侯恩科，陳 育，車曉陽，謝曉深，高 彬

(1.西安科技大學(xué) 地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710054；2.陜煤集團(tuán)神木張家峁礦業(yè)有限公司，陜西 神木 719316)

0 引 言

我國西部煤炭資源豐富，煤炭資源量占據(jù)全國煤炭資源總量的70%以上[1]。西部黃土溝壑地貌發(fā)育，煤炭開采因煤層埋藏淺而引發(fā)的溝道地面塌陷裂縫潰水災(zāi)害對(duì)礦井安全開采威脅嚴(yán)重[2-3]。因此研究煤層開采覆巖破壞特征及地表裂隙演化規(guī)律對(duì)溝道塌陷裂縫潰水災(zāi)害防治有著重要意義。

胡永忠等[4]研究了煤層群混合開采覆巖裂隙發(fā)育規(guī)律，得出了裂采比和煤層復(fù)合厚度之間呈對(duì)數(shù)關(guān)系，裂隙發(fā)展高度和煤層頂板下沉量之間呈三次多項(xiàng)式關(guān)系；程志恒等[5]采用相似模擬試驗(yàn)研究了近距離煤層群疊加開采的圍巖應(yīng)力-裂隙動(dòng)態(tài)演化特征，得出由于形成穩(wěn)定頂板結(jié)構(gòu)的隨機(jī)性,覆巖裂隙頻數(shù)呈臺(tái)階式增長；文獻(xiàn)[6-9] 研究了特厚煤層的覆巖破壞特征和地表裂縫發(fā)育規(guī)律，推導(dǎo)出地表拉裂縫與剪裂縫發(fā)育影響范圍的理論計(jì)算公式,認(rèn)為煤層開采后覆巖破壞實(shí)測(cè)高度小于經(jīng)驗(yàn)預(yù)計(jì)數(shù)值；張聚國等[10]研究了昌漢溝煤礦淺埋深煤層開采地表移動(dòng)變形規(guī)律，認(rèn)為淺埋煤層基本上為垮落帶和斷裂帶所構(gòu)成的“兩帶”,淺埋煤層的頂板基巖沿全厚切落,基巖破斷角較大,破斷直接波及地表；胡振琪等[11]研究了風(fēng)沙區(qū)采煤沉陷地裂縫的分布發(fā)育規(guī)律,結(jié)果表明高強(qiáng)度開采動(dòng)態(tài)地裂縫的兩側(cè)無明顯落差，動(dòng)態(tài)裂縫超前距與工作面日進(jìn)尺量呈現(xiàn)明顯的線性正相關(guān)，邊緣裂縫以“帶狀”、“O”形圈的形態(tài)分布在工作面開采邊界的內(nèi)側(cè)；臺(tái)曉麗等[12]研究了地裂縫對(duì)表層土壤含水量的影響,認(rèn)為采煤沉陷裂縫對(duì)表層土壤含水量影響不大,在較短時(shí)間內(nèi)可實(shí)現(xiàn)自修復(fù)。在動(dòng)態(tài)裂縫整個(gè)發(fā)育周期內(nèi),裂縫周邊表層土壤含水量呈現(xiàn)出一個(gè)先下降后上升再小幅度下降又上升的趨勢(shì)；陳超等[13]研究了風(fēng)沙區(qū)采煤沉陷地裂縫對(duì)土地的小尺度破壞特征，指出動(dòng)態(tài)地裂縫短期內(nèi)將對(duì)土地造成嚴(yán)重破壞,而邊緣裂縫對(duì)土地破壞的時(shí)間較長；范鋼偉等[14]研究了神東礦區(qū)淺埋煤層長壁開采條件下覆巖移動(dòng)與裂隙發(fā)育的動(dòng)態(tài)演變特征，得出隨工作面的推進(jìn)，覆巖會(huì)出現(xiàn)與地表同步垮落的現(xiàn)象；馬瑞等[15]認(rèn)為淺埋近距煤層開采時(shí)上覆巖層的運(yùn)移以垂直為主，上部煤層開采后其覆巖關(guān)鍵層破斷塊體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性是影響下部煤層開采時(shí)工作面礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈程度的重要因素；黃慶享等[16-17]研究了煤層群下煤層采場(chǎng)上覆巖層裂隙二次擴(kuò)展的基本特征和應(yīng)力場(chǎng)分布，給出了裂隙擴(kuò)展方向、起裂應(yīng)力強(qiáng)度因子、擴(kuò)展速度和裂隙發(fā)育高度計(jì)算公式；劉純貴[18-19]認(rèn)為淺埋煤層開采時(shí)地表下沉最大處出現(xiàn)在地表沉陷區(qū)的中部，上覆巖層的垮落從直接頂開始，逐步擴(kuò)展至松散層，呈倒梯形整體下沉；董國華等[20]以酸刺溝煤礦為試驗(yàn)礦井，采用深基點(diǎn)和數(shù)值模擬試驗(yàn)對(duì)淺埋中硬特厚煤層采動(dòng)覆巖運(yùn)動(dòng)的破壞規(guī)律進(jìn)行了研究，認(rèn)為工作面覆巖存在短時(shí)間急劇下沉形式和長時(shí)間階段非均勻下沉2種形式；李東發(fā)等[21]應(yīng)用室內(nèi)相似材料模擬和地表鉆孔實(shí)測(cè)方法研究了沙吉海煤礦厚煤層綜放開采采動(dòng)裂縫發(fā)育的基本特征，得到了該地區(qū)的裂采比及垮采比。上述研究對(duì)淺埋煤層覆巖破壞和裂隙發(fā)育的基本特征及規(guī)律進(jìn)行了全面深入的研究，但以往的研究工作對(duì)溝谷型地貌特征條件下的淺埋煤層開采過程中覆巖破壞及裂隙發(fā)育規(guī)律研究相對(duì)較少。

筆者以榆神礦區(qū)張家峁煤礦14213工作面為例，通過相似材料模擬、數(shù)值模擬與實(shí)測(cè)資料結(jié)合的方法，對(duì)過溝開采覆巖破壞特征及裂隙演化規(guī)律進(jìn)行研究，得出了溝谷形態(tài)下煤層覆巖的垮落及地表裂縫的發(fā)育規(guī)律，為淺埋煤層過溝開采水害防治提供參考。

1 工作面概況

張家峁井田位于陜北黃土高原與毛烏素沙漠的接壤地帶，煤炭資源儲(chǔ)量豐富，開采強(qiáng)度大。14213工作面為典型的過溝開采工作面，工作面距開切眼2 693 m處，老來溝自西南向東北方向穿過整個(gè)工作面，溝段長約376 m，溝道平均寬度5.6 m，如圖1所示。14213工作面主采煤層是4-2煤，4-2煤為一近水平煤層，煤層平均厚度3.83 m，結(jié)構(gòu)簡單。工作面采用綜合機(jī)械化采煤方法開采，采用自然垮落法管理頂板，工作面走向設(shè)計(jì)長約3 051 m，傾向設(shè)計(jì)長約300 m。地形起伏多變，溝谷縱橫，工作面煤層覆巖厚度18.92～73.76 m，上覆巖層巖性以粉砂巖、細(xì)砂巖及中砂巖為主，過溝段AB的剖面圖如圖2所示。因煤層埋藏較淺，煤層回采至該段后，可能引發(fā)溝道潰水災(zāi)害事故的發(fā)生。

圖1 礦區(qū)位置Fig.1 Location of mining area

2 覆巖破壞特征相似材料模擬

2.1 相似材料模擬模型的建立

過溝段地層巖性、厚度及其物理力學(xué)性質(zhì)見表1。據(jù)此地層巖性及結(jié)構(gòu)特征，建立相似比為1∶150的相似材料模擬模型。按照相似材料配比進(jìn)行分層建模，所建模型尺寸長×高×寬為200 cm×80 cm×20 cm。

表1 地層物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of ground

材料配比主要采用河沙、石膏、碳酸鈣和水等，沙的密度取1.6 g/cm3，煤的密度取1.3 g/cm3。按確定的配比材料模擬不同巖性的巖層，層間鋪設(shè)云母粉模擬巖層層理。煤巖層沿水平方向鋪設(shè)并直接鋪至地表，并在模型中間形成“U”型溝谷。根據(jù)模型起伏情況，在模型正面設(shè)置等間距位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在模型開采過程中，通過全站儀觀測(cè)各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的相對(duì)位置變化情況。模型上部巖層厚度15～62 cm，4-2煤層厚度2.3 cm，底板巖層厚度16 cm，如圖3所示。進(jìn)行開挖時(shí)，每步開挖步距10 cm，共開挖16步，累計(jì)開挖160 cm。

圖3 相似模擬模型Fig.3 Similar simulation model

2.2 覆巖破壞過程

模型兩端各留設(shè)寬20 cm煤柱，從左至右進(jìn)行開采，為了能更便于理解實(shí)際的煤層覆巖破壞情況，以下均以實(shí)際原型的數(shù)值對(duì)試驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行描述。

當(dāng)工作面開采至45 m時(shí)，煤層直接頂板發(fā)生彎曲下沉，形成層間1號(hào)離層。隨著開采推進(jìn)，離層寬度加大，當(dāng)回采至60 m時(shí)，頂板發(fā)生初次垮落，垮落體長度為45 m，離層隨垮落體消失，原離層上方重新發(fā)育2號(hào)與3號(hào)離層，3號(hào)離層空間腔體長度14.25 m，腔體寬度0.15 m；工作面開切眼處與開采煤壁位置發(fā)育豎向裂隙，開切眼處裂隙長2.25 m，與水平方向夾角為52°，如圖4所示。

圖4 工作面推進(jìn)45 m覆巖破壞Fig.4 Working face advancing space 45 m overlying rock fracture

累計(jì)推進(jìn)75 m時(shí)，煤層頂板發(fā)生第1次周期垮落，垮落步距為15 m，垮落體近開切眼側(cè)角度不變，2號(hào)離層隨垮落體消失，3號(hào)離層腔體長度進(jìn)一步增大至34.5 m，寬度變?yōu)?.45 m；未發(fā)育新裂隙。工作面推進(jìn)至90 m時(shí)，發(fā)生第2次周期垮落，垮落步距15 m，垮落體長度78.75 m，2號(hào)覆巖裂隙隨垮落體消失，新發(fā)育4號(hào)裂隙，如圖5所示。并在原3號(hào)離層上方發(fā)育多條離層，6號(hào)離層延伸至地表，并在地表形成地表1號(hào)裂縫即F1，F(xiàn)1裂縫寬0.15 m。

圖5 工作面推進(jìn)90 m覆巖破壞Fig.5 Working face advancing space 90 m overburden fracture

累計(jì)推進(jìn)至105 m時(shí)，發(fā)生第3次周期垮落，垮落體長度達(dá)到96.75 m，離層隨垮落體消失，回采煤壁位置處發(fā)育6號(hào)裂隙，并貫通至地表，如圖6所示。

圖6 工作面推進(jìn)105 m 覆巖破壞Fig.6 Working face advancing space 105 m overburoden fracture

通過上述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，初步分析可知：隨著工作面的推進(jìn)，采空區(qū)面積增加，覆巖在重力作用下發(fā)生彎曲變形，形成離層，當(dāng)巖層應(yīng)力狀態(tài)超過上其強(qiáng)度極限時(shí)發(fā)生垮落，巖層裂隙與離層空間進(jìn)一步向上發(fā)展，直至發(fā)育地表。

2.3 垮落帶和斷裂帶高度發(fā)育規(guī)律

在工作面開采過程中，對(duì)各個(gè)位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行了觀測(cè)和記錄，根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果，繪制出工作面推進(jìn)距離與垮落帶高度、斷裂帶高度之間的關(guān)系曲線，如圖7所示。

圖7 4-2煤層工作面垮落帶和斷裂帶發(fā)育規(guī)律Fig.7 Coal seam 4-2 working face caving zone and fracture zone development law

垮落帶發(fā)育過程：當(dāng)工作面開始回采時(shí)，覆巖破壞程度不明顯，一直處于彎曲變形階段；當(dāng)工作面推進(jìn)距離達(dá)到60 m時(shí)，頂板初次來壓，此時(shí)垮落帶高度達(dá)到4.5 m；工作面推進(jìn)到75 m時(shí)，上覆巖層破壞高度出現(xiàn)快速異增長，垮落帶高度達(dá)到5.25 m；工作面推進(jìn)到150 m時(shí)，垮落帶高度達(dá)到9.75 m，隨著工作面不斷向前推進(jìn)，采空區(qū)壓實(shí)，垮落帶高度趨于穩(wěn)定，高度為9.75 m。

斷裂帶發(fā)育過程：工作面推進(jìn)至60 m時(shí)，發(fā)生初次來壓，此時(shí)導(dǎo)水裂隙帶高度5.3 m；隨著工作面不斷向前推進(jìn)，裂隙帶高度不斷增加，工作面推進(jìn)至105 m時(shí)，裂隙帶高度為19 m，裂隙帶在溝谷部位導(dǎo)通至地表；工作面推進(jìn)至225 m時(shí)，裂隙帶在斜坡坡體位置發(fā)育至83.85 m。

2.4 地表裂縫發(fā)育規(guī)律

煤層覆巖裂隙發(fā)育是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化過程，隨著煤層的開挖，在開切眼側(cè)上覆巖層開始產(chǎn)生破壞，首先沿邊界發(fā)育向上的豎向裂隙，之后隨工作面開挖在采空區(qū)上方出現(xiàn)豎向裂縫，這些裂縫與工作面回采方向的夾角在27°～79°，開挖到160 m時(shí)豎向裂隙與工作面回采方向的夾角在開切眼處為79°，煤壁處為59°。隨著工作面開采的進(jìn)行，上覆巖層伴隨出現(xiàn)離層離層一般出現(xiàn)在巖層垮落周期間隔，并隨著上覆巖層的垮落而消失。

模擬模型開挖結(jié)束后，在溝谷及兩側(cè)坡面地表處共發(fā)育8條地表裂縫，裂縫間距分別為18.15、39.45、28.35、21.30、18.90、4.50、34.05 m。不同地貌條件發(fā)育的地表裂縫的寬度隨時(shí)間變化而呈現(xiàn)出不同的動(dòng)態(tài)變化特點(diǎn)(圖8)。溝谷及其兩側(cè)斜坡不同部位地表裂縫的寬度及其動(dòng)態(tài)變化特點(diǎn)不同，存在一定的差異。在煤層開采過程中，斜坡中部的地表裂縫F1的發(fā)育寬度隨著開挖的進(jìn)行逐漸增大后趨于穩(wěn)定狀態(tài)(圖8a)；斜坡下部地表裂縫F2的寬度則是由小變大、然后迅速變小，隨開采的進(jìn)行再次開裂變大、最終保持不變的穩(wěn)定狀態(tài)(圖8b)；坡腳地表裂縫F7的寬度則是由小變大再變小并逐漸閉合(圖8c)；U型溝溝底地表裂縫F3的寬度具有由小變大再變小的特點(diǎn)(圖8d)。

圖8 裂縫動(dòng)態(tài)發(fā)育過程Fig.8 Dynamic crack development process

斜坡上的地表裂縫寬度具有只開不合的特點(diǎn)；發(fā)育在坡腳的地表裂縫寬度具有先開后合的特點(diǎn)，最終寬度很?。话l(fā)育在U型谷中部的地表裂縫具有先開后半合的特點(diǎn)，最終寬度較小。

3 地表裂縫數(shù)值模擬分析

根據(jù)14213工作面鉆孔揭露的地層、巖性資料，結(jié)合井田巖石力學(xué)試驗(yàn)參數(shù)，建立該工作面過溝開采的FLAC3D數(shù)值模擬模型。模型尺寸長×寬×高為600 m×400 m×230 m，總共開采長度為390 m，每次挖取15 m，共開挖26 步。下面主要從應(yīng)力角度分析裂縫的形成。圖9為天然狀態(tài)下斜坡的應(yīng)力分布圖，垂直方向應(yīng)力等值線與地形趨勢(shì)一致并從地表向下均勻遞增。

圖9 天然狀態(tài)斜坡應(yīng)力分布Fig.9 Stress distribution of natural slope

煤層開采過程中，圍巖原始應(yīng)力狀態(tài)改變，上覆巖層彎曲、斷裂進(jìn)而造成地表移動(dòng)變形。當(dāng)?shù)乇碜冃纬潭瘸^其變形臨界值時(shí)，地表裂縫開始發(fā)育。壓應(yīng)力為負(fù)，拉應(yīng)力為正。圖10中各圖分別為開挖至30、90、135、180、240和390 m的應(yīng)力分布，圖中①—④分別代表坡肩裂縫F1、斜坡下部裂縫F2、溝底裂縫F3和坡腳裂縫F7的應(yīng)力狀態(tài)。當(dāng)回采推過30 m時(shí)，采空區(qū)上方形成拉應(yīng)力，但影響范圍較小，地表的應(yīng)力狀態(tài)較之天然狀態(tài)下變化不大。當(dāng)開采至90 m時(shí)，左側(cè)坡肩①處地表拉應(yīng)力逐漸增大，裂縫F1的寬度由于拉應(yīng)力的以及坡面滑移作用持續(xù)變大，②—④處應(yīng)力沒有明顯變化；開挖至135 m，坡肩①處應(yīng)力持續(xù)增大，斜坡下部②處變?yōu)閴簯?yīng)力，分析原因?yàn)槊簩硬粩嚅_采，斜坡的滑移調(diào)整使得裂縫F1寬度持續(xù)增大，而斜坡下部裂縫F2寬度在增大后受斜坡滑移影響逐漸變?。虎厶庨_挖過后巖塊壓實(shí)調(diào)整表現(xiàn)為壓應(yīng)力，裂縫F3縫寬變小，④處無明顯變化。開挖至180 m時(shí)，①、②、③處應(yīng)力沒有明顯變化，地表裂縫F1、F2、F3的裂縫寬度趨于穩(wěn)定，④處拉應(yīng)力明顯增大，坡腳裂縫F7產(chǎn)生。開挖至240 m時(shí)，①、②、③處應(yīng)力沒有明顯變化，地表裂縫F1、F2的裂縫寬度趨于穩(wěn)定，④處裂縫F7由于斜坡滑移推擠和采空區(qū)下沉，受壓裂縫寬度逐漸減小甚至閉合。當(dāng)開挖至390 m時(shí)，兩側(cè)煤壁處主要受壓應(yīng)力作用明顯，最大值可達(dá)15.99 MPa，由煤壁兩側(cè)向外應(yīng)力逐漸減??；采空區(qū)頂板主要表現(xiàn)為拉應(yīng)力，最大為13.66 MPa，采空區(qū)上方越靠近采空區(qū)拉應(yīng)力越大，但在溝底以及坡腳地帶，近地表呈壓應(yīng)力，使地表裂縫寬度減小，并裂縫趨于閉合。

圖10 應(yīng)力分布Fig.10 Distubitution of stress pattern

黃土溝壑區(qū)地形對(duì)地表裂縫的形成和演化有較大影響。坡肩和斜坡上部天然應(yīng)力狀態(tài)總體呈現(xiàn)為拉應(yīng)力，采動(dòng)裂縫形成后受斜坡拉應(yīng)力的影響寬度增大；坡腳地帶天然應(yīng)力狀態(tài)總體呈現(xiàn)為壓應(yīng)力，采動(dòng)裂縫形成后，受坡腳壓應(yīng)力和坡體向下滑移的影響寬度變小甚至閉合，溝底尤其是較寬溝道中部，天然應(yīng)力狀態(tài)總體呈現(xiàn)為壓應(yīng)力，采動(dòng)裂縫形成以后受壓應(yīng)力作用和覆巖破斷巖塊壓實(shí)調(diào)整寬度會(huì)變小。

4 結(jié) 論

1)隨著工作面的推進(jìn)，采空區(qū)面積增加，覆巖在重力作用下發(fā)生彎曲變形，形成離層，當(dāng)變形程度超過巖層的應(yīng)力極限時(shí)，覆巖會(huì)破壞變形，部分離層垮落消失。在垮落體上部發(fā)育新離層，兩側(cè)形成裂隙。覆巖裂隙主要為豎向裂隙，部分裂隙直達(dá)地表形成地表裂縫。

2)4-2煤層工作面頂板初次垮落步距 60 m，周期性垮落步距平均15 m，充分采動(dòng)時(shí)覆巖垮落帶高度9.75 m，垮落角在開切眼處為79°，煤壁處為59°，工作面推進(jìn)至105 m時(shí)，裂隙帶導(dǎo)通至地表。

3)地表斜坡裂縫寬度隨著開挖的進(jìn)行不斷增大后趨于穩(wěn)定，坡腳裂縫寬度則由小變大甚至閉合，溝底裂縫寬度則由小變大再變小。地表裂縫寬度的變化主要與地形及地表應(yīng)力的差異和采動(dòng)覆巖壓實(shí)調(diào)整有關(guān)。