不同地貌条件下采煤地表裂缝发育规律

2022-12-20胡圣桃龙建霖吴彩艳

陕西煤炭 2022年6期

张艳，胡圣桃，龙建霖，吴彩艳

(1.陕西省一九四煤田地质有限公司，陕西铜川 727000；2.陕西省一八五煤田地质有限公司，陕西榆林 719000)

0 引言

陕北地区是我国煤炭开采的主要产区之一，处于黄土高原和毛乌素沙漠交接的位置[1]。煤炭开采与水资源、土地资源和生态环境的关系十分密切，采煤地表裂缝更是关键的一环[2-4]。目前，陕北采煤区包括神北矿区、神南矿区、神府矿区、榆神矿区和榆横矿区等。其中，神北矿区以风沙滩地貌为主，榆神矿区、神府矿区等已经开采区域以黄土梁峁地貌为主。神南矿区则横跨两大地貌，是目前已经开采区域中地貌对比最强烈的区域。不同地貌下采煤对地表的扰动对比研究意义重大。

国内关于采煤地裂缝的研究十分丰富，在方法上有野外地质调查、遥感、无人机观测、数值模拟、物理模拟及理论研究等[5-7]。在研究内容方面，有单一煤层开采地裂缝研究，有多煤层叠加开采地裂缝研究，有地表裂缝几何特征研究，有隐伏地下裂缝几何特征研究，有地裂缝对土壤影响的研究，有地裂缝对生态环境的影响研究，有采煤地裂缝发育机制研究，有单一地貌下地裂缝发育特征研究[8-12]。但在同一开采煤层不同地貌条件下，系统地采用野外地质调查方法对比分析采煤地裂缝发育规律的研究未见报道。

为此，以陕北典型的黄土梁峁地貌和风沙滩地貌为背景，同样开采柠条塔煤矿2-2煤层，系统分析2个工作面的观测边界裂缝和平行裂缝特征，并对比其中的差异。

1 研究区概况

1.1 地形地貌条件

研究区为陕北侏罗纪煤田陕北矿区某大型煤矿，位于陕北神木市西北部，南部为榆神矿区，沿矿区中部考考乌素沟分割为2大类地貌单元，即北部为黄土沟壑地貌，南部为风沙滩地貌，如图1所示。矿井内可开采煤层有11层，但目前主要开采1-2煤层和2-2煤层，其中2-2煤层2种地貌单元都大量赋存，是本次研究的目标煤层，其平均厚度5.56 m。已有的研究和实践证明采煤地表裂缝受多种因素制约，其中地貌的影响就是其中的关键因素，因此选取以下相似工作面进行对比研究。

图1 研究区典型地貌

1.2 采煤工作面概况

1.2.1 黄土沟壑区典型采煤工作面

本次选取的采煤工作面为N1209工作面，该工作面位于考考乌素沟以北，地表为典型黄土沟壑地貌。工作面倾向长度295 m，走向长度1 316 m，倾角0.3°。工作面开采2-2煤层，平均厚度5.87 m，煤层总体近于水平，构造简单。该采煤工作面地表为黄土沟壑地区，中间高、东西低，煤层距离地表86～175 m，上覆黄土层厚度33～95 m，沟谷区薄，梁峁区厚，基岩厚度84～120 m，厚度变化与土层大体相当。

N1209工作面自2011年12月开始推采，于2012年5月回采完毕，采高平均4.02 m。该工作面老顶初次来压步距为45.5 m。工作面上部周期来压步距13.0～14.0 m，平均步距13.5 m；中部9.0～14.0 m，平均步距12.0 m；下部8.0～14.0 m，平均步距11.8 m，整个工作面老顶周期来压步距最大为14 m，最小为9 m，平均13.41 m。

1.2.2 风沙滩地区典型采煤工作面

本次选取的采煤工作面为S1207工作面，该工作面位于考考乌素沟以南，地表为典型的风沙滩地地貌类型。该工作面开采2-2煤层，煤层厚度4.8～6.8 m，平均厚度5.9 m，煤层近水平，埋藏深度85～120 m，工作面煤层赋存稳定。顶板基岩厚30.48～35.86 m。工作面地面为风积沙地貌，地形西、南高，东、北低，地势较平坦，地面标高+1 227～+1 262 m。

S1207综采工作面于2013年6月开始推采，2014年7月回采完毕，采高5.4 m左右。该工作面直接顶垮落步距为7.3～9.8 m，平均值为9.3 m，来压强度为14.7～28.5 MPa，平均值为18.2 MPa；工作面老顶初次来压步距为34～103.3 m，平均值为64.8 m；初次来压强度为23.2～43.3 MPa，平均值27.3 MPa；工作面老顶周期来压步距8.9～18.9 m，平均来压步距为14.8 m；老顶周期来压强度17.2～42.5 MPa，平均值为31.7 MPa。

2 野外地质调查

本次野外地质调查采用人工填图开展采煤地裂缝调查，由于采煤工作面范围较大，因此对其中一段进行填图。主要观测采煤地裂缝的空间展布和几何特征，详细地质调查结果如下。

2.1 黄土沟壑区典型采煤工作面地调结果

2.1.1 地质调查结果

对N1209采煤工作面的采煤地表裂隙进行了部分的地质调查，调查范围位于采煤工作面的中部。地质调查的结果如图2所示。由图2可以看出调查区采煤地裂缝普遍分布，但总体可以分为2组，即边界裂缝和平行裂缝。所谓平行裂缝是指大体垂直于工作面回采方向。所谓边界裂缝是指采煤工作面两巷投影地表的区域，该区域的裂缝与采煤工作面的边界近似。

图2 黄土沟壑区采煤地表裂缝空间展布

2.1.2 平行裂缝

空间连续性方面，同一次矿山压力形成的裂缝连续性不好，存在明显的断开，一般在等高线变化具体的区域；另外，黄土沟壑区的平行裂缝存在明显的分叉特性，如f9裂缝，在等高线变化较大的裂缝端部出现分叉现象。整体的连续形态多为弧形。采煤地裂缝间距方面，平行裂缝之间的距离为9～23 m不等，在上、下坡处变化较大，平坦的梁峁顶部变化较小，在沟谷处间距出现最大值。采煤地裂缝空间位态方面，由于黄土梁峁地形有起伏，在爬坡阶段形成顺坡地裂缝，在下坡时则容易形成塌陷槽，如f5裂缝。采煤地裂缝几何特征如图3所示，典型的采煤地裂缝落差集中在0.1～0.4 m，宽度集中在0.1～0.4 m，仅塌陷槽处宽度达到0.7～1.0 m。采煤地裂缝充填性方面，采煤地裂缝普遍开口，无显著的充填特性，仅少量黄土充填。

图3 黄土沟壑区典型采煤地表裂缝

2.1.3 边界裂缝

空间连续性方面，边界裂缝连续性不好，存在明显的断开，延伸约50 m后断开；整体的连续形态为弧形。采煤地裂缝间距方面边界裂缝1组由3～4条裂缝构成，各条边界裂缝之间的距离为0～2 m，并最终交叉在一起。采煤地裂缝空间位态方面，由于黄土梁峁地形有起伏，在爬坡阶段形成顺坡地裂缝，在下坡时则容易形成塌陷槽。采煤地裂缝几何特征如图3所示，典型的采煤地裂缝落差集中在0.1～0.35 m，宽度集中在0.1～0.3 m。采煤地裂缝充填性方面，采煤地裂缝普遍开口，无显著的充填特性，仅少量黄土充填。

2.2 风沙滩地典型采煤工作面地调结果

2.2.1 地质调查结果

对S1207采煤工作面的采煤地表裂隙进行了地质调查，调查范围位于采煤工作面的开切眼段。地质调查的结果如图4所示。由图4可以看出调查区采煤地裂缝普遍分布，总体也可以分为2组，即边界裂缝和平行裂缝。2种类型的采煤工作面的主要特征分述如下。

图4 风沙滩区采煤地表裂缝空间展布

2.2.2 平行裂缝

空间连续性方面，同一次矿山压力形成的裂缝连续性较好，仅少量采煤地裂缝存在断开现象，且无明显的分叉特性；整体的连续形态多为直线。采煤地裂缝间距方面，平行裂缝之间的距离为9～15 m不等，整体变化较小。采煤地裂缝垂直于地表向下发育，也有少量塌陷槽，如f10裂缝。采煤地裂缝几何特征如图5所示，典型的采煤地裂缝落差集中在0～0.2 m，宽度集中在0～0.2 m。采煤地裂缝普遍闭口，有显著的充填弥合特性，充填物为风积沙。

图5 风沙滩区典型采煤地表裂缝

2.2.3 边界裂缝

空间连续性方面，风沙滩区边界裂缝较黄土沟壑区连续性较好，但仍然存在断开现象，但延伸约100 m。整体的连续形态多为弧线线。边界裂缝1组仅1个采煤地裂缝，无间距。采煤地裂缝垂直于地表向下发育，未见塌陷槽。典型的采煤地裂缝落差集中在0～0.3 m，宽度集中在0～0.2 m，但开切眼处的采煤地裂缝形成了塌陷槽，落差最大达到0.7 m。采煤地裂缝普遍闭口，有显著的充填弥合特性，充填物为风积沙。

3 不同地貌采煤地裂缝对比分析

3.1 不同地貌下采煤地裂缝差异特征

将不同的地面采煤地裂缝的相关数值统计，结果见表1。可以看出，黄土梁峁地貌下采煤地裂缝的连续率更低、采煤地裂缝的间距变化更大；采煤地裂缝的平均宽度和落差较风沙滩地貌都更大，采煤地裂缝的充填性更差。

表1 不同地貌采煤地裂缝差异统计

3.2 差异机理分析

研究区最大和最小海拔点就位于黄土梁峁区，说明黄土梁峁地貌的高差更大，山区松散层的稳定性更差，有大量的黄土崩塌现象发育，最终造成黄土梁峁地貌下的采煤地裂缝的几何尺寸更大。黄土梁峁地区的连续间断区间主要集中在沟谷区域，此处是黄土高原水土运移的主要通道，容易发生裂缝愈合，因此黄土梁峁地貌下裂隙的连续性更差。通过井下的矿山压力观测可以得到黄土梁峁地区由于上覆荷载的不均匀性，来压步距的方差较风沙滩区更大，而已有的研究认为平行裂缝主要是由于矿山来压造成，因此黄土梁峁地貌的采煤地裂缝间距变化范围更大。已有的研究证明，风沙滩区的风积沙的沉积速率远大于黄土梁峁区，因此风沙滩区的采煤地裂缝普遍有高充填率特性。