淮北孙疃煤矿采煤地裂缝发育特征研究

王子威,蔡 毅,严家平,黄 河,冯 宇,尚相春

(1.安徽建筑大学 土木工程学院,安徽 合肥 230601; 2.安徽理工大学 测绘学院,安徽 淮南 232001;3.淮北矿业(集团)有限责任公司 孙疃煤矿,安徽 淮北 235000)

淮北矿区作为年产原煤千万吨以上的大型矿区,在我国煤炭能源供给上占据重要地位。淮北地处黄淮海平原,矿区煤层埋藏较深且上部覆有松散冲积层,矿区采煤多采用综采工艺,顶板管理方式为垮落法。煤层开采后引发上覆岩层扰动及地表沉陷,其中地表沉陷不仅周期较长,而且影响范围远大于采空区[1]。随着采煤工作面的推进,地表各处产生不均匀沉降,在工作面上方及外围形成了大量裂缝,对矿区建筑物构成威胁,同时也会对矿区生态环境及农业生产造成影响[2-7]。因此,为了保障矿区生产生活安全,最大程度降低采煤沉陷引发的地裂缝地质灾害,需要针对矿区采煤沉陷地裂缝发育特征展开研究。

目前,众多学者针对矿区地表移动及地裂缝发育特征进行了研究。胡振琪等[8]通过井上井下相结合的空间坐标控制体系,指出风积沙区动态裂缝超前距与工作面日推进量存在线性关系,边缘裂缝以“带状”“O形圈”分布于开采边界内侧;苏静等[9]采用布设地表观测站的方法,针对厚松散层下综放开采对地表沉陷范围的影响进行了研究;李运成等[10]通过构建工作面3DEC数值模型,探究了黄土沟壑区开采导致的地表裂缝的产生机理、发育特征和展布规律。

不同矿区因地质条件存在差异性,其地表移动变形规律及地裂缝发育特征也各不相同[11-19],尤其,针对淮北矿区地裂缝分布及发育规律鲜有系统研究。综合考虑研究角度及目的,采煤地裂缝常见的3种分类方法有:形态分类法、力学分类法和成因分类法[20]。笔者依据采动裂缝分布状态,将采煤地裂缝分为内部裂缝及外围裂缝,其中:内部裂缝主要分布于采空区正上方,偶有延伸越过工作面边界;外围裂缝主要分布于采空区边界及其外围。通过对孙疃煤矿1047和10111工作面的地面调查与综合分析,掌握研究区采煤沉陷地表裂缝的一般规律与特征,为矿区采煤地裂缝地质灾害防治和生态环境保护提供科学依据。

1 研究区概况

孙疃煤矿位于淮北煤田的南部,含煤岩系沉积环境稳定,地层厚度、煤层间距、煤层厚度均具有一定的稳定性。岩层总体为走向近于南北,向东倾斜的单斜构造,地层倾角一般10°～20°,且沿走向和倾向变化不大[21]。通过对淮北矿区孙疃煤矿1047工作面及10111工作面进行地裂缝观测及数据分析,系统探究其内部裂缝和外围裂缝分布及发育规律。

2个工作面概况分述如下:①1047工作面采煤方法为综采法,推进速度为3.5 m/d,设计走向长560 m,倾向宽220 m。主要回采10煤,上覆松散层厚约220 m,采深-380.4～-427.3 m,采高约3.3 m,煤层倾角为15°。煤层直接顶为厚1.7 m粉砂岩,老顶为厚2.4 m细砂岩;直接底为厚1.2 m粉砂岩,老底为厚3.0 m细砂岩。②10111工作面设计走向长926 m,倾向宽295 m,煤层埋深560 m,上覆松散层厚约230 m,煤层平均采高3.3 m,煤层倾角为19°。工作面推进速度为2.4 m/d,直接顶为厚10.8 m粉砂岩,老顶为厚6.4 m泥岩;直接底为厚2.2 m粉砂岩,老底为厚5.9 m泥岩。工作面地层剖面如图1所示。

图1 工作面地层剖面柱状图

2 地裂缝监测

2.1 监测手段

针对选取的各工作面内部裂缝及外围裂缝,采用RTK(载波相位差分技术)定位、无人机监测、地质雷达监测、坑槽探测及地面测量等监测手段开展调查监测。具体而言:针对地裂缝分布位置,采用RTK定位、无人机监测及地面测量的手段;针对地裂缝演化规律,采用无人机对裂缝进行持续监测,同时结合地面测量以完善监测数据;针对地裂缝深度发育,采用地质雷达及坑槽探测法进行监测。地质雷达现场采样参数见表1。

表1 地质雷达参数设置

2.2 监测方法

2.2.1 地裂缝分布

为了探究研究区工作面地裂缝分布位置,在采空区上方划定内部裂缝调查区,沿开采方向依次进行内部裂缝调查;在采空区机巷外围沿垂直开采方向依次进行外围裂缝调查,基于调查获取的地裂缝进行RTK定位并对照地面测量。对于工作面范围较大,同时受地形地物影响的1047工作面,为了有效地避免人工观测的片面性,同时采用无人机航拍进行调查。

2.2.2 地裂缝演化规律

针对1047工作面内部裂缝发育规律,选取采空区上方1条内部裂缝,采用无人机每2周进行一次持续监测;针对外围裂缝,在4周内对同一地区内外围裂缝进行3次无人机拍摄;针对裂缝地表宽度演化,选定1047工作面内部裂缝N6及3条外围裂缝,布设测点1～7,并对测点进行裂缝地表宽度的持续监测。测点位置如图2所示。

(a)1047工作面地裂缝分布

(b)10111工作面地裂缝分布

2.2.3 外围裂缝宽度与深度的关系

为了获取外围裂缝宽度与深度之间的关系,采用地质雷达及坑槽探测法,针对发育稳定的外围裂缝进行监测,具体过程分述如下:①地质雷达布设。在1047工作面机巷外围布设2条相互垂直测线,分别为SL1和SL2,其中,SL1为南北走向,长度为55 m;SL2为东西走向,长度为106 m,具体测线布设见图2。本次现场地质雷达波高频发射,选择非屏天线500 MHz与100 MHz,分别针对测线SL1和SL2进行测试。②坑槽布设。选取1047工作面测线2中4条比较典型的外围裂缝,沿垂直于机巷方向进行坑槽布设,开展基于坑槽探测法的地裂缝调查。具体而言,通过开挖探槽,对外围裂缝的宽度、深度、倾斜度进行观察、实测。其中坑槽分别距工作面边缘60、86、104、136 m。坑槽开口处尺寸为150 cm×120 cm×150 cm(长×宽×深),采用3个台阶分层开挖方式,开挖后用罗盘测量裂缝面倾角,用卷尺测量裂缝不同深度时的宽度,并在坑槽底部用卷尺测量裂缝深度。坑槽位置见图3。

图3 地质雷达及坑槽布设位置

3 地裂缝分布及演化规律

3.1 内部裂缝分布及演化规律

3.1.1 分布规律

由图2(a)可知,1047工作面采空区上方共调查有6条内部裂缝。其中,N1～N5内部裂缝相对于N6发育规模较大,长度在3.2～4.6 m,延伸方向为91°～98°,且裂缝延伸位置在靠近工作面边界时发生转折,但总体与工作面开采方向基本保持垂直。

3.1.2 裂缝从形成到闭合的演化规律

由1047工作面内部裂缝发育监测结果可知,随着地下采煤活动的不断推进,地表沉陷盆地沿工作面采动方向不断向前发展,平行于开切眼方向的内部裂缝在沉陷盆地的推进过程中规模从小变大再变小,最后趋于闭合。内部裂缝由形成、发展到闭合的过程见图4。

(a)地裂缝位置

(b)裂缝形成

(c)裂缝发展

3.2 外围裂缝分布及演化规律

3.2.1 分布规律

10111工作面地表共调查有5条外围裂缝,其分布如图2(b)所示。其中,裂缝W1宽3 cm,上下盘落差为5 cm;裂缝W2宽3 cm,上下盘落差4 cm;裂缝W3宽5 cm,上下盘落差为12 cm;裂缝W4宽18 cm,上下盘落差为18 cm;裂缝W5宽5 cm,上下盘高差为14～15 cm。5条外围裂缝与工作面机巷基本保持平行。外围裂缝与工作面距离越大,其裂缝之间的间距也会随之增大,如图5所示。通过拟合可知,外围裂缝之间间距与距工作面边界的距离呈明显线性正相关关系。

图5 10111工作面外围裂缝分布

3.2.2 裂缝从形成到稳定的演化规律

通过对1047工作面选定区域内外围裂缝的持续调查,从正射影像图中几条规模较大的外围裂缝清晰可见,其长度约30 m,宽度3～10 cm。裂缝发育状态见表2,外围裂缝发育过程见图6。

表2 外围裂缝发育规律

(a)0周裂缝发育

(b)2周裂缝发育

(c)4周裂缝发育

通过无人机连续拍摄的3次照片可知,在1047工作面发现大量规模较大的外围裂缝,其发育规律为:靠近机巷位置的外围裂缝先产生,距离机巷较远的裂缝后产生;裂缝延伸位置稍滞后于工作面回采位置,但总体与推进位置保持一致;外围裂缝4周内宽度持续变大,宽度增大速率约1.3 mm/d,从初期进入活跃期后,即裂缝经历短暂发育后,其地表宽度增长速率逐渐减小,直到稳定状态;越靠近工作面的外围裂缝发育宽度越大,且发育速度也越快,这与现场地面实测结果基本一致。

3.3 裂缝地表宽度演化规律

当采空区形成后,上覆岩层移动及变形传递至表土层,形成自下而上不断扩展的地裂缝[22]。对裂缝地表宽度演化规律进行调查,可为裂缝深度预测及裂缝发育过程提供依据。通过对选定测点进行为期21 d共5次的监测,得到内部裂缝及外围裂缝地表宽度变化规律,具体变化趋势见图7。

图7 裂缝宽度变化趋势

测点1、2布设在农田边缘,在进行3次测量之后因农耕活动无法继续展开监测;测点3、6在第5次测量中受到了人为扰动而出现轻微的裂缝闭合现象。通过观察测点1、2及测点7前3次监测数据可知,在裂缝发育的前期及活跃期内,内部裂缝宽度的增长速度要明显大于外围裂缝;通过观察与工作面边缘不同距离的测点,即测点3与测点4、5或通过测点6与测点4、5可知,与工作面边缘距离越小,外围裂缝的宽度增长速度越快;通过观察同一条外围裂缝不同位置的测点,即测点5与测点6、7的前4次数据可知,随着工作面的不断推进,外围裂缝在进入活跃期后,回采位置后方的裂缝发育速度小于推进前方的裂缝发育速度。

4 外围裂缝宽度随埋深的变化规律

内部裂缝随着采煤工作面的推进,受采动影响,具有“自修复”特征[23]。而分布于采空区边界上方及外围的裂缝,在不受外力干扰的条件下,形成后将长期存在于地表,相对于内部裂缝,其对农业生产及生态环境具有更严重的影响[24-26]。因此,选取1047工作面4条发育稳定的外围裂缝,进行地质雷达及坑槽探测法研究。

基于地质雷达共布设2条测线,针对1047工作面地裂缝深度演化展开探测,测试结果见图8。

(a)SL1测线500 MHz天线测试结果

(b)SL1测线100 MHz天线测试结果

(c)SL2测线500 MHz天线测试结果

(d)SL2测线100 MHz天线测试结果

由图8可知,测线SL1总长55 m,测线SL2总长106 m,2条测线均发现14个异常位置,记为点1～14。其中,测线SL1根据异常点与测线相对位置及雷达波响应特征可大体分为4段:点1～2为第一段,其异常点分布位置分别为测线6.1 m及10.0 m处,发育深度在8.7～8.8 m,雷达波显示点1浅部相位连续,中部缺失,深部错断,点2浅部相位缺失,深部连续;点3～6为第二段,其异常点分布位置在测线17.8～22.3.m,裂缝发育深度在6.5～8.0 m,异常点雷达波显示为浅部相位缺失,深部错断;点7～10为第三段,该段异常位置分布在测线32.3～40.8 m,发育深度在6.7～8.7 m,其中,点7～9雷达波显示为相位缺失,点10显示为浅中部相位连续,深部错断;点11～14为第四段,其异常点分布位置测线46.6～53.4 m,该段裂缝发育深度为7.1～9.6 m,异常点雷达波响应特征为浅部相位连续,中部缺失,深部错断。

同理,测线SL2总长106 m,根据异常点与测线相对位置及雷达波响应特征可分为5段:点1为第一段,该点位于测线6.0 m处,发育深度为7.6 m,且该点与测线SL1中异常点2分布于同一条外围裂缝上,雷达波响应特征为浅部相位错断,中部缺失,深部错断;点2及点3为第二段,该段分布位置分别在测线13.8 m及16.0 m处,裂缝发育深度为11.7～12.0 m,点2雷达波响应为相位缺失,点3为浅部相位连续,深部缺失;点4～6为第三段,该段分布位置为测线26.0～50.6 m,其中,点4与测线SL1中异常点9分布于同一条外围裂缝上,点4～6裂缝发育深度稳定在7.5～7.6 m,异常点雷达波响应特征均为浅部相位错断,中部缺失,深部错断;点7～10为第四段,异常点分布在测线69.8～81.8 m,其中点7发育深度为7.5 m,点8～10发育深度均为8.8 m,该段异常点雷达波响应特征均为浅部相位错断,中深部缺失;点11～14为第五段,分布位置为测线85.2～103.9 m,裂缝发育深度在6.4～13.7 m,该段异常点雷达波响应均为浅部相位连续,中部缺失,下部错断。

此外,同时选取1047机巷外侧4条典型外围裂缝进行坑槽探测法试验,以探究裂缝宽度与深度演化规律。对探测数据进行处理,拟合裂缝宽度L与深度H之间的关系,以1#、2#坑槽为例,进行不同函数的拟合(见表3),并结合地质雷达结果,确定适合的拟合函数,并预测坑内裂缝的发育深度。

测线SL1中点2及SL2中点1与1#坑槽所选择外围裂缝为同一条,SL1中点9及SL2中点4与2#坑槽所处同一条裂缝,SL2中点6及点7分别与3#、4#坑槽处于同一条裂缝,结合图8及表3可知,外围裂缝深度与其宽度符合对数函数关系。1#、2#坑槽裂缝具体函数关系见表3,3#、4#坑槽裂缝具体函数如下:

3#坑槽裂缝深度与宽度函数关系:

H=97.15lnL-213.6,R2=0.973

(1)

4#坑槽裂缝深度与宽度函数关系:

H=114.08lnL-249.26,R2=0.753

(2)

式中:H为裂缝深度,cm;L为裂缝宽度,cm。

1#～4#坑槽裂缝发育深度与宽度的关系曲线如图9所示。

(a)1#坑槽

(b)2#坑槽

(c)3#坑槽

(d)4#坑槽

由图9可知:1#坑槽裂缝发育深度约为753 cm;2#坑槽裂缝发育深度约为840 cm;3#坑槽裂缝发育深度约为661 cm;4#坑槽裂缝发育深度约为775 cm。由于松散层不均匀,预测裂缝深度与地质雷达结果相比,存在0.2～1.4 m的偏差,可认为数值模拟结果基本符合实际状况。1#～4#坑槽所在裂缝倾角分别为89°、88°、86°、83°,由此可知外围裂缝随着其与工作面距离的增大而呈现倾角变小的趋势。

5 结论

1)根据裂缝分布特征,将研究区采煤地裂缝分为内部裂缝和外围裂缝。其中,内部裂缝分布于采空区正上方,其延伸方向与工作面开采方向基本保持垂直,发育周期较短且呈现“形成—发展—闭合”的规律;外围裂缝分布于采空区边界及其外围,其延伸方向与工作面开采方向基本保持平行(接近开切眼或终采线处除外),且呈现“形成—发展—稳定”的规律。

2)通过对研究区外围裂缝的监测表明:外围裂缝间距与距工作面边界的距离呈明显线性正相关关系;外围裂缝随着工作面开采不断发育,但其延伸位置稍滞后于工作面开采位置;外围裂缝在进行部分发育后,裂缝地表宽度增长速率逐渐减小,直到稳定状态,且工作面推进前方的外围裂缝宽度发育速度大于后方的外围裂缝发育速度。

3)对1047工作面外围裂缝观测数据进行分析拟合,并结合地质雷达测量结果,可知研究区外围裂缝发育深度为6.4～13.7 m;裂缝倾角近于垂直,且裂缝倾角随其与工作面距离的增大而减小;裂缝发育深度与宽度呈对数函数关系变化趋势。