車(chē)曉陽(yáng) 侯恩科 孫學(xué)陽(yáng) 姜鈺泉 謝曉深 從通 劉博

摘 要：溝谷區(qū)淺埋煤層開(kāi)采覆巖損害特征不僅受覆巖結(jié)構(gòu)影響，同時(shí)受地形地貌特征影響。為進(jìn)一步研究淺埋煤層過(guò)溝開(kāi)采時(shí)覆巖運(yùn)動(dòng)及損害機(jī)理，以陜北淺埋煤層區(qū)某礦14210工作面為研究對(duì)象，通過(guò)建立物理相似材料模型，利用人工測(cè)量、變形監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)分析等方法，研究溝谷區(qū)淺埋煤層開(kāi)采覆巖破壞規(guī)律及地表裂縫形成機(jī)理。結(jié)果表明：煤層覆巖沉降值曲線(xiàn)在垂向上具有向下繼承性，頂板周期性垮落后沉降曲線(xiàn)呈“U”型，沉降值變化速率大的“U”型兩側(cè)區(qū)域縱向裂隙發(fā)育，周期性垮落體邊界與自然平衡拱結(jié)構(gòu)基本吻合，并周期性向前發(fā)展;地表裂縫可根據(jù)坡向與煤層采動(dòng)方向的關(guān)系分為順向坡推擠裂縫、逆向坡拉張裂縫和溝底隆起3種類(lèi)型，不同類(lèi)型裂縫具有不同的動(dòng)態(tài)發(fā)育規(guī)律。研究成果為溝谷區(qū)淺埋煤層開(kāi)采覆巖及地表?yè)p害預(yù)測(cè)提供了理論基礎(chǔ)，對(duì)淺埋煤層過(guò)溝開(kāi)采可能因覆巖及地表?yè)p害引起的礦井水害防治具有重要意義。

關(guān)鍵詞：淺埋煤層;溝谷;覆巖破壞;地表裂縫 中圖分類(lèi)號(hào)：TP 325

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-9315（2021）01-0104-08

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2021.0114

Research on overburden breaking characteristics and ground crack

formation mechanism of shallow coal seam under the gully

CHE Xiaoyang1，2，HOU Enke1，2，SUN Xueyang1，2，JIANG Yuquan1，2，

XIE Xiaoshen1，2，CONG Tong1，3，LIU Bo1，2

（1.College of Geology and Environment，Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China;

2.Key Laboratory of Geological Support for Green Coal Mining，Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China;

3.Xian Research Institute of China Coal Technology & Engineering Group，Xian 710054，China）

Abstract：The damage characteristics of the overlying rock in shallow coal seam mining in the valley area are not only affected by the overlying rock structure，but? by the topography.In order to study the movement and failure mechanism of coal seam overlying strata during shallow coal seam mining，the 14210 working face of a mine in the shallow coal seam area of northern Shaanxi is taken as the research object.The overlying rock failure law and the formation mechanism of surface cracks in shallow coal seam mining of the valley area was studied by establishing physically similar material models，using manual measurement，deformation monitoring，data analysis and other methods.The results show that：the subsidence value curve of coal seam overburden has a downward inheritance in a vertical direction.The periodic collapse and backward settlement curve of the roof are in the shape of a “U”.and? longitudinal fissures evolves on both sides of the “U” region with a large change rate of settlement value;the boundary of the periodic collapse body is basically consistent with the natural balance arch structure and develops periodically.According to the relationship between slope direction and coal seam mining direction，surface cracks can be divided into three types：push fracture on forwarding slope，tensile fracture on the reverse slope，and uplift at the bottom of the gully.Different types of cracks have different dynamic development processes.The research results provide a theoretical basis for the prediction of overburden and surface damage in shallow coal seam mining in the valley area.It is of great significance for the prevention and control of mine water damage potentially caused by overlying rock and surface damage in shallow coal seam trench mining.Key words：shallow buried coal seam;gully;overburden failure;cracks in the ground surface

0 引 言

采礦過(guò)程中煤層上覆巖體的穩(wěn)定性與破壞特征是控制地下水運(yùn)移及地面沉陷等問(wèn)題的主要因素[1-3]，煤層覆巖穩(wěn)定性及采動(dòng)破壞規(guī)律的研究，是礦山開(kāi)采與災(zāi)害防治領(lǐng)域的一項(xiàng)重要研究?jī)?nèi)容。一般煤層上覆巖體的穩(wěn)定性及破壞規(guī)律主要受關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)控制，覆巖裂隙在空間上呈“下方上圓”的“類(lèi)梯形臺(tái)”形態(tài)[4-5]。在一些淺埋煤層區(qū)，煤層上覆巖層的擾動(dòng)破壞規(guī)律還受埋藏深度及地表地形地貌的影響[6-8]。

關(guān)于淺埋深及地形地貌對(duì)煤層覆巖破斷規(guī)律的研究，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此做了大量工作。淺埋煤層由于埋藏深度淺，煤層頂板破斷規(guī)律受地形地貌影響的同時(shí)，頂板破斷對(duì)地面沉陷及裂縫的產(chǎn)生也有明顯的影響[9-12]。黃慶享，侯忠杰等人在明確了淺埋煤層的基本含義的基礎(chǔ)上，對(duì)煤層頂板周期垮落規(guī)律及上覆松散層厚度對(duì)覆巖破斷的影響進(jìn)行了研究，得出厚松散層對(duì)關(guān)鍵層層位及頂板破斷規(guī)律影響明顯，主要表現(xiàn)為整體切落破壞，破壞形式較為劇烈[13-17]。地形地貌對(duì)煤層頂板垮落規(guī)律的影響在溝谷地區(qū)較為顯著，由于關(guān)鍵層受剝蝕而部分缺失，因此，不同區(qū)段覆巖破壞形式差異較大[18-21]。王方田，趙杰等對(duì)不同地形地貌條件下的煤層覆巖垮落特征進(jìn)行了研究，得出溝谷地貌條件下溝谷坡體運(yùn)動(dòng)載荷比正常開(kāi)采時(shí)明顯增大[22-24]。許家林，張志強(qiáng)等在分析了地形對(duì)煤層頂板影響的基礎(chǔ)上，得出溝谷坡角的大小對(duì)覆巖破斷后的運(yùn)動(dòng)特征也具有明顯的影響[25-27]。綜上所述，溝谷區(qū)的淺埋煤層由于上覆載荷的不均一性，使得覆巖破壞規(guī)律與普通淺埋煤層不同，而且由于其受到剝蝕作用明顯，巖體的破壞形式及裂縫發(fā)育規(guī)律與地表次生災(zāi)害之間具有更強(qiáng)烈的聯(lián)系。但以往大家對(duì)溝谷區(qū)淺埋煤層覆巖破壞的研究重點(diǎn)都在對(duì)工作面礦壓的影響上，而對(duì)覆巖的破壞規(guī)律及與地面裂縫特征之間的研究偏少，因此，文中擬通過(guò)室內(nèi)物理相似材料模擬與綜合分析的方法對(duì)其進(jìn)行研究和分析，得到淺埋煤層過(guò)溝開(kāi)采時(shí)的煤層覆巖破壞特征與地表裂縫發(fā)育規(guī)律。

1 地質(zhì)特征

陜北某礦14210工作面傾向長(zhǎng)297 m，走向長(zhǎng)3 230 m，埋深22.0～160.3 m，采用長(zhǎng)壁綜采，自然垮落法頂板管理。主采的4-2煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，向西北緩傾，傾角1.1%～1.5%，可近似看作水平煤層，煤層平均厚度3.70 m。地表一溝谷橫穿工作面區(qū)域，工作面走向與與河谷流向呈60°夾角，溝谷剖面形態(tài)呈“U”形，谷底煤層埋深約22 m，基巖出露，與兩側(cè)坡體落差約70 m。4-2煤層上部的3-1煤層平均厚度2.6 m，在該區(qū)段內(nèi)均已火燒。工作面內(nèi)揭露地層由老至新依次為侏羅系中統(tǒng)延安組（J2y）、新近系上新統(tǒng)保德組（N2b）、第四系中更新統(tǒng)離石組（Q2l）、上更新統(tǒng)薩拉烏蘇組（Q3s）、及地表風(fēng)積沙（Qeol4）（圖1）。

2 物理模擬實(shí)驗(yàn)

2.1 模型建立

根據(jù)重力相似準(zhǔn)則與實(shí)驗(yàn)需求，確定模型幾何相似比KL=1∶100，重度相似比Kγ=2∶3，時(shí)間相似比Kt=K0.5L= 1∶10，模型為一“U”形溝谷地形，設(shè)計(jì)尺寸長(zhǎng)×寬×高（最高處）為400 cm×20 cm×101 cm。煤巖各層均沿水平方向鋪設(shè)，層間以云母粉間隔，模擬巖層層理，模型僅考慮自重，無(wú)外加荷載。模型材料主要為河沙、大白粉、碳酸鈣、石膏和云母，選取合理配比進(jìn)行模型搭建（圖2）。煤系地層物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

為測(cè)量采動(dòng)引起的地表下沉變化情況，模型風(fēng)干后在其頂面非等間距設(shè)置10個(gè)百分表測(cè)量點(diǎn)，測(cè)量點(diǎn)間距與地形變化程度呈反比，間距20～40 cm。為測(cè)量采動(dòng)引起的煤層覆巖變化特征，在模型正面共設(shè)置5排142個(gè)編碼監(jiān)測(cè)點(diǎn)，底部3排縱向間距10 cm，橫向間距在溝谷區(qū)域?yàn)?0 cm，兩側(cè)坡體區(qū)域?yàn)?5 cm，頂部地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)橫向間距與其他行一致，縱向與地表起伏保持一致，與地面距離1 cm。利用全站儀對(duì)編碼監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)和記錄。

2.2 實(shí)驗(yàn)分析

模型兩端各留設(shè)30 cm煤柱，按照時(shí)間相似比從左向右循環(huán)開(kāi)采，模擬開(kāi)采4-2煤層，開(kāi)采總長(zhǎng)度340 cm，相當(dāng)于原型長(zhǎng)度340 m。為敘述方便，下文以原型實(shí)際數(shù)值描述開(kāi)采現(xiàn)象。

當(dāng)工作面推采至44 m時(shí)，覆巖出現(xiàn)層間裂隙，老頂初次垮落，破斷巖體沿煤壁切落，形成“單斜巖塊”結(jié)構(gòu)（圖3（a））。

工作面持續(xù)推進(jìn)，直接頂板隨采隨落，覆巖懸頂面積逐漸增大，離層空間向上移動(dòng)，當(dāng)工作面推采至53 m時(shí)，覆巖頂懸露面積達(dá)到破斷極限，發(fā)生周期垮落，周期垮落步距9 m（圖3（b））;當(dāng)工作面推采至107 m時(shí)，基巖老頂發(fā)生第5次周期垮落，基巖裂隙發(fā)育至地表，形成貫通裂隙，由于巖體下沉，在地表形成錯(cuò)臺(tái)裂縫（圖3（c））;隨著覆巖周期性垮落，基巖裂隙與地表裂縫基本同步發(fā)育，但發(fā)育初期，二者并不相互導(dǎo)通，且地表下行裂隙的

發(fā)育位置要超前于覆巖上行裂隙最高點(diǎn)的發(fā)育位置。

工作面推采至160 m時(shí)，推采位置位于溝谷底部正下方，溝谷底部出現(xiàn)地表隆起，但覆巖上行裂隙并未與溝谷底部裂縫導(dǎo)通;工作面推采至180 m時(shí)，覆巖上行裂隙與溝谷底部下行裂縫導(dǎo)通，形成貫通裂隙（圖3（d））。

模擬開(kāi)采結(jié)束，煤層覆巖垮落帶垂向裂隙發(fā)育，從工作面走向剖面來(lái)看，垮落帶形態(tài)呈正梯形分布，覆巖垮落跨度從近煤層位置向上逐漸遞減，裂隙帶一直貫通至地表，開(kāi)切眼處與停采線(xiàn)處垮落角分別為60°和44°。基本頂?shù)闹芷谛钥迓洳骄酁?～18 m，地表共發(fā)育有20條地表裂縫，順向坡（坡向與工作面推采方向一致）裂縫表現(xiàn)為推擠形態(tài)，逆向坡（坡向與工作面推采方向相反）裂縫表現(xiàn)為拉張形態(tài)，溝底裂縫表現(xiàn)為隆起形態(tài)。且裂縫形態(tài)在開(kāi)采過(guò)程中并不是一成不變的，而是隨著推采的進(jìn)行而動(dòng)態(tài)變化的。

3 煤層覆巖破壞特征

3.1 覆巖沉降特征

利用全站儀系統(tǒng)可以有效的對(duì)相似材料模擬模型正面的編碼測(cè)量點(diǎn)各向位移進(jìn)行精確測(cè)量，利用輸出數(shù)據(jù)繪制各點(diǎn)的垂向位移特征曲線(xiàn)，可以較為直觀(guān)的掌握煤層開(kāi)采過(guò)程中，煤層頂板各位置的垂向位移特征（圖4）。

工作面基本頂初次垮落時(shí)，由于垮落巖體的碎脹因素，垮落體的最大下沉位移小于3 m，煤層覆巖的最大下沉位置位于溝谷底部，最大沉降值為3.6 m。受斜披體的影響，溝谷區(qū)淺埋煤層覆巖的最終沉降值并不均一，且溝谷底部沉降值比其他地方的沉降值相對(duì)較大。

煤層覆巖周期性垮落后，累計(jì)沉降值形成近似于“U”形的沉降曲線(xiàn)，覆巖周期性垮落時(shí)一般沿著“U”形沉降曲線(xiàn)兩側(cè)沉降值變化率大的位置發(fā)生破斷，形成上行裂隙，裂隙兩側(cè)沉降值差異明顯。

在工作面開(kāi)采過(guò)程中，裂隙發(fā)育位置處剪應(yīng)力較為集中，巖層容易產(chǎn)生破斷，破斷后采空區(qū)一側(cè)巖體隨下伏巖層的垮落一起垮落，未開(kāi)采一側(cè)巖體仍具有一定的完整性，僅在上覆應(yīng)力作用下發(fā)生微小的豎向形變，造成垂向裂隙兩側(cè)巖體的沉降值差異較大，形成“U”形的沉降曲線(xiàn)。

物理模擬實(shí)驗(yàn)中裂隙的發(fā)育位置與監(jiān)測(cè)得到的沉降“U”形曲線(xiàn)中沉降值變化率大的位置也基本吻合。沉降值變化率與巖層裂隙之間的規(guī)律，不僅適用于煤層覆巖裂隙的形成分析，同樣也適用于地表裂縫的形成分析。

地表的沉降值特征也可以反映地表的裂縫發(fā)育情況，地表沉降變化曲線(xiàn)（圖5）與煤層覆巖的沉降曲線(xiàn)特征類(lèi)似，“U”型曲線(xiàn)兩側(cè)沉降值變化率大的位置，地表裂縫也較為發(fā)育，且相鄰位置的下沉值差異隨開(kāi)采的進(jìn)行由大變小時(shí)，地表的裂縫寬度也會(huì)隨之逐漸減小，與實(shí)驗(yàn)觀(guān)測(cè)現(xiàn)象一致。

3.2 下沉量的垂向繼承性

物理模型正面布置的各排位移編碼監(jiān)測(cè)點(diǎn)上下一一對(duì)應(yīng)，根據(jù)不同位置的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移數(shù)據(jù)，繪制沉降值曲線(xiàn)（圖6）。上部監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降曲線(xiàn)特征與下部監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降曲線(xiàn)特征類(lèi)似，說(shuō)明上部沉降曲線(xiàn)對(duì)下部沉降曲線(xiàn)具有一定的繼承作用，煤層覆巖的沉降特征是向上傳遞的，下部巖層沉降量大的位置，上部巖層的沉降量也大，同時(shí)由于巖塊的碎脹作用，上部巖層的沉降值比其下部巖層的沉降值略小。筆者將這種特征概括為煤層覆巖沉降量的垂向繼承性，這種繼承性一直由煤層頂板傳遞至地表。且上下兩層沉降值差異較大的區(qū)域，橫向裂隙較為發(fā)育，更容易形成離層空間。

結(jié)合煤層覆巖沉降量的垂向繼承性及“U”形沉降曲線(xiàn)與覆巖裂隙的關(guān)系，可以得到地表沉降量變化率大的地方，其垂直對(duì)應(yīng)的煤層頂板巖層沉降量變化率也大，并由此可以推斷其覆巖裂隙在該位置也較為發(fā)育。利用這項(xiàng)規(guī)律，在野外對(duì)煤層采后覆巖裂隙進(jìn)行探查時(shí)，可根據(jù)地表沉降量特征對(duì)覆巖的裂隙發(fā)育情況做一大致推斷。

沉降曲線(xiàn)中垂向沉降值與橫向距離的比值，可以表示單位距離的巖層形變程度，若單位的形變程度在煤層開(kāi)采過(guò)程中一直很小，說(shuō)明水平巖層基本是同步運(yùn)動(dòng)的，一般產(chǎn)生的裂隙較少，未產(chǎn)生相對(duì)大的形變;若單位形變?cè)谄茢喑跗谳^小，而后又由小變大，說(shuō)明巖層產(chǎn)生了二次破壞;若單位形變開(kāi)采初期較大，而后又由大變小，說(shuō)明隨著開(kāi)采進(jìn)行，原有裂隙逐漸產(chǎn)生了閉合，相鄰位置之間的距離在逐漸減小。

3.3 覆巖垮落的周期性特征

工作面開(kāi)采過(guò)程中，溝谷區(qū)淺埋煤層覆巖的垮落形態(tài)為正梯形結(jié)構(gòu)（圖7），將巖體垮落邊界按垮落周期進(jìn)行簡(jiǎn)化，得到簡(jiǎn)化的周期性垮落邊界線(xiàn)（圖8）。從圖中可以看出覆巖的垮落邊界并不是順著開(kāi)采位置垂直發(fā)育，而是沿著由開(kāi)采范圍所決定的自然平衡拱的邊界線(xiàn)發(fā)育，遵循自然平衡拱的破壞法則。圖8中的紅色虛線(xiàn)為覆巖周期性垮落的實(shí)際邊界線(xiàn)，邊界線(xiàn)外繞的半圓為該開(kāi)采進(jìn)尺所對(duì)應(yīng)的自然平衡拱結(jié)構(gòu)邊界線(xiàn)。

開(kāi)采初期，煤層覆巖會(huì)沿著最初形成的平衡拱兩側(cè)跡線(xiàn)發(fā)生破斷并垮落，隨著開(kāi)采進(jìn)尺的增加，自然平衡拱的范圍不斷增大（圖8（a）），覆巖的垮落范圍也隨著平衡拱的增大而不斷增大，當(dāng)達(dá)到下一個(gè)應(yīng)力平衡極限時(shí)，覆巖便會(huì)沿著下一個(gè)平衡拱的的兩側(cè)邊界破斷并垮落，當(dāng)平衡拱的范圍發(fā)育至該開(kāi)采地質(zhì)條件下的穩(wěn)定狀態(tài)后，平衡拱的范圍便不再增大（圖8（b）），而是隨著工作面開(kāi)采前進(jìn)方向周期性的向前移動(dòng)（圖8（c）、（d）），當(dāng)工作面推采至周期性平衡拱的應(yīng)力邊界時(shí)，覆巖則會(huì)沿著平衡拱的前進(jìn)側(cè)邊跡線(xiàn)發(fā)生破斷并垮落。這種貫通性的垮落步距一般為40～60 m，大于煤層基本頂?shù)闹芷诳迓洳骄?，是基本頂周期垮落步距?.3～5.0倍，但在溝谷底部煤層埋深較淺的區(qū)域其垮落步距又與基本頂?shù)目迓洳骄噍^為接近。煤層開(kāi)采結(jié)束后，垮落體最終在工作面走向剖面上形成“正梯形”的垮落形態(tài)。

4 地表裂縫發(fā)育規(guī)律

煤層工作面在推采過(guò)程中，地表會(huì)伴隨產(chǎn)生多種類(lèi)型的裂縫破壞。利用測(cè)量工具對(duì)產(chǎn)生的每條裂縫進(jìn)行測(cè)量并記錄統(tǒng)計(jì)。根據(jù)溝谷坡向與工作面推采方向的關(guān)系，可將地表裂縫分為順向坡（坡向與推采方向一致）裂縫、逆向坡（坡向與推采方向相反）裂縫，及溝底隆起3種主要類(lèi)型。

14210工作面模擬開(kāi)采過(guò)程中，順向坡共發(fā)育8條裂縫，裂縫間距4.0～30.0 m，平均間距16.1 m，最大裂縫寬度為1.7 m，最小裂縫寬度為0.05 m;溝谷底部共發(fā)育2條地表隆起，隆起高度為0.5～1.6m;逆向坡共發(fā)育10條裂縫，裂縫間距5.1～20.1 m，平均間距11.8 m，最大裂縫寬度為2.0 m，最小裂縫寬度為0.01 m。不同位置的裂縫在工作面推采過(guò)程中形成機(jī)理和發(fā)育規(guī)律有所不同。

4.1 順向坡裂縫

由于工作面開(kāi)采，采空區(qū)一側(cè)地表與未采區(qū)一側(cè)地表出現(xiàn)不均勻沉降，使得地表出現(xiàn)下行的拉張裂縫，此時(shí)地表裂縫與覆巖破斷形成的上行裂隙尚未貫通。地表拉張裂縫產(chǎn)生的位置基本與工作面推采位置一致。隨著沉降區(qū)域沉降值增大，沉降區(qū)域與未沉降區(qū)域落差增大，拉張裂縫的張度也進(jìn)一步增大。

地表沉降區(qū)域在水平投影上，滯后于工作面的推采位置，最大的沉降位置一般位于沉降區(qū)域中心，地表巖土體滯后于下伏巖體產(chǎn)生破斷和下沉。隨著工作面回采位置向前推進(jìn)，地表沉降區(qū)域向工作面推采方向擴(kuò)展，原由于采空區(qū)一側(cè)與未采區(qū)一側(cè)的不均勻沉降而產(chǎn)生的拉張裂縫，由于區(qū)域沉降落差減小，拉張裂縫張度也隨之減小。但由于近地表覆巖體整體向溝谷側(cè)移動(dòng)，沉降區(qū)域內(nèi)的裂縫并不能完全閉合，而是在小范圍內(nèi)波動(dòng)后并趨于穩(wěn)定。同時(shí)上側(cè)坡體由于向溝谷側(cè)移動(dòng)，容易對(duì)下側(cè)坡體造成推擠作用，使裂縫兩側(cè)形成與坡向一致的錯(cuò)臺(tái)。地表覆巖移動(dòng)過(guò)程中，已產(chǎn)生裂縫的區(qū)域也會(huì)在已有的相臨裂縫中間重新產(chǎn)生新的裂縫，但二次產(chǎn)生的新裂縫寬度一般較小，且容易重新閉合。順向坡地表裂縫在形成過(guò)程中，經(jīng)歷了起裂、破斷，穩(wěn)定后表現(xiàn)為推擠形態(tài)。

4.2 溝谷底部隆起

由于兩側(cè)斜坡體的存在，近地表覆巖垮落后整體均向溝谷方向移動(dòng)，坡體上側(cè)巖土體對(duì)下側(cè)巖土體具有一定的推擠作用，在靠近溝谷底部岸坡及溝谷底部，沿著地表裂縫發(fā)育方向均有不同程度的地表隆起，地表隆起最初表現(xiàn)為擠壓破斷，隨著推采進(jìn)行，破斷逐漸轉(zhuǎn)化為地表隆起，并不斷增高。谷底的隆起高度要大于岸坡的隆起高度，說(shuō)明越靠近溝底，斜坡對(duì)溝谷方向的擠壓作用越強(qiáng)。溝谷底部地表隆起表現(xiàn)為上升、穩(wěn)定、上升的過(guò)程，最大隆起高度為1.5 m（圖9）。

4.3 逆向坡裂縫

逆向坡裂縫與順向坡裂縫的形成機(jī)理基本類(lèi)似，都是由于采空區(qū)一側(cè)與未采區(qū)一側(cè)的不均勻沉降引起的，但兩者的裂縫發(fā)育規(guī)律又有所不同。

煤層工作面推采位置越過(guò)溝底之后，逆向坡地表出現(xiàn)拉張裂縫，隨著推采進(jìn)行，裂縫張度逐漸增大，并出現(xiàn)錯(cuò)臺(tái)。但無(wú)論是正向坡裂縫或逆向坡裂縫，錯(cuò)臺(tái)較低的一側(cè)一般均指向溝底。當(dāng)沿上坡方向出現(xiàn)下一條裂縫并逐漸增大時(shí)，前一條裂縫張度將逐漸減小并可能發(fā)生閉合。逆向坡裂縫的動(dòng)態(tài)發(fā)育過(guò)程如圖10所示，裂縫在發(fā)育過(guò)程中裂縫寬度迅速擴(kuò)大，并逐漸回落后趨于穩(wěn)定，裂縫的最終寬度值較小，并有可能發(fā)生閉合。逆向坡裂縫寬度變化整體呈現(xiàn)增大后又逐漸減小的規(guī)律，后續(xù)的開(kāi)采過(guò)程中，逆向坡周期性出現(xiàn)新的類(lèi)似的地表裂縫。

4.4 覆巖破壞與地表裂縫關(guān)系

通過(guò)上述分析可以得到煤層覆巖基本的垮落規(guī)律及地表裂縫發(fā)育過(guò)程，可以看出，地表裂縫的產(chǎn)生對(duì)煤層覆巖破壞具有延續(xù)性，地表裂縫出現(xiàn)的位置符合煤層覆巖破壞剖面正梯形形態(tài)特征。

總的來(lái)看，受地表地形地貌特征的影響，地表斜坡體在煤層開(kāi)采過(guò)程中基本均向溝谷底部方向移動(dòng)，由于順向坡與煤層工作面開(kāi)采方向相同，后生裂縫位于先生裂縫下側(cè)，先生裂縫在擴(kuò)展過(guò)程中就會(huì)對(duì)下側(cè)斜坡體造成一定的推擠作用;逆向坡坡向與煤層工作面開(kāi)采方向相反，后生裂縫位于先生裂縫上側(cè)，先生裂縫由于自身擴(kuò)張對(duì)后生裂縫造成的影響較小，但后生裂縫在擴(kuò)張過(guò)程中向下運(yùn)動(dòng)，會(huì)促使先生裂縫寬度減小，甚至閉合。地表裂縫的產(chǎn)生受煤層覆巖破壞與地表形態(tài)兩方面的影響，覆巖垮落為地表裂縫形成的核心因素，地形特征對(duì)地表裂縫的形成及發(fā)育規(guī)律起到外在的影響作用。

5 結(jié) 論

1）14210工作面過(guò)溝段回采過(guò)程中，煤層覆巖裂隙可直接發(fā)育至地表，或與地表拉張裂隙貫通，形成貫通裂隙，對(duì)礦井的安全生產(chǎn)造成影響。

2）頂板周期性垮落后沉降曲線(xiàn)呈“U”型，沉降值變化速率大的“U”型兩側(cè)區(qū)域縱向裂隙發(fā)育，覆巖沉降值曲線(xiàn)在垂向上具有繼承性，上部巖體的沉降值特征受其下部巖體的沉降值特征決定，覆巖周期性垮落邊界沿自然平衡拱結(jié)構(gòu)邊界發(fā)生垮落，遵從平衡拱破壞法則。

3）地表裂縫可根據(jù)溝谷坡向與煤層開(kāi)采方向的關(guān)系分為順向坡裂縫、逆向坡裂縫和溝底隆起，順向坡裂縫一般表現(xiàn)為推擠形態(tài)，逆向坡裂縫表現(xiàn)為拉張形態(tài)，溝底裂縫表現(xiàn)為地表隆起。

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收稿日期：2020-06-06?? 責(zé)任編輯：李克永

基金項(xiàng)目：

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41472234）;陜西煤炭開(kāi)采對(duì)水資源的影響研究（2020ZY-JC-03）

第一作者：車(chē)曉陽(yáng)，男，陜西陳倉(cāng)人，博士研究生，E-mail：280392042@qq.com

通信作者：侯恩科，男，陜西扶風(fēng)人，教授，博士生導(dǎo)師，E-mail：houek@xust.edu.cn