謝曉深，侯恩科?，馮 棟，從 通，侯鵬飛，陳秋計(jì)，王建文，李民峰，謝永利

1) 西安科技大學(xué)地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，西安 710054 2) 陜西省煤炭綠色開發(fā)地質(zhì)保障重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710054 3) 中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，西安 710077 4) 西安科技大學(xué)測(cè)繪科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，西安 710054 5) 陜煤集團(tuán)神木檸條塔礦業(yè)有限公司，神木 719300 6) 陜西涌鑫礦業(yè)有限責(zé)任公司，府谷 719400 7) 陜西小保當(dāng)?shù)V業(yè)有限公司，榆林 719302

煤礦區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)和提升是近年來研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)[1-3]，而地表裂縫作為煤礦區(qū)最常見的一種礦山地質(zhì)災(zāi)害，逐漸成為了國內(nèi)外學(xué)者的研究焦點(diǎn)[4-5].采煤誘發(fā)的地表裂縫是覆巖運(yùn)移和土體變形的耦合作用結(jié)果，其發(fā)生發(fā)育特征與采煤工藝、開采地質(zhì)條件以及開采參數(shù)等密切相關(guān)[6].目前，在地表裂縫發(fā)育規(guī)律和形成機(jī)理方面取得了一定的研究成果.胡振琪等[7]揭示了風(fēng)積沙區(qū)采煤地表裂縫超期發(fā)育和“M”型動(dòng)態(tài)發(fā)育特征；徐祝賀等[8]研究了淺埋大采高工作面開采對(duì)地表損傷的影響，揭示了“雙周期+雙穩(wěn)定”的地表裂縫動(dòng)態(tài)發(fā)育規(guī)律；戴華陽等[9]揭示了神東礦區(qū)淺埋高強(qiáng)度開采工作面地表裂縫全生命周期活動(dòng)特點(diǎn)；侯恩科等[10-11]利用無人機(jī)遙感影像成功獲取了中埋深煤層開采地表裂縫平面展布特征，并對(duì)比了衛(wèi)星遙感影像和無人機(jī)遙感影像在裂縫識(shí)別中的優(yōu)缺點(diǎn)；Zhou 等[12]闡述了地表裂縫“M”型活動(dòng)特征機(jī)理，其認(rèn)為覆巖雙關(guān)鍵層不同時(shí)序破斷是控制地表裂縫發(fā)生“M”型活動(dòng)的關(guān)鍵；王云廣和郭文兵[13]從地表水平變形的角度推算出了土體變形“拉伸-壓縮”定性分析了地表裂縫“開裂-閉合”的活動(dòng)過程；陳超和胡振琪[14]總結(jié)了我國地表裂縫形成機(jī)理現(xiàn)狀，分別闡述了不同類型裂縫的形成機(jī)理，并指出了研究方向.

榆神府礦區(qū)是陜北一個(gè)重要的原煤產(chǎn)地，煤炭資源儲(chǔ)量豐富、含煤面積約27140 km2，煤層賦存穩(wěn)定，地質(zhì)構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單，適宜規(guī)?；瘷C(jī)械開采[15].近年來，榆神府礦區(qū)開采規(guī)模和強(qiáng)度越來越大，但該區(qū)地質(zhì)環(huán)境脆弱，煤層開采地質(zhì)條件變化較大、由南向北開采深度逐漸減小，且整體地貌由風(fēng)沙灘地轉(zhuǎn)變?yōu)辄S土溝壑，致使采煤引起的礦山地質(zhì)災(zāi)害相對(duì)顯著，尤其是地表裂縫對(duì)區(qū)內(nèi)生態(tài)環(huán)境和人居環(huán)境造成了巨大影響[16].因此，采煤地表裂縫成為了榆神府礦區(qū)塌陷治理和生態(tài)修復(fù)的重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象.范立民等[17]在研究西部高強(qiáng)度采煤區(qū)地質(zhì)災(zāi)害時(shí)，利用分維思想揭示了礦區(qū)內(nèi)典型綜采工作面上方地表裂縫展布規(guī)律；侯恩科等[18]以榆神府礦區(qū)內(nèi)黃土溝壑區(qū)淺埋煤層開采誘發(fā)的地表裂縫為研究對(duì)象，揭示了不同位置地表裂縫的動(dòng)態(tài)發(fā)育規(guī)律.王雙明等[19]揭示了風(fēng)沙灘地區(qū)中深埋開采地表裂縫對(duì)表生環(huán)境的影響，介紹了地表裂縫發(fā)育類型和擴(kuò)展規(guī)律；劉輝等[20]利用薄板理論揭示了西部黃土溝壑區(qū)塌陷型裂縫的形成機(jī)理，認(rèn)為關(guān)鍵層是控制塌陷型裂縫滯后發(fā)育的關(guān)鍵；黃慶享等[21]通過構(gòu)建數(shù)值模擬和相似材料模擬實(shí)驗(yàn)，揭示了近距離淺埋煤層群錯(cuò)距開采“應(yīng)力場(chǎng)”、“裂隙場(chǎng)”和“地表位移場(chǎng)”的三場(chǎng)耦合演化特征，闡述了裂縫發(fā)育規(guī)律的形成機(jī)理.郭文兵等[22]總結(jié)了西部高強(qiáng)度開采礦區(qū)開采沉陷特征，并提出了防控思路.

以上成果為采煤地表裂縫發(fā)育規(guī)律和形成機(jī)理的深入研究奠定了理論和技術(shù)基礎(chǔ).但對(duì)榆神府礦區(qū)不同開采地質(zhì)條件下的采煤地表裂縫發(fā)育規(guī)律、動(dòng)態(tài)擴(kuò)展規(guī)律、裂縫活動(dòng)演化規(guī)律及形成機(jī)制的集成性研究較少，缺乏對(duì)地表裂縫動(dòng)態(tài)發(fā)育及裂縫活動(dòng)機(jī)理的探討.為全面揭示榆神府礦區(qū)不同開采地質(zhì)條件下地表裂縫發(fā)育規(guī)律，闡明地表裂縫動(dòng)態(tài)發(fā)育機(jī)理，繼而為煤礦區(qū)地表裂縫治理和生態(tài)修復(fù)提供科學(xué)指導(dǎo)，筆者以極淺埋煤層開采、淺埋煤層開采和中深埋煤層開采的典型工作面為背景開展了關(guān)于地表裂縫的綜合研究.

1 研究區(qū)典型工作面開采概況

由北向南分別選取了安山煤礦、檸條塔煤礦和小保當(dāng)一號(hào)井（圖1）的5 個(gè)典型開采工作面作為調(diào)查對(duì)象，對(duì)比研究不同開采地質(zhì)條件下采煤地表裂縫發(fā)育規(guī)律，動(dòng)態(tài)展布和裂縫活動(dòng)規(guī)律.其中，125203 工作面位于安山煤礦是極淺埋煤層開采的典型工作面，工作面尺寸為 3152 m×270 m，開采5-2煤層，開采厚度2.0 m，最小開采深度20 m，位于工作面過菜溝段，平均推采速度為11.5 m·d-1，一次性采全高，地表起伏多變?yōu)榈湫偷狞S土溝壑地貌.S1230、N1212 和S12002 工作面為檸條塔煤礦淺埋煤層綜采工作面，開采尺寸分別為4993 m×324 m，1965 m×170 m、3956 m×344 m，開采2-2煤層，開采厚度分別為6.5、4.8 和4.1 m，平均開采深度為181、178 和191 m，平均推采速度分別為9.0、8.0 和9.0 m·d-1，一次性采全高，全部垮落法管理頂板；N1212 工作面位于黃土溝壑區(qū)，S1230 和S12002工作面位于風(fēng)沙灘地區(qū).112201 工作面為小保當(dāng)一號(hào)井首采面，工作面尺寸為4560 m×350 m，開采2-2煤層，采厚為5.8 m·d-1，平均采深302 m·d-1，平均推采速度12.8 m·d-1，一次性采全高，全部垮落法管理頂板，地貌為風(fēng)沙灘地.工作面參數(shù)見表1.

圖1 研究區(qū)位置及地貌Fig.1 Location and geomorphology of the study area

表1 典型工作面開采參數(shù)表Table 1 Parameters of typical working faces

2 采煤地表裂縫發(fā)育特征及規(guī)律

2.1 采煤地表裂縫靜態(tài)發(fā)育規(guī)律

（1）地表裂縫類型及組合形式.

裂縫調(diào)查結(jié)果顯示：榆神府礦區(qū)內(nèi)主要發(fā)育4 種類型的地表裂縫，分別是臺(tái)階型、擠壓隆起型、滑動(dòng)型和拉張型裂縫.裂縫之間存在2 種組合形式.

臺(tái)階型裂縫：形似“階梯”，分為上、下臺(tái)階兩部分，兩臺(tái)階之間存在落差，一般情況下臺(tái)階朝向采空區(qū)（圖2（a）），于黃土溝壑采區(qū)內(nèi)大面積分布，風(fēng)沙灘地工作面開采邊界上方局部發(fā)育.

擠壓隆起型裂縫：是地表受擠壓作用形成的隆起，具有一定的隆起高度，受地形影響明顯，主要分布在溝壑山間平臺(tái)或者下坡面、坡腳位置（圖2（b）），風(fēng)沙灘地區(qū)基本不發(fā)育.

圖2 地表裂縫類型及組合形式.(a)臺(tái)階狀裂縫;(b)擠壓隆起;(c)滑動(dòng)裂縫I 型;(d)滑動(dòng)裂縫II 型;(e) 拉張裂縫;(f) “集群”發(fā)育;(g)塌陷槽;(h) 平行并列組合Fig.2 Type and combination form of surface cracks: (a) step crack;(b) extrusion swell;(c) sliding crack I;(d) sliding crack II;(e) tensile crack;(f) cluster development;(g) collapse trough;(h) parallel cracks

滑動(dòng)型裂縫：一般是采動(dòng)過程中地表坡體不均勻下沉和坡體滑移共同造成的，一般具有滑移面，主要分布在黃土溝壑采煤區(qū)內(nèi).滑動(dòng)型裂縫又分為“滑動(dòng)I 型”和“滑動(dòng)II 型”兩種，其中“滑動(dòng)I 型”一般發(fā)育在與回采方向相反的逆向坡體上，坡體滑移明顯、裂縫寬度較大（圖2（c））；“滑動(dòng)II 型”一般發(fā)育在與回采方向相同的正向坡體上，高位區(qū)坡體在下沉和滑移的雙重作用下“斜切”入低位坡體內(nèi)，形成裂縫，一般裂縫寬度較小，具有“臺(tái)階”特征，朝向與回采方向相反（圖2（d））.

拉張型裂縫：是地表受反向拉張力形成的，裂縫兩側(cè)無臺(tái)階、無落差，一般呈直線狀和弧狀，一定條件下會(huì)出現(xiàn)“集群”發(fā)育現(xiàn)象（圖2（e）、圖2（f））.主要發(fā)育于地形平坦區(qū)，檸條塔煤礦S1230工作面、S12002 工作面以及小保當(dāng)一號(hào)井112201工作面采空區(qū)上方.

采煤地表裂縫的兩種組合形式分別是“塌陷槽”和“平行并列組合式”.塌陷槽是由兩條朝向相反的臺(tái)階狀裂縫構(gòu)成、形似槽狀，兩裂縫間水平距為塌陷槽寬度，多發(fā)育于開采邊界上方地表（圖2（g））；平行并列組合即相鄰兩條裂縫以近似平行的形式間隔分布，一般為面內(nèi)地表裂縫的組合方式，且兩條主裂縫之間間隔距離與基本頂周期來壓步距基本一致（圖2（h））.

（2）地表裂縫平面展布規(guī)律.

榆神府礦區(qū)采煤地表裂縫平面展布具有以下規(guī)律特點(diǎn)：①地表裂縫圍繞采空區(qū)在地表上方的投影范圍分布，且大于采空區(qū)范圍；② 按照地表裂縫與工作面之間的位置關(guān)系可分為邊界裂縫和面內(nèi)裂縫，邊界裂縫圍繞工作面開采邊界（切眼、巷道以及停采線）附近分布，面內(nèi)裂縫則是平行并列的組合方式分布在采空區(qū)上方地表，相鄰裂縫具有間隔；③地表裂縫平面展布范圍、裂縫間距會(huì)隨著工作面開采條件、工藝等因素的改變發(fā)生改變.裂縫平面展布如圖3 所示.

圖3 地表裂縫平面展布示意圖Fig.3 Distribution map of surface cracks

（3）地表裂縫發(fā)育特征.

對(duì)調(diào)查得到的地表裂縫表征信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，圖4 是地表裂縫寬度占比和落差占比柱狀圖.從圖4（a）中可以看出，隨著采深采厚比的增大，地表裂縫表現(xiàn)特征逐漸減弱，其中＜5 cm 寬度裂縫占比由64%提高至97%，整體呈升高態(tài)勢(shì)；而5～10、10～12 以及＞20 cm 的裂縫寬度占比逐漸降低，當(dāng)采深采厚比達(dá)到52 時(shí)，地表基本不發(fā)育10 cm 寬度以上的裂縫.圖4（b）裂縫落差統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)也表明了“隨采深采厚比增大，地表裂縫整體表現(xiàn)特征減弱”這一靜態(tài)發(fā)育規(guī)律.

圖4 地表裂縫特征.(a)裂縫寬度占比;(b)裂縫落差高度占比Fig.4 Characteristics of surface cracks: (a) proportion of cracks with different widths;(b) proportion of cracks with different heights

分析認(rèn)為：榆神府礦區(qū)采煤地表裂縫靜態(tài)發(fā)育規(guī)律具有相對(duì)統(tǒng)一性和差異性，其中，地表裂縫平面展布具有相對(duì)統(tǒng)一性，邊界裂縫基本都是圍繞采空區(qū)邊界呈“O”型圈分布，整體形態(tài)不會(huì)隨著開采地質(zhì)條件的變化而發(fā)生大的改變，面內(nèi)裂縫則是以平行組合形式展布.地表裂縫靜態(tài)發(fā)育規(guī)律的差異性主要表現(xiàn)在表征量隨開采地質(zhì)條件的改變，包括裂縫類型、組合形式、寬度以及落差高度等.

2.2 采煤地表裂縫動(dòng)態(tài)發(fā)育規(guī)律

地表裂縫動(dòng)態(tài)發(fā)育規(guī)律主要包括地表裂縫動(dòng)態(tài)展布和活動(dòng)兩方面.前者注重描述裂縫產(chǎn)生位置與工作面回采位置之間的耦合關(guān)系，后者則是注重地表裂縫隨回采展現(xiàn)的活動(dòng)特征.本次以安山煤礦125203 工作面、檸條塔N1212 工作面和小保當(dāng)一號(hào)井112201 工作面為地表裂縫動(dòng)態(tài)發(fā)育規(guī)律調(diào)查區(qū)，采用“多重標(biāo)記-定點(diǎn)測(cè)量”的方法對(duì)回采產(chǎn)生的地表裂縫位置及表征量（寬度、落差高度等）進(jìn)行測(cè)量，數(shù)據(jù)如表2 所示.

表2 地表裂縫動(dòng)態(tài)發(fā)育特征數(shù)據(jù)Table 2 Data of dynamic development characteristics of surface cracks

（1）地表裂縫動(dòng)態(tài)展布規(guī)律.

工作面走向中線上地表裂縫會(huì)隨著回采不斷向前發(fā)育，且最前端新生裂縫與工作面回采位置有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系.地表裂縫隨工作面回采有3 種動(dòng)態(tài)展布形式，分別是重合回采位置發(fā)育、超前回采位置發(fā)育和滯后回采位置發(fā)育，如圖5 所示.由表3 可以看出，125203 工作面上走向中心線最前端新生地表裂縫與測(cè)量日工作面回采位置的水平距-5.7～3.69 m（正值代表超前、負(fù)值代表滯后），平均為-1.0 m，平均滯后角87.1°，基本屬于重合回采位置擴(kuò)展.N1212 工作面內(nèi)裂縫超前擴(kuò)展，超前距7～15 m，平均8.5 m，超前裂縫角為87.2°，呈高角度超前回采位置展布；112201 工作面地表被風(fēng)沙覆蓋，地形相對(duì)平坦無起伏.工作面走向中心線上地表裂縫滯后回采位置展布，滯后距10.11～59.36 m，平均滯后距30.14 m，滯后角為84.1°，呈較高角度滯后回采位置展布.

表3 工作面覆巖“兩帶”高度Table 3 Height of “two zone”

圖5 地表裂縫動(dòng)態(tài)展布示意圖Fig.5 Dynamic expansion map of surface cracks

圖6 是地表裂縫滯后距與采深采厚比之間的關(guān)系曲線.從圖中可以看出，地表裂縫滯后距與采深采厚比之間滿足多項(xiàng)式關(guān)系，函數(shù)表達(dá)式為y=0.0697x2-3.6283x+30.311，定性表明隨著采深采厚比的增加，地表裂縫由重合回采位置發(fā)育逐漸變?yōu)橹翜蠡夭晌恢冒l(fā)育.

圖6 地表裂縫滯后距與采深采厚比關(guān)系Fig.6 Relationship between lag distance of surface fractures and mining depth-thickness ratio

（2）地表裂縫活動(dòng)規(guī)律.

選取工作面內(nèi)正向坡（坡向與回采方向相同）、反向坡裂縫（坡向與回采方向相反）、平坦區(qū)裂縫以及順槽外邊界裂縫進(jìn)行活動(dòng)監(jiān)測(cè).

反向坡裂縫隨回采表現(xiàn)出“先開后合”的活動(dòng)特征，即回采過程中地表裂縫寬度“先增大—再減小—后穩(wěn)定”，裂縫活動(dòng)時(shí)間3.0～5.0 d，隨采深采厚比增大而增大，如圖7（a）所示.

正向坡裂縫隨回采表現(xiàn)出“只開不合”的活動(dòng)規(guī)律，即回采過程中地表裂縫寬度持續(xù)增大至穩(wěn)定，裂縫活動(dòng)時(shí)間約4.0～7.0 d，一般情況下，采深采厚比越大，裂縫活動(dòng)時(shí)間越長(zhǎng)，且與坡體坡角、坡高等因素有關(guān).此外，活動(dòng)穩(wěn)定后裂縫寬度約為裂縫初始開裂寬度的2 倍，如圖7（b）所示.

圖7 地表裂縫活動(dòng)曲線.(a)面內(nèi)反向坡裂縫;(b)面內(nèi)正向坡裂縫;(c)面內(nèi)平坦區(qū)裂縫;(d)順槽邊界裂縫Fig.7 Activity curve of surface cracks: (a) slope cracks opposite to the direction of mining;(b) slope cracks in the same direction as mining;(c) cracks in the flat area of the working face;(d) marginal cracks

面內(nèi)平坦區(qū)域處的裂縫隨回采表現(xiàn)出兩種不同的活動(dòng)特征，一種是“先開后合再開”型活動(dòng)，即裂縫寬度隨回采表現(xiàn)出“先增大—再減小—再增大—穩(wěn)定”的活動(dòng)特征，主要發(fā)育于125203 工作面內(nèi)，裂縫活動(dòng)時(shí)間約3.7 d，穩(wěn)定后裂縫寬度大于初始開裂寬度，一般為最大開裂寬度的1/2.另一種是“先開后合”的活動(dòng)特征，即裂縫寬度隨回采呈現(xiàn)出先增大后減小然后穩(wěn)定的變化特征，主要發(fā)生在N1212 工作面和112201 工作面內(nèi)，裂縫平均活動(dòng)時(shí)間約6.0～7.8 d，活動(dòng)時(shí)間與采深采厚比基本呈正相關(guān)關(guān)系，如圖7（c）所示.

發(fā)育在工作面巷道附近的邊界裂縫只呈現(xiàn)出“只開不合”的活動(dòng)規(guī)律，裂縫寬度隨回采持續(xù)增大至穩(wěn)定，平均活動(dòng)時(shí)間7.0 d，活動(dòng)規(guī)律與拉應(yīng)力作用下的地表拉伸變形有關(guān)，如圖7（d）所示.

3 采煤地表裂縫動(dòng)態(tài)發(fā)育機(jī)理

3.1 采煤地表裂縫動(dòng)態(tài)發(fā)育主控因素分析

地表裂縫形成及動(dòng)態(tài)發(fā)育與覆巖破斷及地表土體的移動(dòng)變形密切相關(guān)[6].由覆巖裂隙直接發(fā)育至地表形成的地表裂縫和與覆巖裂隙貫通的地表裂縫受覆巖和地表巖土體雙重控制，動(dòng)態(tài)發(fā)育過程相對(duì)復(fù)雜.而發(fā)育在地表巖土體內(nèi)部未與覆巖裂隙貫通的地表裂縫僅受地表巖土體移動(dòng)變形的控制，其動(dòng)態(tài)演化相對(duì)簡(jiǎn)單.因此，確定地表裂縫動(dòng)態(tài)發(fā)育的主控因素是揭示其機(jī)理的前提.

以往研究表明，陜北煤礦區(qū)裂采比在18～28之間，一般情況下榆神府礦區(qū)裂采比取值為27[16].結(jié)合工作面開采參數(shù)計(jì)算得出，安山煤礦125203工作面、檸條塔煤礦N1212 工作面和小保當(dāng)一號(hào)井112201 工作面覆巖“兩帶”發(fā)育高度分別為54.0、129.6 和156.6 m，其中125203 工作面溝底區(qū)域剩余巖土厚度為-34.0 m，即覆巖裂隙直接導(dǎo)通地表.N1212 工作面覆巖“兩帶”切穿基巖層發(fā)育至土層內(nèi)，破壞了土體結(jié)構(gòu)，但未導(dǎo)通至地表，剩余巖土厚度（“兩帶”發(fā)育頂界至地表的厚度）為48.4 m.112201 工作面覆巖“兩帶”未切穿基巖層，地表裂縫于表土層中發(fā)育，不與覆巖裂隙貫通，剩余厚度為145.4 m（表3）.因此，確定125203 工作面溝底平坦區(qū)地表裂縫是覆巖裂隙直接導(dǎo)通地表形成的，其動(dòng)態(tài)發(fā)育受覆巖運(yùn)移的直接控制；N1212 工作面和112201 工作面地表裂縫是由地表巖土體移動(dòng)變形產(chǎn)生，其動(dòng)態(tài)發(fā)育受地表巖土體的移動(dòng)變形控制.地表裂縫形成機(jī)理示意如圖8 所示.

圖8 地表裂縫形成機(jī)理示意圖Fig.8 Model diagram of the formation mechanism of surface cracks

3.2 采煤地表裂縫動(dòng)態(tài)發(fā)育機(jī)理

（1）面內(nèi)地表裂縫動(dòng)態(tài)發(fā)育機(jī)理

從采煤地表裂縫動(dòng)態(tài)發(fā)育主控因素分析內(nèi)容可知，125203 工作面地表裂縫是覆巖裂隙導(dǎo)通地表形成的，地表裂縫活動(dòng)受覆巖運(yùn)移直接控制，地表裂縫重合回采位置發(fā)育也間接說明了這一點(diǎn).在結(jié)合前人研究的基礎(chǔ)上[8,23-24]，筆者構(gòu)建了125203 工作面（極淺埋煤層開采）地表裂縫動(dòng)態(tài)演化模型（圖9）.從圖中可以看出，隨著工作面開采覆巖不斷向前發(fā)生移動(dòng)破壞，巖塊不斷發(fā)生開裂.當(dāng)工作面回采至塊體2 下方，塊體2 發(fā)生斷裂形成斜臺(tái)階巖梁結(jié)構(gòu)并在與塊體3 的連接處形成裂縫L2，且隨工作面推進(jìn)裂縫L2寬度增大；當(dāng)工作面推進(jìn)至塊體3 下方，塊體3 發(fā)生斷裂形成斜臺(tái)階巖梁，塊體前端與塊體4 的連接處形成裂縫L3，塊體末端發(fā)生順向轉(zhuǎn)動(dòng)，加之塊體2 發(fā)生倒轉(zhuǎn)，L2裂縫發(fā)生擠壓，寬度減小甚至發(fā)生閉合.當(dāng)工作面再次推采，塊體4 重復(fù)塊體2 和塊體3 的運(yùn)動(dòng)，形成斜臺(tái)階巖梁，塊體3 發(fā)生倒轉(zhuǎn)，裂縫L2再次張開寬度增大.隨著工作面繼續(xù)推采，采空區(qū)被逐漸壓實(shí)，塊體2 和塊體3 逐漸穩(wěn)定，裂縫L2寬度不再變化.隨工作面不斷推進(jìn)，后續(xù)巖體不斷重復(fù)塊體2 和塊體3 運(yùn)動(dòng)，新地表裂縫不斷向前發(fā)育，且重復(fù)“先開后合再開”的活動(dòng).

圖9 125203 工作面面內(nèi)地表裂縫動(dòng)態(tài)發(fā)育模型Fig.9 Dynamic evolution model of surface cracks in the 125203 working face

N1212 工作面（淺埋煤層開采）和112201 工作面開采（中深埋煤層開采）地表裂縫是表土拉伸變形產(chǎn)生，不與覆巖裂隙溝通，直接受控于地表巖土體移動(dòng)變形.在以往研究基礎(chǔ)上[7]，構(gòu)建了地表裂縫活動(dòng)模型（圖10）.當(dāng)工作面回采至位置I 時(shí)，地表下沉處于“I”狀態(tài)，并在下沉曲率達(dá)到地表極限處形成地表裂縫C1.隨著工作面推進(jìn)至位置II 時(shí)，地表下沉處于“II”狀態(tài)，下沉盆地逐漸擴(kuò)大，地表水平移動(dòng)和變形增大，C1裂縫寬度逐漸增大至最大值；當(dāng)工作面回采至位置III 時(shí)，C1裂縫處地表逐漸成為下沉盆地中央，地表由拉神變形逐漸轉(zhuǎn)化壓縮變形，C1裂縫寬度開始減小甚至閉合，隨著工作面不斷推進(jìn)，地表下沉趨于穩(wěn)定，C1裂縫寬度不再發(fā)生變化.隨工作面回采，工作面上方地表不斷發(fā)育新生的地表裂縫且重復(fù)C1裂縫活動(dòng)規(guī)律，裂縫寬度表現(xiàn)出“先增大后減小”的變化特征.

圖10 N1212 工作面和112201 工作面地表裂縫動(dòng)態(tài)發(fā)育模型Fig.10 Dynamic evolution model of surface cracks in the N1212 working face and the 110201 working face

以上構(gòu)建的地表裂縫動(dòng)態(tài)發(fā)育模型闡明了工作面內(nèi)平坦區(qū)域地表裂縫的活動(dòng)機(jī)理，而發(fā)育在面內(nèi)斜坡位置的地表裂縫活動(dòng)則與采動(dòng)附加的坡體滑移有關(guān)的.通過對(duì)斜坡裂縫活動(dòng)分析和以往研究基礎(chǔ)上[25]，構(gòu)建了面內(nèi)斜坡裂縫活動(dòng)模型（圖11），定性闡述了面內(nèi)正向坡裂縫和反向坡裂縫的活動(dòng)機(jī)理.

圖11 面內(nèi)斜坡裂縫動(dòng)態(tài)發(fā)育模型Fig.11 Dynamic evolution model of surface cracks in a slope

以裂縫XL1為對(duì)象，闡述正向坡裂縫活動(dòng)機(jī)理.當(dāng)工作面回采至A 處，采空區(qū)上地表移動(dòng)變形超過巖土體極限，裂縫XL1開始出現(xiàn)；隨著工作面不斷回采，采空區(qū)中心發(fā)生前移，A—B 上方巖土體發(fā)生下沉（下沉量W1）向斜下方發(fā)生滑移（滑移量S1），坡體滑移會(huì)使裂縫XL1處地表沿回采方向產(chǎn)生附加的水平位移（u1），致使裂縫XL1寬度持續(xù)增加.因此，正向坡裂縫出現(xiàn)“只開不合”的活動(dòng)特征.

以裂縫XL3為對(duì)象，闡述反向坡裂縫活動(dòng)機(jī)理.當(dāng)工作面回采至D 處時(shí)，其上方地表巖土體逆回采方向移動(dòng)，產(chǎn)生裂縫XL3.隨工作面回采，裂縫XL3在逆回采方向水平移動(dòng)和其下方巖土體滑移作用下持續(xù)增大；工作面回采至E 位置時(shí)，其上方裂縫XL4開始發(fā)育，D—E 上方的巖土體發(fā)生下沉（下沉量W2）逆回采方向的滑移（滑移量S2），產(chǎn)生附加水平位移（u2），致使裂縫XL3受到擠壓，寬度減小乃至閉合.因此，反向坡裂縫出現(xiàn)“先開后合”的活動(dòng)特征.

（2）邊界裂縫動(dòng)態(tài)發(fā)育機(jī)理

針對(duì)邊界裂縫而言，由于位于下沉盆地邊緣的地表始終處于拉伸狀態(tài)，無“拉伸-壓縮”移動(dòng)變形轉(zhuǎn)化過程，故在裂縫發(fā)育后，拉伸作用使裂縫寬度逐漸增大，而后隨著下沉盆地的穩(wěn)定而穩(wěn)定，如圖10 的C2裂縫.

綜上，采煤地表裂縫動(dòng)態(tài)發(fā)育是一個(gè)復(fù)雜的“巖-土”耦合運(yùn)移過程，受多重因素控制，不僅與采厚、采深、地表巖土體性質(zhì)以及地形地貌有關(guān)，還應(yīng)與控制地表移動(dòng)的關(guān)鍵層運(yùn)移特征、結(jié)構(gòu)演化以及活動(dòng)空間大小等有關(guān).因地下覆巖運(yùn)移和結(jié)構(gòu)演化無法進(jìn)行實(shí)測(cè)，所以地表裂縫發(fā)育機(jī)理是通過地質(zhì)結(jié)構(gòu)概化分析和理論推導(dǎo)得出，為全面揭示采煤地表裂縫動(dòng)態(tài)發(fā)育的動(dòng)力學(xué)過程奠定基礎(chǔ).

4 結(jié)論

（1）榆神礦區(qū)地表裂縫分為臺(tái)階型、擠壓隆起型、滑動(dòng)型和拉張型4 種類型以及塌陷槽、平行并列2 種組合方式.地表裂縫表現(xiàn)特征與采深采厚比呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，即隨著采深采厚比的增大地表裂縫表現(xiàn)特征逐漸減弱，對(duì)土地?fù)p害程度也隨之降低.

（2）通過調(diào)查揭示了極淺埋煤層、淺埋煤層開采以及中深埋煤層開采地表裂縫超前、滯后動(dòng)態(tài)展布規(guī)律，裂縫發(fā)育滯后距與采深采厚比之間滿足一元二次函數(shù)關(guān)系；揭示了邊界裂縫、面內(nèi)正向坡裂縫“只開不合”，面內(nèi)反向坡裂縫“先開后合”以及面內(nèi)平坦區(qū)裂縫“先開后合再開”和“先開后合”的裂縫活動(dòng)特征.

（3）地表裂縫動(dòng)態(tài)發(fā)育與覆巖運(yùn)移和地表移動(dòng)變形雙重因素有關(guān).通過構(gòu)建地表裂縫動(dòng)態(tài)發(fā)育模型分別闡述了受覆巖運(yùn)移控制的面內(nèi)地表裂縫“先開后合再開”活動(dòng)機(jī)理和受地表移動(dòng)變形控制的“先開后合”活動(dòng)機(jī)理；通過構(gòu)建斜坡地表裂縫動(dòng)態(tài)發(fā)育模型，定性揭示了坡體滑移對(duì)斜坡裂縫活動(dòng)的影響機(jī)理，為全面揭示采煤地表裂縫動(dòng)態(tài)發(fā)育的動(dòng)力學(xué)過程奠定了基礎(chǔ).