胡振琪，王新靜，賀安民

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 土地復(fù)墾與生態(tài)重建研究所,北京 100083；2.神華神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司,陜西 神木 719315)

風(fēng)積沙區(qū)采煤沉陷地裂縫分布特征與發(fā)生發(fā)育規(guī)律

胡振琪1，王新靜1，賀安民2

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 土地復(fù)墾與生態(tài)重建研究所,北京 100083；2.神華神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司,陜西 神木 719315)

煤炭開(kāi)發(fā)可能加劇對(duì)生態(tài)脆弱區(qū)環(huán)境的損傷，風(fēng)積沙區(qū)地下煤炭開(kāi)采對(duì)地表環(huán)境的影響主要是沉陷地裂縫，且目前的研究缺乏對(duì)地裂縫從發(fā)育到湮滅全過(guò)程的研究，筆者通過(guò)井上下相結(jié)合的空間坐標(biāo)控制體系和自主研發(fā)的動(dòng)態(tài)地裂縫監(jiān)測(cè)方法，對(duì)補(bǔ)連塔12406綜采工作面地裂縫進(jìn)行持續(xù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，提出了邊緣裂縫的分布規(guī)律和動(dòng)態(tài)裂縫的發(fā)生發(fā)育規(guī)律及其與地質(zhì)采礦條件之間的關(guān)系。研究表明：① 動(dòng)態(tài)裂縫超前于當(dāng)前工作面向前發(fā)展，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)，平均的裂縫超前距為10.359m，超前裂縫角為近似垂直角；② 高強(qiáng)度開(kāi)采動(dòng)態(tài)地裂縫的兩側(cè)無(wú)明顯落差，裂縫的寬度值在采動(dòng)過(guò)程中有顯著的周期性變化，呈“M”型雙峰波形，且第1個(gè)峰值明顯大于第2個(gè)峰值，峰值比為1.4～3.8；裂縫發(fā)育周期T包含兩個(gè)時(shí)長(zhǎng)近似相等的“開(kāi)裂—閉合”過(guò)程，約為18d,在此基礎(chǔ)上，結(jié)合地質(zhì)采礦條件，建立了T的通用函數(shù)模型，表明動(dòng)態(tài)地裂縫具有快速閉合的自修復(fù)特征，不需要人工修復(fù)；③ 邊緣裂縫以“帶狀”、“O”形圈的形態(tài)分布在工作面開(kāi)采邊界的內(nèi)側(cè)，裂縫帶寬為46～50m，裂縫帶整體向內(nèi)收縮，臨近工作面采動(dòng)會(huì)減輕原有地裂縫的影響，減輕約40%，開(kāi)采結(jié)束后邊緣裂縫仍然存在，是主要地表環(huán)境損傷區(qū)和重點(diǎn)人工修復(fù)區(qū)域。

開(kāi)采沉陷；地裂縫；生態(tài)損傷；風(fēng)積沙區(qū)

地裂縫是煤炭開(kāi)采后地表破壞的形式之一，也是風(fēng)積沙區(qū)采煤沉陷對(duì)地表環(huán)境損傷最直觀的表現(xiàn)形式，其發(fā)生以及發(fā)育規(guī)律與煤礦的開(kāi)發(fā)建設(shè)活動(dòng)密切相關(guān)，受到社會(huì)各界的廣泛關(guān)注[1]。目前，針對(duì)該地區(qū)的采煤沉陷對(duì)土地生態(tài)環(huán)境的影響規(guī)律及程度，國(guó)內(nèi)學(xué)者開(kāi)展了諸多研究，形成了兩種意見(jiàn)相悖的觀點(diǎn)，相當(dāng)一部分學(xué)者認(rèn)為采煤沉陷對(duì)風(fēng)積沙區(qū)土地的生態(tài)環(huán)境造成了明顯的影響[2-6]，且部分指標(biāo)(如土壤含水量)受影響的周期達(dá)2a以上；也有人認(rèn)為采煤沉陷對(duì)該地區(qū)土地生態(tài)環(huán)境的影響很小或者沒(méi)有影響[7-9]。出現(xiàn)這種差異的原因在于：① 研究的時(shí)間節(jié)點(diǎn)不同，風(fēng)積沙區(qū)土地受損有特定的演變過(guò)程，例如張口地裂縫，隨采動(dòng)過(guò)程中呈現(xiàn)“開(kāi)裂、閉合”的現(xiàn)象，其發(fā)育規(guī)律必然會(huì)對(duì)上述研究結(jié)果產(chǎn)生較大的影響；② 調(diào)查取樣的方法不同，一些研究的調(diào)查樣分布在下沉盆地內(nèi)部，而其他研究則分布在下沉盆地的邊界，有大量的地裂縫分布，不同調(diào)查區(qū)對(duì)采煤沉陷的響應(yīng)特征以及程度必然存在差異。因此，開(kāi)展該地區(qū)采煤地裂縫分布特征及其發(fā)生發(fā)育規(guī)律的研究，是研究煤炭開(kāi)采對(duì)地表環(huán)境影響的前提和必要條件。

對(duì)于采動(dòng)引起的地裂縫的分布規(guī)律與特征，眾多學(xué)者采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、理論分析等方面進(jìn)行諸多研究，表明采動(dòng)裂縫分布形態(tài)隨工作面的推進(jìn)而發(fā)生變化。欒長(zhǎng)青等[10]認(rèn)為地裂縫的空間分布與煤炭開(kāi)采的方位有關(guān)，地裂縫的發(fā)展與開(kāi)采進(jìn)度也有密切聯(lián)系，李彥軍[11]較為詳細(xì)地?cái)⑹隽司高h(yuǎn)礦區(qū)地裂縫的發(fā)育狀態(tài)，并對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)定性分析，杜善周[12]指出神東某工作面上方動(dòng)態(tài)裂縫以圓錐狀超前發(fā)展，超前裂縫角呈高角度，李曉等[13]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)金川二礦地裂縫兩側(cè)土體的位移具有三維特征。吳侃等[14-15]則利用土體破壞準(zhǔn)則，建立了適宜東部地區(qū)條件下開(kāi)采地裂縫分布規(guī)律以及半定量的分析方法，部分研究人員利用三維激光掃描[16]、InSAR/D-InSAR[17-18]等手段獲取到采動(dòng)地裂縫的分布范圍。上述的研究成果多集中在中東部等礦區(qū)，主要針對(duì)在采動(dòng)過(guò)后地裂縫的分布形態(tài)，相對(duì)而言，對(duì)于風(fēng)積沙區(qū)地裂縫的分布特征以及發(fā)生發(fā)育動(dòng)態(tài)變化規(guī)律的研究相對(duì)較少。

根據(jù)開(kāi)采沉陷理論與方法，采煤地裂縫主要區(qū)分為邊緣裂縫和動(dòng)態(tài)裂縫。邊緣裂縫一般在開(kāi)采工作面的外邊緣區(qū)，動(dòng)態(tài)裂縫位于工作面上方地表，平行于工作面，并隨著工作面的推進(jìn)不斷產(chǎn)生和閉合。但對(duì)于風(fēng)積沙區(qū)，特別在高強(qiáng)度開(kāi)采條件下，動(dòng)態(tài)裂縫的發(fā)生發(fā)育規(guī)律以及它與開(kāi)采過(guò)程之間的關(guān)系和定量描述、邊緣裂縫的發(fā)生發(fā)育特征以及裂縫深度與寬度的關(guān)系等科學(xué)問(wèn)題，尚沒(méi)有較為系統(tǒng)的報(bào)道，需要得到解決。過(guò)去的研究大都是工作面終采后進(jìn)行裂縫的調(diào)查，缺乏裂縫發(fā)生發(fā)育全過(guò)程的監(jiān)測(cè)，因而，對(duì)上述問(wèn)題始終無(wú)法很好地回答。

筆者通過(guò)建立井上下相結(jié)合的空間坐標(biāo)控制體系，對(duì)補(bǔ)連塔12406綜采工作面的地裂縫在采動(dòng)過(guò)程中的演變特征進(jìn)行持續(xù)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，提出了地裂縫的分布特征與發(fā)生發(fā)育規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上，結(jié)合采礦地質(zhì)條件，建立了動(dòng)態(tài)地裂縫發(fā)育周期的定量函數(shù)模型，為該區(qū)域煤炭開(kāi)采引起土地生態(tài)環(huán)境損傷研究提供時(shí)間位置和時(shí)間基準(zhǔn)等技術(shù)參數(shù)。

1 研究區(qū)概況和監(jiān)測(cè)方法

1.1 研究區(qū)概況

12406綜采工作面隸屬神東礦區(qū)補(bǔ)連塔煤礦，地處毛烏素沙漠東北邊緣，下山方向有老采空區(qū)分布，采用長(zhǎng)臂開(kāi)采、垮落式管理頂板方式，2011年4月開(kāi)始回采，2011年12月完成全部回采工作。工作面長(zhǎng)度300.5m，走向長(zhǎng)度3 592m，日平均開(kāi)采速度約為12m/d。工作面開(kāi)采1-2煤，平均煤厚4.81m，煤層埋深190～220m，煤層傾角1°～3°，屬近水平煤層，上覆基巖的厚度160～200m，其中基本頂平均厚度181m，以粉砂巖為主，夾有砂質(zhì)泥巖薄層，直接頂平均厚度5m，水平層理，中間夾薄層細(xì)砂巖，偽頂平均厚度4.8m，近地表上覆松散層厚度8～27 m。由于較硬覆巖的存在，煤炭開(kāi)采導(dǎo)致地表下沉的最大值約為2500mm，下沉系數(shù)約為0.55，數(shù)值偏小，塌陷程度較輕，地裂縫為主要的地表破壞形式。

為了消除地形起伏對(duì)裂縫發(fā)育形態(tài)的附加影響，利用ArcGIS對(duì)研究區(qū)1∶5000的地形圖進(jìn)行坡度分析，選取距離開(kāi)切眼300～500m、地勢(shì)相對(duì)平坦的區(qū)域作為動(dòng)態(tài)裂縫的重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)，而邊緣裂縫監(jiān)測(cè)區(qū)域則為從開(kāi)切眼一直到距離開(kāi)切眼500m處，待工作面終采后，完成最后觀測(cè)。

1.2 準(zhǔn)備工作

研究組在工作面開(kāi)采之前，采用剖面法布設(shè)了地表移動(dòng)觀測(cè)線，并將其視為裂縫觀測(cè)基準(zhǔn)線。兩條基準(zhǔn)線相互垂直正交，分布于下沉盆地的主斷面上。其中，走向觀測(cè)線、傾向觀測(cè)線布設(shè)長(zhǎng)度分別為900m和1100m，點(diǎn)間距20～30m，共計(jì)99個(gè)地表移動(dòng)觀測(cè)點(diǎn)，另外在采動(dòng)影響范圍加設(shè)了8個(gè)控制點(diǎn)，觀測(cè)線布設(shè)方式如圖1所示。

圖1 裂縫觀測(cè)基準(zhǔn)線布設(shè)示意Fig.1 Layout of fissure observation reference line

1.3 地裂縫的監(jiān)測(cè)方法

裂縫監(jiān)測(cè)采用動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)法，即動(dòng)態(tài)裂縫選擇新發(fā)現(xiàn)的裂縫進(jìn)行發(fā)育周期全過(guò)程的觀測(cè)，邊緣裂縫也是隨工作面推進(jìn)不斷地觀測(cè)，直至整個(gè)工作面結(jié)束后對(duì)邊緣裂縫進(jìn)行系統(tǒng)監(jiān)測(cè)。

1.3.1動(dòng)態(tài)裂縫的監(jiān)測(cè)

(1)當(dāng)工作面推進(jìn)至監(jiān)測(cè)區(qū)域的臨界位置時(shí)，利用全站儀和鄰近的地表移動(dòng)觀測(cè)站，測(cè)定工作面前方地表新出現(xiàn)的地裂縫，形成裂縫分布圖件；(2)將其中距離工作面推進(jìn)位置最遠(yuǎn)的裂縫視為最前端裂縫，并作為監(jiān)測(cè)對(duì)象，在裂縫線上選擇若干取樣點(diǎn)，量取裂縫寬度的初始距離，并在裂縫兩端布設(shè)若干成對(duì)的控制棒，用于進(jìn)行裂縫寬度變化監(jiān)測(cè)；(3)每隔1～2d量取裂縫兩端控制棒的距離，進(jìn)而求得裂縫在采動(dòng)過(guò)程中的演變特征，直至裂縫完全閉合裂縫結(jié)束量取工作，監(jiān)測(cè)裂縫寬度的同時(shí)記錄觀測(cè)時(shí)間和采煤工作面推進(jìn)的位置；(4)重復(fù)上述步驟，在不同開(kāi)采階段，得到一系列新裂縫發(fā)生位置與開(kāi)采的相對(duì)關(guān)系以及多條裂縫發(fā)育周期的數(shù)據(jù)；(5)地表移動(dòng)變形監(jiān)測(cè)也與之同步進(jìn)行，以獲取裂縫變化與沉陷過(guò)程的關(guān)系。

1.3.2邊緣裂縫的監(jiān)測(cè)

邊緣裂縫的監(jiān)測(cè)重點(diǎn)側(cè)重于分布范圍，記錄包括最外側(cè)、最內(nèi)側(cè)以及主裂縫(最大裂縫)的空間位置、寬度以及落差等相關(guān)屬性，并形成邊緣裂縫分布圖件和屬性表；選取相對(duì)穩(wěn)定的邊緣裂縫的若干點(diǎn)進(jìn)行深度監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)與工作面推進(jìn)位置的距離應(yīng)大于200m，量取監(jiān)測(cè)點(diǎn)處裂縫的寬度，同時(shí)采用石膏漿進(jìn)行灌注，待膏體固結(jié)后，進(jìn)行開(kāi)挖，量取裂縫的擴(kuò)展深度。

2 結(jié)果與討論

2.1 動(dòng)態(tài)裂縫的分布特征與發(fā)生發(fā)育規(guī)律

通過(guò)對(duì)觀測(cè)區(qū)域內(nèi)每天新出現(xiàn)的地裂縫的空間位置進(jìn)行測(cè)量，總計(jì)觀測(cè)到55條動(dòng)態(tài)裂縫，并對(duì)5條最前端裂縫(每次觀測(cè)時(shí)段內(nèi)出現(xiàn)的最前方的裂縫)的演變特征進(jìn)行了持續(xù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，直至裂縫完全閉合為此。

2.1.1裂縫產(chǎn)生位置及其與采礦的關(guān)系

新出現(xiàn)的動(dòng)態(tài)裂縫主要分布在工作面走向中心線附近，且平行于工作面。在每個(gè)觀測(cè)時(shí)段，裂縫以一定間距向前發(fā)生于上方地表，呈“帶狀”形態(tài)分布，中間分布若干斷裂的裂縫，且表征相對(duì)較弱。隨著工作面的向前推進(jìn)，前方地表不斷產(chǎn)生新的地裂縫，先前出現(xiàn)的裂縫開(kāi)始擴(kuò)展，裂縫的寬度和長(zhǎng)度不斷增加，并在采動(dòng)影響減弱后，迅速閉合。

通過(guò)井上下相結(jié)合的坐標(biāo)控制系統(tǒng)，結(jié)合工作面生產(chǎn)進(jìn)度表以及對(duì)應(yīng)觀測(cè)時(shí)段的工作面位置，最前端地裂縫產(chǎn)生位置與采礦過(guò)程的相關(guān)關(guān)系見(jiàn)表1。

最前端裂縫均超前于工作面推進(jìn)距離，且動(dòng)態(tài)裂縫的超前距(Sc)隨著工作面日進(jìn)尺量(v，也稱推進(jìn)速度)的增大而增大，相關(guān)性分析顯示，二者呈現(xiàn)明顯的線性正相關(guān)，線性回歸模型為Sc=0.637v+2.715，R2=0.862。以工作面平均日進(jìn)尺量12m計(jì)，動(dòng)態(tài)裂縫的發(fā)生位置平均超前工作面10.359m，則超前裂縫角為：δ=87.035°，呈近似垂直角的形態(tài)分布。這也與杜善周等[12]的研究結(jié)論一致。地裂縫的產(chǎn)生與采動(dòng)巖體破壞、應(yīng)力分布特征密切相關(guān)，高強(qiáng)度綜放開(kāi)采使覆巖拉伸富集區(qū)位于煤壁的前后方[19]，采動(dòng)巖體裂隙場(chǎng)以高角度甚至垂直巖層層面的裂隙為主[20]，由于12406風(fēng)積沙松散層的存在，其抗剪能力很差，動(dòng)態(tài)地裂縫的發(fā)生位置往往反映了覆巖變形以及裂隙特征。

表1工作面開(kāi)采進(jìn)度和最前端裂縫位置對(duì)應(yīng)關(guān)系
Table1Correspondencerelationshipbetweentheworkingfaceprogressandforefrontdynamicfissurem

觀測(cè)時(shí)間工作面推進(jìn)位置最前端裂縫位置日進(jìn)尺量裂縫超前距2011-05-19431 000440 20011 0009 2002011-05-20440 500449 5208 5009 0202011-05-22462 000472 13812 00010 1382011-05-23473 000481 37011 0008 3702011-05-24484 300493 17011 3008 8702011-05-25497 900508 44013 60011 5402011-05-26516 000529 24318 10014 243

2.1.2動(dòng)態(tài)裂縫的發(fā)育周期

傳統(tǒng)觀點(diǎn)一般認(rèn)為，動(dòng)態(tài)地裂縫隨著工作面推進(jìn)先張開(kāi)而后逐漸閉合，裂縫寬度一般呈現(xiàn)由小變大、最終閉合的單峰周期，但風(fēng)積沙區(qū)補(bǔ)連塔12406工作面在高強(qiáng)度快速開(kāi)采條件下，動(dòng)態(tài)裂縫呈現(xiàn)出雙峰周期，且發(fā)育周期很短，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2 動(dòng)態(tài)裂縫發(fā)育周期分布Fig.2 Development cycle of dynamic ground fissures

圖2表明，初始產(chǎn)生時(shí)間不同的5條動(dòng)態(tài)裂縫，各個(gè)裂縫寬度值有所不同，存在一定的差異性，裂縫寬度的最大值變化范圍為12.3～31.3 mm，平均值為19.66 mm，但其發(fā)育過(guò)程具有明顯的相似性，在采動(dòng)的過(guò)程中，裂縫寬度值均呈現(xiàn)出由小變大、然后迅速變小達(dá)到初次閉合、再次開(kāi)裂變大、最終完全閉合的趨勢(shì)。5條裂縫寬度值均呈現(xiàn)“M”型，包含兩個(gè)波峰，形成兩個(gè)“開(kāi)裂—閉合”的過(guò)程，且第1個(gè)“開(kāi)裂—閉合”過(guò)程中裂縫寬度的峰值均明顯高于第2個(gè)過(guò)程，峰值比為1.4～3.8，平均值約為2.5.

從時(shí)間尺度來(lái)看，5條裂縫的從產(chǎn)生到完全閉合的全發(fā)育周期分別為17，19，18，19，18d，平均18.2d，方差為0.84，變異系數(shù)4.61%，離散程度很小，動(dòng)態(tài)裂縫發(fā)育周期基本趨于一致。從裂縫發(fā)育的兩個(gè)“開(kāi)裂—閉合”的過(guò)程來(lái)看，兩個(gè)過(guò)程所經(jīng)歷的時(shí)長(zhǎng)分別為8，10，9，9，9和9，9，9，10，9d，平均值分別為9d和9.2d，方差分別為0.71和0.45，變異系數(shù)分別為7.89%和4.89%，在檢驗(yàn)水平0.05下，兩個(gè)過(guò)程的時(shí)長(zhǎng)差異不顯著(p<0.05)。由此可判定，對(duì)于12406工作面，動(dòng)態(tài)裂縫的發(fā)育周期約為18d，且包含兩個(gè)時(shí)長(zhǎng)近似相等的“開(kāi)裂—閉合”過(guò)程。

從整體上看，12406工作面動(dòng)態(tài)裂縫的發(fā)育時(shí)間和擴(kuò)展程度相對(duì)比較小，這應(yīng)該是風(fēng)積沙區(qū)高強(qiáng)度開(kāi)采導(dǎo)致的，上覆較硬的巖層以及工作面的快速推進(jìn)對(duì)斷裂帶的發(fā)育起到了一定抑制作用[21]，且在快速推進(jìn)過(guò)程中，斷裂的覆巖極易形成的暫時(shí)穩(wěn)定的“力學(xué)平衡結(jié)構(gòu)”，這在一定程度也阻止了地面下沉臺(tái)階的形成，相對(duì)厚的松散層存在，也弱化了覆巖結(jié)構(gòu)變化對(duì)地表影響，縮短了裂縫擴(kuò)展的空間，進(jìn)一步促使裂縫的快速壓實(shí)閉合[22]。

2.1.3裂縫發(fā)育周期與地質(zhì)采礦條件的關(guān)系

上述的動(dòng)態(tài)裂縫的發(fā)育周期應(yīng)與巖性、采深以及工作面推進(jìn)速度等采礦地質(zhì)條件有關(guān)，研究組在對(duì)動(dòng)態(tài)裂縫發(fā)育周期監(jiān)測(cè)的同時(shí)，也對(duì)裂縫附近的地表移動(dòng)觀測(cè)站進(jìn)行了多期的加密水準(zhǔn)觀測(cè)，以此將二者的變化過(guò)程相結(jié)合，建立動(dòng)態(tài)裂縫的較為通用的定量函數(shù)模型，進(jìn)而可推廣至其他相似礦區(qū)。圖3為距離開(kāi)切眼440m的 B42地表移動(dòng)點(diǎn)及其附近動(dòng)態(tài)裂縫1的發(fā)育特征與地表下沉規(guī)律的關(guān)系。

圖3 裂縫發(fā)育過(guò)程與地表沉陷規(guī)律的關(guān)系Fig.3 Relationship between development process of fissure and ground subsidence

當(dāng)工作面推進(jìn)至431m時(shí)，裂縫首次出現(xiàn)在B42附近，裂縫超前工作面的距離約為9m。在裂縫發(fā)育的初始階段，裂縫寬度隨地表下沉值量以及下沉速度的增大而增大，下沉速度急劇增加至209.667 mm/d時(shí)，該處地裂縫呈現(xiàn)最大表征，而當(dāng)該點(diǎn)的地表下沉速度達(dá)到最大值268.5mm/d時(shí)(工作面推進(jìn)位置538m)，此時(shí)，該處地裂縫則首次閉合，從下沉速度曲線的分段斜率來(lái)看，地表下沉最劇烈時(shí)，地裂縫經(jīng)歷了首次“開(kāi)裂—閉合”階段；隨著地表下沉值的繼續(xù)增大，巖層蠕動(dòng)逐漸變小，該處下沉速度開(kāi)始迅速遞減，裂縫在先前斷裂處重新斷開(kāi)，可能是前方地表下沉速度明顯大于該處導(dǎo)致的。后期，當(dāng)?shù)乇硐鲁林第呌谧畲笾?477 mm，下沉速度小于9mm/d時(shí)，地表活動(dòng)開(kāi)始進(jìn)入衰退期時(shí)，裂縫出現(xiàn)再次閉合現(xiàn)象。裂縫從開(kāi)裂到完全閉合整個(gè)周期(17 d)，工作面推進(jìn)長(zhǎng)度為209m，約為平均采深。

從上述分析可以看出，裂縫發(fā)育過(guò)程與地表下沉速度密切相關(guān)。當(dāng)裂縫出現(xiàn)第1次“開(kāi)裂—閉合”過(guò)程，裂縫處的地表下沉速度增大并趨于最大值，在此過(guò)程中，工作面的持續(xù)推進(jìn)量由裂縫的超前距(Sc)和最大下沉速度滯后距L二者之和組成，由于裂縫發(fā)育周期包含兩個(gè)時(shí)長(zhǎng)近似對(duì)等“開(kāi)裂—閉合”過(guò)程，故此，裂縫發(fā)育與地質(zhì)采礦條件的關(guān)系可近似抽象為圖4，圖中，Φ為最大下沉速度滯后角；δ為動(dòng)態(tài)裂縫超前角；H0為煤層埋深(采深)，m；v為平均開(kāi)采速度，m/d；A，B，C和A′，B′，C′分別代表裂縫開(kāi)裂、初次閉合和完全閉合的3個(gè)階段以及對(duì)應(yīng)的工作面推進(jìn)位置。

根據(jù)動(dòng)態(tài)裂縫的發(fā)育規(guī)律，其發(fā)育周期為

(1)

Sc=H0/tanδ，L=H0/tanΦ

故此，動(dòng)態(tài)裂縫發(fā)育周期模型為

(2)

圖4 裂縫發(fā)育周期與地質(zhì)采礦條件的關(guān)系Fig.4 Relationship between fissure development cycle and mining geological conditions

2.2 邊緣裂縫的發(fā)生發(fā)育及分布特征

圖5為邊緣裂縫的分布，其中黑色部分為工作面推進(jìn)550m時(shí)的裂縫分布情況，調(diào)查結(jié)果顯示，多條邊緣裂縫以“帶狀”形式平行于開(kāi)采邊界分布。與動(dòng)態(tài)裂縫不同，邊緣裂縫發(fā)生的位置滯后于工作面推進(jìn)位置，滯后距離約50m，在開(kāi)采的過(guò)程中，距離工作面走向中心線90～100m的范圍最先出現(xiàn)新的邊緣裂縫，并隨著工作面的不斷推進(jìn)，裂縫向前、向外擴(kuò)展，最終在開(kāi)采邊界形成裂縫帶。受鄰近采空區(qū)的影響，下山方向上裂縫的分布密度明顯小于上方方向，且同一觀測(cè)時(shí)期，下山方向的邊緣裂縫的發(fā)生位置也滯后于上山方向，滯后的距離為20～31m。工作面終采后，邊緣裂縫以“O”形圈分布于地表，進(jìn)一步體現(xiàn)了覆巖采場(chǎng)裂縫的分布形態(tài)[23]，開(kāi)切眼與終采線位置處的裂縫近似對(duì)稱分布，下山方向的裂縫向工作面內(nèi)部收縮。

圖5 邊緣裂縫分布Fig.5 Distribution of marginal fissures

從現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果看，開(kāi)切眼附近的裂縫開(kāi)裂程度最大，形成兩條大的主裂縫，裂縫間距2.154m，裂縫中間地面下凹呈“臺(tái)階式”形狀，在接近工作面上下山邊界時(shí)，兩條主裂縫間距逐漸變小，并與上下山方向上的裂縫貫通，表2為工作面終采后穩(wěn)定邊緣裂縫相關(guān)屬性的統(tǒng)計(jì)。

表2穩(wěn)定邊緣裂縫位置及相關(guān)屬性統(tǒng)計(jì)
Table2Thepositionsandotherpropertiesofstablemarginalfissures

裂縫區(qū)域裂縫類別距邊界距離/m裂縫最大寬度/cm裂縫落差/cm裂縫帶寬/m裂縫角/(°)最外側(cè)裂縫5 580 450 23開(kāi)切眼附近主裂縫-8 890～-11 04421 346 5245 8788 40最內(nèi)側(cè)裂縫-39 990 770 12最外側(cè)裂縫8 370 330 17上山方向主裂縫-12 2911 251 4649 5787 60最內(nèi)側(cè)裂縫-36 350 280 15最外側(cè)裂縫-11 740 290 10下山方向主裂縫-29 835 300 7628 5193 36最內(nèi)側(cè)裂縫-50 250 330

注：“-”表示裂縫位于工作面邊界內(nèi)側(cè)。

在沒(méi)有鄰近工作面開(kāi)采的影響下，主裂縫分布在工作面內(nèi)部距離邊界10m左右的范圍內(nèi)，裂縫的寬度以及落差相對(duì)較大，除開(kāi)切眼附近，地表均無(wú)明顯的下沉臺(tái)階，裂縫的帶寬在46～50m。下山方向受老采空區(qū)的影響，裂縫均位于開(kāi)采邊界內(nèi)部，其分布范圍約為上山方向的60%，且裂縫的最大寬度、落差等相關(guān)屬性均相對(duì)較弱，顯示特征不明顯。傳統(tǒng)意義下，邊緣裂縫主要分布在塌陷盆地的外邊緣區(qū)，而風(fēng)積沙區(qū)高強(qiáng)度開(kāi)采(寬深比大、回采率高、推進(jìn)速度快)引起的邊緣裂縫則主要分布在工作面邊界的內(nèi)部，整體向內(nèi)收縮，裂縫角呈高角度甚至近似于垂直角，地表移動(dòng)范圍減小且變形集中，譚志祥等[24]針對(duì)中東部高強(qiáng)度綜放開(kāi)采地表沉陷規(guī)律研究也得到相似的結(jié)論。

2.3 裂縫寬度與深度的關(guān)系

工作面內(nèi)部的動(dòng)態(tài)裂縫隨著開(kāi)采工作的進(jìn)行，最終完全呈現(xiàn)閉合狀態(tài)，而邊緣裂縫在無(wú)外力擾動(dòng)下，會(huì)持續(xù)存在于地表，故選擇穩(wěn)定的邊緣裂縫帶的若干作為研究對(duì)象，進(jìn)行石灰漿灌注(除無(wú)法開(kāi)挖的主裂縫)，共開(kāi)挖40個(gè)注漿點(diǎn)，其中開(kāi)切點(diǎn)附近15個(gè)，上山方向25個(gè)，裂縫寬度為13.2～58.8mm，深度為68.4～1120.8mm，如圖6所示。

圖6 邊緣裂縫寬度與深度對(duì)應(yīng)信息Fig.6 Correspondent information of width and depth of marginal fissures

以往的研究表明，裂縫的寬度(d)和深度(h)二者經(jīng)驗(yàn)[25]公式為

其中,A為系數(shù)，黃土耕地取8，風(fēng)化基巖取15。圖6說(shuō)明，補(bǔ)連塔12406工作面裂縫寬度與深度的關(guān)系比較復(fù)雜，并不符合上述經(jīng)驗(yàn)公式，其原因在于裂縫深度的監(jiān)測(cè)比較困難，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)誤差大，因此，需要進(jìn)一步深入探討裂縫深度的監(jiān)測(cè)方法，從而進(jìn)一步完善裂縫與寬度的關(guān)系。

3 結(jié) 論

(1)動(dòng)態(tài)地裂縫往往超前于當(dāng)前工作面的開(kāi)采位置向前發(fā)展，最前端動(dòng)態(tài)裂縫的超前距離(Sc)與日推進(jìn)速度(v)呈現(xiàn)明顯的線性正相關(guān)關(guān)系：Sc=0.637v+2.715，平均的裂縫超前距為10.359m，超前裂縫角δ為近似垂直角。

(2)發(fā)現(xiàn)動(dòng)態(tài)地裂縫的發(fā)育為包含兩個(gè)時(shí)長(zhǎng)近似相等的“開(kāi)裂—閉合”過(guò)程，即裂縫的發(fā)育呈 “M”型的雙峰波形，且第1個(gè)峰值明顯大于第2個(gè)峰值，峰值比為1.4～3.8；裂縫發(fā)育周期約為18d，此時(shí)工作面推進(jìn)距離約等同于平均采深，說(shuō)明高強(qiáng)度開(kāi)采動(dòng)態(tài)地裂縫發(fā)育較快，并呈現(xiàn)明顯的自修復(fù)現(xiàn)象。

(3)動(dòng)態(tài)裂縫發(fā)育過(guò)程與地質(zhì)采礦條件密切相關(guān)，地表下沉速度趨于最大值時(shí)，該處的動(dòng)態(tài)地裂縫則首次閉合，裂縫發(fā)育周期T與裂縫超前距(Sc)以及最大下沉速度滯后距L成正比，與日平均開(kāi)采速度v成反比，并基于此，建立了T與采礦地質(zhì)條件的函數(shù)模型：T=2H0(1/tanδ+ 1/tanΦ)/v。

(4)邊緣裂縫以“帶狀”形式、“O”形圈的形態(tài)分布在工作面的開(kāi)采邊界，主要分布在工作面內(nèi)部距邊界40m的范圍內(nèi)，裂縫帶寬為46～50m，受臨近工作面采動(dòng)影響的邊緣裂縫發(fā)育帶寬度明顯減少，帶寬減為28.51m，減少了約40%。說(shuō)明風(fēng)積沙區(qū)高強(qiáng)度開(kāi)采導(dǎo)致邊緣裂縫帶整體向工作面內(nèi)部收縮，臨近工作面采動(dòng)會(huì)減輕原有地裂縫的影響，具有一定的自修復(fù)功能。

(5)裂縫寬度和深度不符合以往的經(jīng)驗(yàn)公式，二者之間的關(guān)系相對(duì)復(fù)雜，裂縫深度的探測(cè)方法還有待進(jìn)一步深入研究。

風(fēng)積沙區(qū)高強(qiáng)度的開(kāi)采使地裂縫發(fā)生發(fā)育規(guī)律呈現(xiàn)出了全新的特征，動(dòng)態(tài)地裂縫具有快速閉合的自修復(fù)特征，不需要人工修復(fù)，而邊緣裂縫呈帶狀向工作面內(nèi)部收縮，是地表環(huán)境損傷和人工修復(fù)的重點(diǎn)區(qū)域，本文的研究?jī)H僅是拋磚引玉，期待更多的實(shí)例研究成果和更為深入探討在今后陸續(xù)發(fā)表。

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Distributioncharacteristicanddevelopmentrulesofgroundfissuresduetocoalmininginwindyandsandyregion

HU Zhen-qi1,WANG Xin-jing1,HE An-min2

(1.InstituteofLandReclamationandEcologicalRestoration,ChinaUniversityofMiningandTechnology(Beijing),Beijing100083,China；2.ShenhuaShendongCoalGroupCorporationLimited,Shenmu719315,China)

Coal mining might cause serious environmental damage in ecologically fragile region.In sandy and windy region,ground fissure is the most typical characteristic of ecological damages caused by underground coal mining.However,few works and reports are related to the generation and whole development process of ground fissures caused by high tension and rapid caving mining.Through the united space coordinates control system at surface-underground,a comprehensive observation method was invented to monitor ground fissure on the No.12406 working face of Bulianta coalfield,distribution characteristic of marginal fissures,genesis and development rules of dynamic fissures and their relationship with mining geological conditions were revealed.The results show that:① Dynamic fissures always develop ahead of the current working location,the crossover distance has a significant positive linear correlation with size of daily footage.The average fissure crossover distance is 10.359m and advance angle of break is approach to vertical angle.② Under the high tension and rapid caving mining,dynamic ground fissures havn’t obvious heads in vertical direction,those widths had similar cyclical changes during the mining process and present ‘M’ type with two different peaks.The first peak(maximum width)is 1.4-3.8times of the second one.The life-cycle of a dynamic fissure is 18days，including two cracking-closure processes with similar duration.On this basis,a common function model for the life-cycle was established based on mining and geological conditions.It indicates that dynamic fissures have fast ‘self-healing’features and manual repairmen might not be necessary.③ Marginal fissures occurrs in strips and the ‘O’ shape inside of boundary working face,and the width of strip of marginal fissures is about 46-50m.If the adjacent coal face excavates,the width of the strip of marginal fissures in this side will be narrowed 40% due to the double disturbance.The distribution region of marginal fissures will exist long time and need manual restoration.

mining subsidence;ground fissures;ecological damages;windy and sandy regions

10.13225/j.cnki.jccs.2013.1289

國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)-神華集團(tuán)有限公司煤炭聯(lián)合基金資助項(xiàng)目(U1361203);中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)博士生拔尖創(chuàng)新人才培育基金資助項(xiàng)目(800015Z628)

胡振琪(1963—)，男，安徽五河人，教授，博士生導(dǎo)師。E-mail:huzq@cumtb.edu.cn

TD167

A

0253-9993(2014)01-0011-08

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