王云廣,郭文兵,2

(1.河南理工大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院,河南 焦作 454000；2.煤炭安全生產(chǎn)河南省協(xié)同創(chuàng)新中心,河南 焦作 454000)

采空塌陷區(qū)地表裂縫發(fā)育規(guī)律分析

王云廣1,郭文兵1,2

(1.河南理工大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院,河南 焦作 454000；2.煤炭安全生產(chǎn)河南省協(xié)同創(chuàng)新中心,河南 焦作 454000)

為研究開(kāi)采沉陷覆巖移動(dòng)地表裂縫的發(fā)育狀況,論文基于沉陷盆地主斷面移動(dòng)變形特征,將地表移動(dòng)變形影響區(qū)劃分為拉伸區(qū)、壓縮區(qū)和先拉伸后壓縮區(qū),并分析了各區(qū)的裂縫發(fā)育特征;先拉伸后壓縮區(qū)合理解釋了裂縫的自修復(fù)現(xiàn)象;運(yùn)用下沉曲線計(jì)算模型借助于數(shù)學(xué)計(jì)算軟件,計(jì)算了沉陷盆地主斷面下沉曲線的長(zhǎng)度,提出了基于下沉曲線長(zhǎng)度計(jì)算判斷采動(dòng)拉伸區(qū)裂縫發(fā)育的方法;從理論上推斷了一定條件下壓縮區(qū)地表可產(chǎn)生擠壓凸起,結(jié)合工程實(shí)例,分析了地表裂縫的發(fā)育特征。

下沉盆地主斷面;地表移動(dòng)變形;地表裂縫;開(kāi)采沉陷;特征研究

0 引言

礦業(yè)是對(duì)地質(zhì)環(huán)境影響最大的產(chǎn)業(yè),采煤引起的地表裂縫是開(kāi)采沉陷對(duì)地表破壞的常見(jiàn)形式之一[1-2]。我國(guó)煤炭開(kāi)采量居世界第一,煤礦地裂縫也最多[3]。伴隨著我國(guó)東部礦區(qū)資源的衰竭,對(duì)西部煤炭等資源的依賴越來(lái)越強(qiáng),西部地區(qū)煤炭資源分布廣泛、埋藏較淺、地表生態(tài)脆弱[4],由煤炭開(kāi)采引起的一系列生態(tài)問(wèn)題日趨嚴(yán)重,已成為煤炭采區(qū)的共性問(wèn)題[5]。采動(dòng)裂縫造成地下水流系統(tǒng)的改變和含水層的疏干,還對(duì)植被根系發(fā)育、生長(zhǎng)產(chǎn)生嚴(yán)重影響[6],并造成地下水滲漏和水位下降,改變地下水徑流條件,減少地表水體面積,嚴(yán)重破壞了區(qū)內(nèi)地質(zhì)環(huán)境,加劇地表淺表層的水土流失[7-10]。本文從分析沉陷盆地主斷面移動(dòng)變形特征及變形性質(zhì)分區(qū)入手,通過(guò)計(jì)算地表下沉后對(duì)采前原巖地表的拉伸量,結(jié)合采空區(qū)地表覆巖(土體或巖層)自身抗拉特性,給出了一種判定下沉盆地拉伸裂縫發(fā)育的新方法,這為判斷采動(dòng)裂縫發(fā)育提供了新手段,這對(duì)我國(guó)煤炭資源合理開(kāi)發(fā)、水土保持、生態(tài)環(huán)境安全治理及可持續(xù)發(fā)展等具有積極意義。

1 下沉盆地主斷面拉伸及壓縮變形分區(qū)

主斷面下沉曲線拉伸、壓縮區(qū)域的劃分可根據(jù)對(duì)應(yīng)水平變形曲線特征進(jìn)行。水平變形曲線上,水平變形值ε大于零對(duì)應(yīng)的橫軸區(qū)域?yàn)楦矌r移動(dòng)變形的拉伸區(qū),水平變形值ε小于零對(duì)應(yīng)的橫軸區(qū)域?yàn)楦矌r移動(dòng)變形的壓縮區(qū)。對(duì)于水平煤層,非充分采動(dòng)時(shí),水平變形曲線有三個(gè)極值,兩個(gè)相等的正極值和一個(gè)負(fù)極值,正極值表示最大拉伸量,負(fù)值表示最大壓縮量;最大拉伸位于邊界點(diǎn)和拐點(diǎn)之間,最大壓縮位于最大下沉點(diǎn)處;邊界點(diǎn)和拐點(diǎn)處水平變形為零;充分采動(dòng)時(shí)下沉曲線的拉伸區(qū),水平變形ε與非充分采動(dòng)時(shí)相同;在壓縮區(qū),水平變形曲線形態(tài)由“V”型演化為“W”型;超充分采動(dòng)時(shí),下沉曲線呈平底盆地裝,其對(duì)應(yīng)的水平變形ε在開(kāi)采邊界附近時(shí)與充分采動(dòng)類似,但在下沉曲線盆底的中部,出現(xiàn)了一定寬度的先拉伸后壓縮影響(復(fù)合影響)區(qū)域。圖1和圖2為按照超充分采動(dòng)時(shí)主斷面下沉及水平變形劃分的地表移動(dòng)變形的主斷面和全盆地拉伸、壓縮區(qū)域的劃分。

圖1 超充分采動(dòng)主斷面拉伸區(qū)和壓縮區(qū)分布Fig.1 Tensile and compression zone of supercritical mining

圖2 超充分采動(dòng)全盆地拉伸區(qū)和壓縮區(qū)分布Fig.2 Tensile and compression zone of supercritical subsidence basin

2 基于主斷面變形特征的地表裂縫發(fā)育分析

地表裂縫產(chǎn)生是由于巖層中積累的拉應(yīng)力超過(guò)巖體或土地的抗拉強(qiáng)度,導(dǎo)致巖體或土體被拉斷,繼而產(chǎn)生開(kāi)裂或切落。根據(jù)國(guó)內(nèi)外采礦經(jīng)驗(yàn)[2]深厚比H/m小于30時(shí),采動(dòng)過(guò)程中地表沉陷和變形在空間和時(shí)間上都有明顯的不連續(xù)特征,特別是在淺埋深厚煤層開(kāi)采時(shí)更容易在地表形成裂縫。

2.1 主斷面下沉對(duì)地表的拉伸

為研究覆巖下沉對(duì)地表產(chǎn)生的水平拉伸,選取超充分采動(dòng)下沉曲線為研究對(duì)象,因超充分采動(dòng)包含地表移動(dòng)變形的各個(gè)過(guò)程(非充分和充分)。圖3為超充分采動(dòng)下沉曲線的分析模型,L1為下沉曲線兩側(cè)水平移動(dòng)為0的A、B兩點(diǎn)間的水平距離;L2為下沉曲線兩側(cè)水平移動(dòng)為0的點(diǎn)間下沉曲線的長(zhǎng)度。

圖3 下沉曲線分析模型Fig.3 Subsidence curve analysis model

定義:

(1)

式中：△L——L1在下沉曲線L2上的拉伸量/m。

(2)

式中：P——L1在下沉曲線L2上的拉伸率。

2.2 拉伸裂縫判定

將覆巖承受的單位長(zhǎng)度拉伸致裂特征[11]用ε0表示,單位mm/m,則理論上主斷面下沉曲線對(duì)原巖的拉伸變形符合公式(3)時(shí),地表不出現(xiàn)裂縫,當(dāng)符合公式(4)時(shí),地表出現(xiàn)裂縫。

(3)

不出現(xiàn)裂縫。

(4)

出現(xiàn)裂縫。

2.3 采動(dòng)裂縫分區(qū)變形特征

采動(dòng)裂縫出現(xiàn)的能量來(lái)源是采空區(qū)覆巖經(jīng)復(fù)雜運(yùn)移傳遞至地表產(chǎn)生對(duì)地表的拉伸或剪切作用。因此,采動(dòng)裂縫多出現(xiàn)在拉伸區(qū)。根據(jù)拉伸壓縮區(qū)域的劃分,非充分和充分采動(dòng)時(shí),在采空區(qū)邊界附近的拉伸區(qū)會(huì)出現(xiàn)拉伸裂縫。對(duì)于超充分采動(dòng),在下沉盆地上出現(xiàn)了平底盆地,在盆底區(qū)域的移動(dòng)變形復(fù)合影響區(qū) (平底部分先經(jīng)受拉伸后經(jīng)受壓縮作用)。因此采動(dòng)裂縫即出現(xiàn)在邊界拉伸區(qū)域和平底中心區(qū)域的復(fù)合影響區(qū)。理論上在壓縮區(qū)由于不承受拉伸作用,一般不出現(xiàn)拉伸裂縫,這是由覆巖抗壓特性遠(yuǎn)大于抗拉伸特性決定的。但實(shí)際觀測(cè)中壓縮區(qū)也有裂縫存在,這可能是因覆巖周期破斷引發(fā)的覆巖剪切破斷或松散層受水平方向的擠壓引起的擠壓凸起。

采空區(qū)外邊緣的裂縫位于拉伸變形區(qū),此區(qū)域分布的裂縫往往為永久性裂縫[12];在采空區(qū)走向和傾向上,采空區(qū)地表覆巖(或松散層)在走向和傾向兩個(gè)方向上向采空區(qū)的幾何中心移動(dòng),由于兩個(gè)方向移動(dòng)變形的共同作用,故裂縫在平面分布上,非充分采動(dòng)和充分采動(dòng)時(shí)的裂縫分布近似于“O”型[13],而對(duì)于超充分開(kāi)采,裂縫區(qū)域的分布近似于“橢圓形”。

在超充分采動(dòng)的平底區(qū),由于先經(jīng)受拉伸后經(jīng)壓縮,故該區(qū)域的裂縫將經(jīng)歷裂縫出現(xiàn)直至該地質(zhì)條件下的最大寬度和深度,之后將在壓縮變形下,裂縫寬度逐漸收縮甚至閉合,但一般仍留有裂縫痕跡。即該區(qū)域的裂縫呈現(xiàn)“裂縫出現(xiàn)→寬度逐漸發(fā)育→裂縫寬度至最大→裂縫寬度變小→裂縫發(fā)育停止或閉合”的“生命周期”過(guò)程。這是因在回采過(guò)程中覆巖先在拉伸應(yīng)力的作用下發(fā)生周期破斷,之后由于工作面不斷推進(jìn),該區(qū)域由經(jīng)受拉伸應(yīng)力逐漸轉(zhuǎn)換成壓縮應(yīng)力的緣故。對(duì)采空區(qū)覆巖這一受力過(guò)程的分析,從理論上解釋了采空區(qū)動(dòng)態(tài)裂縫自修復(fù)至閉合的現(xiàn)象。裂縫的周期破斷間距,可參考文獻(xiàn)[14]等給出的方法獲得。

2.4 地表裂縫與覆巖破壞的關(guān)系

煤炭開(kāi)采后采空區(qū)上覆巖層在重力作用下發(fā)生由下至上的垮落破斷,已有研究成果[15-17]將采空區(qū)覆巖破壞劃分為“二帶”、“三帶”和“四帶”模式。近年通過(guò)對(duì)高強(qiáng)度開(kāi)采覆巖破壞的觀測(cè),發(fā)現(xiàn)某些高強(qiáng)度開(kāi)采由于煤層埋深小、采厚大、推進(jìn)速度快等原因,理論計(jì)算[18]及現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)均發(fā)現(xiàn)覆巖破壞可直達(dá)地表,工作面發(fā)生潰砂、漏風(fēng)等現(xiàn)象。這是由于在采空區(qū)上覆巖內(nèi)出現(xiàn)了自采空區(qū)直接頂至地表的貫通裂縫,覆巖出現(xiàn)了整體性垮落。根據(jù)開(kāi)采沉陷學(xué)對(duì)覆巖破壞分帶的定義,因僅出現(xiàn)垮落帶,未出現(xiàn)裂隙帶和彎曲下沉帶,即在覆巖上部?jī)H有“一帶”發(fā)育?；谝陨戏治稣J(rèn)為在某些埋深較小、煤層厚度大的區(qū)域,采空區(qū)覆巖可能發(fā)生整體性的垮塌,此時(shí)覆巖的破壞類型為“一帶”模型。根據(jù)覆巖破壞特征,當(dāng)覆巖破壞為“一帶”和“兩帶”模型時(shí),采動(dòng)裂縫以剪切型裂縫為主;當(dāng)覆巖破壞屬于“三帶”和“四帶”模型時(shí),采動(dòng)裂縫以拉伸型裂縫為主。

3 主斷面下沉曲線長(zhǎng)度計(jì)算

開(kāi)采沉陷預(yù)計(jì)的概率積分法理論[19]認(rèn)為,非充分、充分和超充分采動(dòng)都可用半無(wú)限開(kāi)采經(jīng)疊加表示。半無(wú)限開(kāi)采下沉和水平變形模型見(jiàn)圖4。

圖4 下沉曲線長(zhǎng)度計(jì)算模型Fig.4 Calculation model of subsidence curve length

半無(wú)限開(kāi)采下沉曲線的表達(dá)式見(jiàn)公式(5):

(5)

式中：W0——地表最大下沉/mm。

根據(jù)對(duì)弧長(zhǎng)的曲線積分(第一類曲線積分)理論[20],曲線L2長(zhǎng)度(半無(wú)限下沉曲線上AB的長(zhǎng)度)的計(jì)算式為:

(6)

即:

(7)

L2的計(jì)算可借助數(shù)學(xué)軟件如Mathematica[21]等進(jìn)行。

4 工程實(shí)例

4.1 區(qū)域地質(zhì)概況

哈拉溝煤礦22407工作面長(zhǎng)284.3 m,推進(jìn)長(zhǎng)3 224.1 m,煤層厚度3.8～5.7 m,平均5.39 m,煤層傾角1°～3°,工作面上覆基巖厚35～98.5 m,平均88.94 m,松散層厚40～69 m,平均42 m,平均埋深130.94 m,基本頂為粉細(xì)砂巖,成份主要是石英、長(zhǎng)石,具有波狀層理,厚度大于20 m;直接頂為中細(xì)砂巖,成份為石英、長(zhǎng)石,泥質(zhì)膠結(jié),厚度18.47～44.1 m,平均25.4 m;開(kāi)采方法為單一長(zhǎng)壁后退式綜合機(jī)械化采煤,全部垮落法管理頂板。

4.2 地表移動(dòng)變形及預(yù)計(jì)參數(shù)

為觀測(cè)22407工作面地表移動(dòng)和變形,考慮到工作面為超充分采動(dòng),因此在工作面走向和傾向主斷面上,各布設(shè)了半條互相垂直的普通地表移動(dòng)觀測(cè)站。經(jīng)對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)的處理,獲得了工作面采動(dòng)后的穩(wěn)態(tài)地表移動(dòng)變形及其擬合曲線(圖5～圖8)和概率積分法預(yù)計(jì)參數(shù)(表1)。由圖5～圖8知,工作面地表下沉及水平移動(dòng)變形規(guī)律性明顯,或是受區(qū)域地形及數(shù)據(jù)采集精度等因素的影響,下沉的擬合精度高于水平變形數(shù)據(jù)的擬合精度。

4.3 地表裂縫發(fā)育及分布特征

(1) 22407工作面主斷面下沉曲線的拉伸長(zhǎng)度。由下沉曲線長(zhǎng)度計(jì)算理論,計(jì)算得22407工作面走向和傾向方向上下沉曲線對(duì)地表的拉伸量ΔL1、ΔL2分別為81mm(對(duì)應(yīng)的走向主要影響半徑r=103 m)和70 mm (對(duì)應(yīng)的傾向下山主要影響半徑r1=87 m)。因此走向和傾向方向的下沉曲線拉伸率P分別為0.78 mm/m和0.80 mm/m。走向方向拉伸區(qū)內(nèi)最大水平移動(dòng)值達(dá)906 mm;傾向方法拉伸區(qū)最大水平變形達(dá)25 mm/m。

(2) 裂縫發(fā)育的判斷。22407工作面地表覆蓋40～69 m厚的風(fēng)積沙,采空區(qū)上覆巖層厚度僅為35～98.5 m。風(fēng)積沙粘性顆粒含量少,松散的堆積在一起,具有天然的無(wú)聚性和非塑性,且抗剪性極差,其在采空區(qū)覆巖運(yùn)移過(guò)程中是作為覆巖的載荷存在的,與覆巖變形同步。水平方向上,由前述的計(jì)算知,在移動(dòng)變形影響范圍內(nèi),地表承受的拉伸率P為0.8 mm/m,根據(jù)前述公式(4)及文獻(xiàn)[10]所述材料抵抗拉伸特性(泥漿為0.7 mm/m)。由于0.8 mm/m>0.7 mm/m,因此判斷22407工作面開(kāi)采后地表將有裂縫發(fā)育。豎直方向上,計(jì)算的導(dǎo)水裂隙帶高度[17]在54.75～79.65 m之間,而22407工作面覆巖厚度為35～98.5 m,由此可知在豎直方向上,導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度在部分區(qū)域大于上覆巖層的厚度,可知導(dǎo)水裂隙帶的裂縫將在地表發(fā)育。

圖5 走向下沉及其擬合曲線Fig.5 Subsidence and its fitting curve along strike

圖6 走向水平變形及其擬合曲線Fig.6 Horizontal strain and its fitting curve along strike

圖7 傾向?qū)崪y(cè)下沉及其擬合曲線Fig.7 Subsidence and its fitting curve along dip

圖8 傾向?qū)崪y(cè)水平變形及其擬合曲線Fig.8 Horizontal strain and its fitting curve along dip

觀測(cè)站名稱qtanβtanβ1tanβ2bθ0/(°)S1/mS2/mS3/mS4/m22407工作面觀測(cè)站06412717314903188612197106106

(3) 地表裂縫的實(shí)測(cè)發(fā)育特征

拉伸區(qū)裂縫特征:采空區(qū)邊界附近,因承受拉伸作用,加之煤層埋深小、煤層開(kāi)采厚度大、推進(jìn)速度快等因素,調(diào)查中發(fā)現(xiàn)該區(qū)域內(nèi)裂縫具有寬度大(0.3～0.5 m)、剪切臺(tái)階落差大(0.4～0.9 m)、深度大(最深3.5 m左右)、裂縫發(fā)育密集(兩剪切臺(tái)階僅相距2～3 m)、近似平行于采空區(qū)邊界分布。該區(qū)域內(nèi)的裂縫不具備自修復(fù)現(xiàn)象,一般為永久裂縫;裂縫在開(kāi)采邊界附近整體呈現(xiàn)“O”型,局部呈“C”型或“弧線”型;該區(qū)域內(nèi)裂縫以拉伸、剪切為主。工作面地表裂縫的平面分布見(jiàn)圖9、臺(tái)階裂縫見(jiàn)圖10。

圖9 采空區(qū)地表裂縫平面分布Fig.9 Fractures plane distribution on the surface

圖10 地表拉伸區(qū)的臺(tái)階裂縫Fig.10 Steps cracks in tensile zone

壓縮區(qū)裂縫特征:一般來(lái)說(shuō)壓縮區(qū)地表裂縫發(fā)育是由覆巖的周期破斷垮落引發(fā)的,因該區(qū)域承受水平方向上的壓縮,使得壓縮區(qū)內(nèi)的裂縫發(fā)育一般較小,裂縫間距比拉伸區(qū)稍大。理論上分析應(yīng)存在的擠壓凸起變形,通常情況下較少出現(xiàn),只有在地表變形量大、地表覆巖松散等的情況下才能發(fā)育。本次地表采動(dòng)裂縫調(diào)研中,在地表移動(dòng)變形壓縮區(qū)觀測(cè)到了規(guī)律明顯的擠壓凸起現(xiàn)象(圖11),其發(fā)育特征為在相隔10～16 m出現(xiàn)3～6條凸起高度在0.6 m左右,長(zhǎng)度在30～50 m左右方向與工作面回采方向垂直的的擠壓凸起帶。同時(shí)在兩擠壓凸起之間,還發(fā)育2～5 條寬度在50 mm左右的方向大致與擠壓凸起一致的裂縫。壓縮區(qū)即有擠壓凸起又有裂縫發(fā)育,說(shuō)明該區(qū)域覆巖在移動(dòng)變形中受擠壓和頂板周期破斷的雙重影響。

圖11 采空區(qū)地表壓縮區(qū)的擠壓凸起Fig.11 Compression-uplift on the compression zone

先拉伸后壓縮區(qū)裂縫特征:該區(qū)域內(nèi)裂縫一般先出現(xiàn)在工作面推進(jìn)位置的前方,理論上當(dāng)工作面推過(guò)裂縫的正下方后該位置發(fā)育的裂縫受力情況由拉伸即轉(zhuǎn)換為壓縮,區(qū)域內(nèi)裂縫屬動(dòng)態(tài)裂縫。動(dòng)態(tài)裂縫寬度和落差一般較小,近似呈直線分布,方向與工作面平行或垂直于工作面的推進(jìn)方向,長(zhǎng)度與工作面的采寬相近。裂縫范圍隨采空區(qū)的擴(kuò)大而不斷增大,動(dòng)態(tài)裂縫主要受采動(dòng)過(guò)程中的拉應(yīng)力而產(chǎn)生,壓縮應(yīng)力而閉合(自修復(fù))。調(diào)研發(fā)現(xiàn)較大的動(dòng)態(tài)裂縫兩側(cè)存在 200～450 mm 的落差,裂縫走向與工作面推進(jìn)方向近似垂直,每隔10～15 m (該距離同頂板周期來(lái)壓的步距基本一致)發(fā)育一條150～400 mm寬的大裂縫;在兩大裂縫之間,近乎均勻間隔3～5 m發(fā)育著數(shù)條50～150 mm寬的中等寬度裂縫;在中等寬度裂縫之間,分布著寬0～50 mm的規(guī)律性不明顯的小裂縫。調(diào)查中還發(fā)現(xiàn)由于風(fēng)積沙的流動(dòng)性及地表移動(dòng)變形過(guò)程中的先拉伸、后壓縮的復(fù)合作用,該區(qū)域內(nèi)的地表裂縫一般具有明顯的自修復(fù)能力。

5 結(jié)論

(1) 通過(guò)對(duì)地表移動(dòng)變形規(guī)律的分析,按照地表承受拉伸、壓縮作用的不同,將移動(dòng)變形區(qū)域劃分為拉伸區(qū)、壓縮區(qū)和先拉伸后壓縮(復(fù)合影響)三個(gè)變形區(qū)。

(2) 提出了基于計(jì)算下沉盆地主斷面下沉曲線長(zhǎng)度,判斷覆巖移動(dòng)拉伸區(qū)地表裂縫發(fā)育的方法。

(3) 理論上分析了壓縮區(qū)內(nèi)地表擠壓凸起的存在及其發(fā)育特征,并在裂縫現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查中得到了印證。

(4) 運(yùn)用所述方法結(jié)合工程實(shí)際,分析了地表裂縫分布及發(fā)育特征;該方法為類似采礦地質(zhì)條件下采動(dòng)地表裂縫判別及工程治理提供了新手段。

[1] 吳越,白華.礦區(qū)人居環(huán)境安全問(wèn)題研究——以譚家山煤礦為例[J].中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào),2009,19(11):12-17+178. WU Yue, BAI Hua. Study on habitat environmental security aro-undmines: with Tanjiashan Coalmine as an example[ J]. China Safety Science Journal, 2009,19(11):12-17+178.

[2] 胡青峰,崔希民,袁德寶,等.厚煤層開(kāi)采地表裂縫形成機(jī)理與危害性分析[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào),2012, 29(6):864-869. HU Qingfeng, CUI Ximin, YUAN Debao, et al. Formation mechanism of surface cracks caused by thick seam mining and hazard analysis[J]. Journal of Mining and Safety Engineering, 2012, 29(6):864-869.

[3] 馬施民,王洋,楊雯,等.山西煤礦潞安礦區(qū)地裂縫發(fā)育特征及形成機(jī)理分析[J]. 中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào),2014,25(1):28-32. MA Shimin, WANG Yang, YANG Wen, et al. Characteristics of ground fissures development and formation mechanism in Lu’an mining area, Shanxi province [J]. The Chinese Journal of Geological Hazard and Control, 2014,25(1):28-32.

[4] 湯伏全.西部厚黃土層礦區(qū)開(kāi)采沉陷預(yù)計(jì)模型[J].煤炭學(xué)報(bào),2011,36(S1):74-78. TANG Fuquan. Mining subsidence prediction model in western thick loess laye rmining areas [J].Journal of China Coal Society, 2011,36(S1):74-78.

[5] 錢(qián)鳴高,繆協(xié)興,許家林.資源與環(huán)境協(xié)調(diào)(綠色)開(kāi)采[J].煤炭學(xué)報(bào),2007,32(1):1-7. QIAN Minggao, MIAO Xiexing, XU Jialin. Green mining of coal resources harmonizing with environment[J]. Journal of China Coal Society, 2007,32(1):1-7.

[6] 王力,衛(wèi)三平,王全九.榆神府煤田開(kāi)采對(duì)地下水和植被的影響[J].煤炭學(xué)報(bào),2008,33(12):1408-1414. WANG Li, WEI Sanping, WANG Quanjiu. Effect of coal exploitation on ground water and vegetation in the Yushenfu Coalmine[J]. Journal of China Coal Society, 2008, 33(12):1408-1414.

[7] 范立民.陜北地區(qū)采煤造成的地下水滲漏及其防治對(duì)策分析[J].礦業(yè)安全與環(huán)保,2007,34(5):62-64. FAN Limin. Underground water seepage caused by coalmining and its prevention and control measures in north Shanxi region[J].Mining Safety & Environmental Protection, 2007, 34(5):62-64.

[8] 冀瑞君,彭蘇萍,范立民,等.神府礦區(qū)采煤對(duì)地下水循環(huán)的影響—以窟野河中下游流域?yàn)槔齕J].煤炭學(xué)報(bào),2015,40(4):938-943. JI Ruijun,PENG Suping,FAN Limin,et al. Effect of coal exploit-tation on groundwater circulation in the Shenfu mine area:an example from middle and lower reaches of the Kuye river basin[J]. Journal of China Coal Society, 2015, 40(4):938-943.

[9] 馬雄德,范立民,張曉團(tuán),等.榆神府礦區(qū)水體濕地演化驅(qū)動(dòng)力分析[J].煤炭學(xué)報(bào),2015,40(5):1126-1133. MA Xiongde, FAN Limin, ZHANG Xiaotuan, et al. Driving force analysis for water and wetlands evolution at Yushenfu mining area[J]. Journal of China Coal Society, 2015, 40(5): 1126-1133.

[10] 王晉麗,康建榮,胡晉山.采煤地裂縫對(duì)水土資源的影響研究[J].山西煤炭,2011,31(3):27-30. WANG Jinli, KANG Jianrong, HU Jinshan. Influential research of mining ground fissures on water and soil resources [J]. Shanxi Coal, 2011, 31(3):27-30.

[11] 鄒友峰,鄧喀中,馬偉民.礦山開(kāi)采沉陷工程[M].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社, 2003:51+252. ZOU Youfeng, DENG Kazhong, MA Weimin. mining subsidence engineering [M]. China University of Mining and Technology Press, 2003: 51+252.

[12] 朱國(guó)宏,連達(dá)軍.開(kāi)采沉陷對(duì)礦區(qū)地表裂縫的采動(dòng)累積效應(yīng)分析[J].中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù),2012,8(5):47-51. ZHU Guohong, LIAN Dajun. Analysis on mining-induced cumulative effective of surface cracks in mining areas[J]. Journal of Safety Science and Technology, 2012, 8(5):47-51.

[13] 劉輝,何春桂,鄧喀中,等.開(kāi)采引起地表塌陷型裂縫的形成機(jī)理分析[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào),2013,30(3):380-384. LIU Hui, HE Chungui, DENG Kazhong, et al. Analysis of for ming mechanism of collapsing ground fissure caused by mining [J]. Journal of Mining and Safety Engineering, 2013, 30(3):380-384.

[14] 錢(qián)鳴高,繆協(xié)興,許家林,等.巖層控制的關(guān)鍵層理論[M].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社,2003:17-27. QIAN Minggao, MIAO Xiexing, XU Jialin, et al. The key strata theory in ground control [M]. China University of Mining and Technology Press, 2003:17-27.

[15] 顧秀根,王家臣,李紅濤,等. 綜放條件下垮落直接頂“兩帶”分布高度研究[J]. 中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù),2010,6(2):113-117. GU Xiugen, WANG Jiachen, LI Hongtao, et al. Study on “Two Zones” distribution height of caving immediate roof in top coal caving [J]. Journal of Safety Science and Technology, 2010, 6(2):113-117.

[16] 張燕,紀(jì)洪廣,王金安. 基于“三帶”理論的沉陷區(qū)邊坡失穩(wěn)過(guò)程分析[J].金屬礦山,2012,47(3):42-44. ZHANG Yan, JI Hongguang, WANG Jinan. Analysis of the instability process for slopes in subsidence area based on the three-zone theory [J].Metal Mine, 2012, 47(3):42-44.

[17] 夏小剛,黃慶享. 基于“四帶”劃分的彎曲下沉帶巖層移動(dòng)預(yù)計(jì)模型[J].巖土力學(xué),2015,36(8):2255-2260. XIA Xiaogang, HUANG Qingxiang. A prediction model for continuous deformation zone movement based on “four zones” division[J]. Rock and Soil Mechanics, 2015, 36(8):2255-2260.

[18] 國(guó)家煤炭工業(yè)局.建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)程[S].煤炭工業(yè)出版社,2000:110-111. Coal Industry Administration of the People’s Republic of China. Building, water, railway and main roadway and coalmining regulations[S]. Coal Industry Publishing House, 2000:110-111.

[19] 郭文兵, 柴華彬. 煤礦開(kāi)采損害與保護(hù)[M].煤炭工業(yè)出版社,2008:18-23. GUO Wenbing, CHAI Huabin. Coal mining damage and protection[M]. Coal Industry Publishing House, 2008: 18-23.

[20] 同濟(jì)大學(xué)數(shù)學(xué)教研室.高等數(shù)學(xué)(第四版)下冊(cè)[M].高等教育出版社,1996:152-159. Tongji University Mathematics Teaching and Research Section. Higher mathematics (Fourth Edition) Volume II[M]. Higher Education Press, 1996:152-159.

[21] 丁大正.Mathematica基礎(chǔ)與應(yīng)用[M].電子工業(yè)出版社,2013:65-68. DING Dazheng. The foundation and application of mathematica [M]. Publishing House of Electronics Industry, 2013:65-68.

Analysis of ground crack laws of mining subsidence

WANG Yunguang1, GUO Wenbing1, 2

(1.SchoolofEnergyScienceandEngineering,HenanPolytechnicUniversity,Jiaozuo,Henan454000,China; 2.CollaborativeInnovativeCenterofCoalSafetyProductioninHenanProvince,Jiaozuo,Henan454000,China)

In order to study the cracks distribution characteristics on the surface of subsidence basin, subsidence basin zone was divided into tensile zone, compression zone and composite-affected zone according to the surface movement and deformation characteristics of the major cross-section subsidence curve. And the phenomenon of cracks self-repair was explained reasonably in terms of composite-affected zone. The length of subsidence curve of major cross-section subsidence basin was calculated with the subsidence curve model and mathematical software, so the new method that judgment crack development was raised base on length of subsidence curve, and the extrusion fold phenomenon would be produce under certain conditions in compression zone was analyzed also. Combined with an engineering example, the development characteristics of the cracks over the gob were calculated and analyzed.

major cross-section of subsidence basin; ground movement and deformation; ground crack; mining subsidence fracture; characteristic study

10.16031/j.cnki.issn.1003-8035.2017.01.14

2016-03-10;

2016-05-16

國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目(U1261206)；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51374092)

王云廣(1981-)，男,河南延津人,在讀博士,從事煤礦開(kāi)采損害與保護(hù)及“三下”采煤技術(shù)研究。 E-mail: mwang110@126.com

TD803

A

1003-8035(2017)01-0089-07