岩层范围不断扩大，开采影响逐渐波及到地表，地表开始下沉，但下沉的速度和幅度不同，从而形成地面塌陷及其伴生的地裂缝。地表塌陷表现为连续性、不均匀性、全区遍布性。地面塌陷的边缘区以拉伸变形、水平位移和倾斜位移为主，形成地裂缝。

5 结语

亭南煤矿地裂缝为煤矿开采所引起，地裂缝平面形态特征为直线型、曲线型、分叉型、雁列型、台阶型；剖面形态特征分为有落差的裂缝和无落差的裂缝。地裂缝的发育规模主要受地形地貌、降雨、上覆基岩厚度、松散层厚度等因素的影响，地裂缝的发生发展是循序渐进的，由小变大，由地下延伸到地表，外界条件发生变化时，地裂缝会发生突变。地裂缝的发生会危及到地面建筑的安全，同时会导通含水层，及时采取合理的措施，防止或减轻地裂缝的发育，对矿山安全生产及保护矿区生态环境具有重要意义。考虑到煤层埋藏深度、开采厚度、开采方法、采区分布面积等多种因素，建议留出保安煤柱，控制开采厚度，加强顶板管理，以减少地面不均匀沉降、地裂缝等矿山工程地质问题发生。