陶海亮 李學(xué)強(qiáng)

(平頂山天安煤業(yè)股份有限公司，河南 平頂山 467000)

開采影響下砂壤土裂縫發(fā)育特征研究
——以汝河侯村段為例

陶海亮 李學(xué)強(qiáng)

(平頂山天安煤業(yè)股份有限公司，河南 平頂山 467000)

作為一種開采引起的地表非連續(xù)破壞形式，裂縫受到井下開采強(qiáng)度、地層結(jié)構(gòu)、表土性質(zhì)等多種因素影響。以汝河侯村段為例，開展開采影響下砂壤土裂縫發(fā)育特征實(shí)測研究。土體物理力學(xué)性質(zhì)測試和理論計(jì)算表明，砂壤土結(jié)構(gòu)較為松散，黏聚力小，節(jié)理性強(qiáng)，較黏土更易產(chǎn)生開采裂縫，裂縫極限發(fā)育深度大于黏土區(qū)域裂縫深度。同時(shí)對研究區(qū)域裂縫平面方向呈串珠狀，深度方向呈束口狀的原因進(jìn)行了分析。研究成果可為類似地質(zhì)采礦條件下煤炭資源開采和地面建筑物保護(hù)提供技術(shù)支持。

砂壤土 裂縫 平面分布 極限深度

當(dāng)?shù)叵侣癫氐拿禾抠Y源被高強(qiáng)度采出時(shí)，開采區(qū)域的地表將會產(chǎn)生劇烈的破壞，裂縫是劇烈破壞特征的一種典型顯現(xiàn)。當(dāng)裂縫出現(xiàn)在建筑物、堤防、邊坡等區(qū)域時(shí)，將會對周邊居民生命財(cái)產(chǎn)安全及生態(tài)環(huán)境保護(hù)產(chǎn)生明顯的不利影響。因此，煤炭開采引起的地表裂縫得到了廣泛重視，針對我國東部華北平原地區(qū)[1-2]和兩淮沖積平原地區(qū)[3-4]，西部黃土高原地區(qū)[5-6]的開采裂縫分布及發(fā)育特征開展了大量的研究，有效地指導(dǎo)了井下開采和地面保護(hù)工作。但是，在我國中部平頂山礦區(qū)、永城礦區(qū)等大面積存在砂壤土，砂壤土被廣泛應(yīng)用于修筑道路、填筑堤防等工程。砂壤土具有節(jié)理性強(qiáng)，黏聚力小，抗沖刷能力弱等特點(diǎn)，確定砂壤土開采影響下裂縫發(fā)育規(guī)律對指導(dǎo)區(qū)域井下煤炭開采和地面土地利用具有重要的實(shí)踐意義。本研究以平頂山礦區(qū)汝河侯村段為例，開展開采影響下砂壤土裂縫發(fā)育特征研究。

1 研究區(qū)域概況

汝河屬淮河流域的沙穎河水系，是平頂山市北部地區(qū)較大河流。汝河侯村段位于平煤集團(tuán)十三礦己一采區(qū)上方，該區(qū)段河床最低標(biāo)高+77.7 m，河床左岸河漫灘標(biāo)高+84.1～+85.3 m，河床寬闊，寬度700 m左右，水力坡度約為1‰，為砂質(zhì)河床。河流右岸為受河流沖刷的陡岸。河流左堤為砂壤土均質(zhì)土堤，堤頂寬5～7 m，迎、背水邊坡均為1∶2，堤高為3～4 m。

平煤集團(tuán)十三礦己一采區(qū)走向長3 000 m，分東西翼，各長1 500 m，主采二迭系山西組己煤組二1煤層，煤層采厚5.8 m左右，采用雙翼后退式仰斜長壁綜放一次采全高，采區(qū)開采上限-180 m，開采下限-500 m，東西兩翼相應(yīng)采深為265～585 m。11022工作面位于采區(qū)的西翼，長1 100 m，寬115 m，開采深度265～365 m，工作面的開采情況及其與汝河侯村段的對應(yīng)關(guān)系如圖1所示。

圖1 研究區(qū)域井上下對照圖

2 裂縫平面分布規(guī)律研究

2.1 裂縫位置及形態(tài)實(shí)測

為研究開采引起的地表和堤防的裂縫分布情況，對11022工作面開采過程中地表堤防產(chǎn)生的裂縫進(jìn)行了實(shí)時(shí)觀測、記錄。地表和堤防實(shí)測裂縫分布情況如圖1所示。

根據(jù)現(xiàn)場裂縫實(shí)測記錄可知，第1條裂縫在2011年1月15號出現(xiàn)，南北走向，裂縫寬為3 mm；第2條裂縫在2011年2月27號出現(xiàn)，南北走向，裂縫寬為2 mm；第3條裂縫在2011年2月29號出現(xiàn)，南北走向，基本平行于第2條裂縫，裂縫寬為3 mm；第4條裂縫在2011年3月17號出現(xiàn)，裂縫寬為10 mm；第5條裂縫最大裂縫寬為400 mm；第6條裂縫最大裂縫寬為500 mm；第7條裂縫最大裂縫寬為100 mm(第5、6、7條裂縫在2012年8月8號觀測記錄，裂縫經(jīng)過雨水沖刷)。

從圖1中可以看出，裂縫出現(xiàn)的位置與已有研究成果保持了良好的一致性[7]，但裂縫形態(tài)出現(xiàn)了一定的特異性。主要體現(xiàn)在裂縫表面寬度較寬，易受到雨水沖刷影響，雨水沖刷下裂縫表面寬度有變大趨勢。

2.2 裂縫臨界變形值的確定

裂縫臨界變形值受土體物理力學(xué)性質(zhì)影響。為準(zhǔn)確獲得砂壤土開采影響下裂縫臨界變形值，在研究區(qū)域?qū)χ躺叭劳恋奈锢砹W(xué)特性進(jìn)行了測試。分別選擇不同區(qū)域按照深度0～1 m，1～2 m和2～3 m進(jìn)行土體取樣。用環(huán)刀法進(jìn)行密度測試，用烘干法進(jìn)行含水量實(shí)驗(yàn)，采用快剪法進(jìn)行土塊抗剪強(qiáng)度測試，采用快速固結(jié)法進(jìn)行土塊固結(jié)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 砂壤土實(shí)測物理力學(xué)參數(shù)

根據(jù)研究可知[8]，地表裂縫的臨界水平變形值的計(jì)算式為

(1)

式中，εJ為地表裂縫臨界水平變形值；C為黏聚力；μ為泊松比；φ為內(nèi)摩擦角；E為彈性模量。

取表1中實(shí)測的平均值：C=0.018MPa，μ=0.29，φ=34°，E=20.3MPa，由式(1)可以計(jì)算得，汝河侯村段開采砂壤土地表臨界變形值εJ為3.1mm/m。

地表為黏性土的裂縫臨界變形值為4mm/m[8]，而地表為砂壤土的裂縫臨界變形值為3.1mm/m，表明砂壤土抗變形能力比黏性土小。

3 裂縫發(fā)育深度研究

3.1 裂縫發(fā)育深度理論計(jì)算

根據(jù)淮河下采煤地表堤防裂縫研究可知，當(dāng)表土層性質(zhì)相同或相近時(shí)，裂縫發(fā)育深度計(jì)算式為[8]

(2)

式中，h為地表裂縫發(fā)育的極限深度；r為土的干容重。

目前臨床上針對粘液腺囊腫的常用治療方法除傳統(tǒng)的手術(shù)切除外，還有液氮冷凍、微波切除、碘制劑注射、二氧化碳激光等。各種治療方法都有著各自的優(yōu)點(diǎn)與不足。

從式(2)可以看出，裂縫深度與土的黏聚力C和內(nèi)摩擦角φ有關(guān)，由此可見黏性土和砂壤土裂縫的發(fā)育深度有較大不同。土的黏聚力C大小較內(nèi)摩擦角φ對裂縫大于深度的影響大，故黏土堤中的裂縫一般比砂壤土堤中裂縫較深。

將表1中實(shí)測的砂壤土物理力學(xué)參數(shù)代入上式中計(jì)算可得，研究區(qū)域砂壤土裂縫極限發(fā)育深度為4.1m。

3.2 裂縫發(fā)育深度現(xiàn)場開挖

為了研究裂縫在深度上的發(fā)育情況，驗(yàn)證理論計(jì)算結(jié)果的正確性，在實(shí)地中選擇了在地表最大裂縫寬的位置處，對裂縫進(jìn)行人工開挖。根據(jù)兗礦、淮堤的實(shí)地開挖裂縫經(jīng)驗(yàn)[9-10]，開挖前，應(yīng)在裂縫內(nèi)灌入白灰水以便掌握開挖邊界；開挖時(shí)，沿裂縫向下采用梯形斷面開挖。裂縫在深度方向上實(shí)地開挖得到的裂縫情況見圖2，發(fā)育形態(tài)見圖3。

圖2 實(shí)地開挖裂縫

圖3 裂縫深度發(fā)育形態(tài)

通過實(shí)測開挖對裂縫發(fā)育深度經(jīng)行研究，從圖2和圖3可知：

(1)裂縫沿豎直向上的發(fā)育形態(tài)并不是一條直線，呈曲線形態(tài)彎曲變化，這主要是受土層的性質(zhì)影響。

(2)裂縫的發(fā)育深度與地形高低變化無關(guān)，經(jīng)實(shí)地裂縫開挖可得，堤體內(nèi)的裂縫隨堤防的起伏而起伏。

(4)當(dāng)裂縫發(fā)育達(dá)到地下潛水位時(shí)立即消失，這是由于土的含水量急劇增加使黏聚力C和內(nèi)摩擦角φ急減，土層會立即發(fā)生較大的塑性變形，土顆粒之間產(chǎn)生較大的移動，使裂縫難以形成。

(5)經(jīng)實(shí)測開挖可得，砂壤土條件下裂縫發(fā)育的極限深度為3.83m，與理論計(jì)算結(jié)果保持了良好的一致性。

4 區(qū)域裂縫發(fā)育特異性研究

根據(jù)傳統(tǒng)開采沉陷觀點(diǎn)，開采引起的地表裂縫呈上寬下窄形態(tài)，從地表向下發(fā)育，不會從地下一定深度發(fā)育。但研究區(qū)域在開采影響下地表裂縫呈現(xiàn)并不明顯，僅出現(xiàn)少量寬度較小的裂縫。但是，在雨水沖刷下，地表出現(xiàn)大量不連續(xù)的沖刷坑，裂縫寬度也明顯增大，如圖4。其中，部分沖刷坑區(qū)域出現(xiàn)較大程度的突然沉降，形成了小范圍的塌陷坑和塌陷漏斗，如圖5。這種現(xiàn)象與傳統(tǒng)開采沉陷規(guī)律較為不符，下面將對這種現(xiàn)象的原因進(jìn)行分析。

圖5 裂縫區(qū)域塌陷坑及塌陷漏斗

從圖4和圖5中可以看出，研究區(qū)域?yàn)槿旰訛┑?，灘地上密布多年生木本植物? a生草本植物，經(jīng)多年的生長發(fā)育，該區(qū)域淺層土中植物根系發(fā)達(dá)，層層纏繞。這種結(jié)構(gòu)的土體與原生土體相比，抗拉強(qiáng)度大大增加。而開采引起的裂縫寬度與土體的抗拉強(qiáng)度密切相關(guān)，研究區(qū)域的這種土體結(jié)構(gòu)導(dǎo)致開采引起的裂縫在深度方向上的發(fā)育形態(tài)與傳統(tǒng)觀點(diǎn)存在一定差異，在研究區(qū)域的裂縫形態(tài)從深部到淺部首先呈現(xiàn)逐漸增寬趨勢，當(dāng)達(dá)到根系密集土層時(shí)，由于土體抗拉強(qiáng)度增大，裂縫突然變窄形成了一種束口的漏斗形態(tài)。

在開采影響后，如果沒有外力作用，裂縫形態(tài)將保持長期不變。但是，為了耕作需要，淺層裂縫可能會被人為回填，導(dǎo)致表層裂縫寬度進(jìn)一步減小，甚至部分區(qū)域裂縫肉眼難以發(fā)現(xiàn)。當(dāng)有雨水降臨時(shí)，雨水會順著表層裂縫滲入裂縫內(nèi)部。

砂壤土中不含有或僅含有微量的礦物質(zhì)，在水力沖刷作用下，地表的顆粒被沖刷到裂縫下面，當(dāng)砂壤土中的顆粒骨架支撐力變小，顆粒間的黏聚力減小，內(nèi)摩擦角也相應(yīng)的變小，在上覆土體作用下，土壁將不可避免地發(fā)生崩塌、垮落。這些被沖刷下來的土體顆粒和崩塌下來的土體充填裂縫的下部，將裂縫內(nèi)部空間進(jìn)行部分充填。隨著對淺層區(qū)域的持續(xù)沖刷，裂縫的開口寬度會逐漸變大，部分區(qū)域可能最終形成上寬下窄的“V”形裂縫。雨水沖刷作用下裂縫形態(tài)變化過程如圖6所示。

圖6 雨水沖刷下裂縫形態(tài)發(fā)育過程

5 結(jié) 論

(1)砂壤土裂縫地表分布位置與黏土保持了良好的一致性，但裂縫形態(tài)出現(xiàn)了一定的特異性。主要體現(xiàn)在裂縫表面寬度較寬，易受到雨水沖刷影響，雨水沖刷下裂縫表面寬度有變大趨勢。

(2)由于砂壤土黏聚力較小，導(dǎo)致砂壤土出現(xiàn)裂縫的臨界變形值小于黏土出現(xiàn)裂縫的臨界變形值。

(3)受黏聚力和內(nèi)摩擦角的共同影響，砂壤土裂縫極限發(fā)育深度大于黏土裂縫極限發(fā)育深度。

(4)分析了研究區(qū)域束口狀裂縫成因及擴(kuò)展發(fā)育過程，表明植被根系增強(qiáng)了淺層土的抗拉強(qiáng)度，導(dǎo)致裂縫形態(tài)異常。

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(責(zé)任編輯 石海林)

Research on the Fissure Development Characteristic of Sandy Loam：A Case from Houcun Region of Ruhe

Tao Hailiang Li Xueqiang

(PingdingshanTiananCoalCo.，Ltd.，Pingdingshan467000，China)

As a form of discontinuous surface damage caused by coal mining，fissures are influenced by mining intensity，stratigraphic structure，surface properties，and other factors.Based on Houcun region of Ruhe as an example，the experimental study on sandy loam fissures development characteristics under the influence of underground mining are carried out.The result of soil physical mechanical properties test and theoretical calculation show that the structure of sandy loam is loose with low cohesive force and abundant joints，resulting that the sandy loam is more likely to produce mining fissures than clay，and the limit depth of fissures in sandy loam is greater than that in clay.At the same time，the reasons that the shapes of fissures in plane are strings of beads and that in depth is in mouth shapes are analyzed.The result will provide technical support for mining and ground buildings protection in similar geological and mining conditions.

Sandy loam，F(xiàn)issure，Plane distribution，Limit depth

2015-02-14

陶海亮(1982—)，男，工程師。

TD325

A

1001-1250(2015)-04-052-04