謝曉深，侯恩科，龍?zhí)煳?，馮 棟，侯鵬飛，劉江斌，李 洋

(1.西安科技大學(xué) 地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710054；2.陜西省煤炭綠色開(kāi)發(fā)地質(zhì)保障重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054；3.國(guó)家能源集團(tuán)寧夏煤業(yè)有限責(zé)任公司 羊場(chǎng)灣煤礦，寧夏 銀川 750410)

0 引 言

地下煤炭采出后勢(shì)必會(huì)破壞圍巖原有應(yīng)力平衡，導(dǎo)致覆巖及地表發(fā)生移動(dòng)變形，產(chǎn)生裂隙(縫)，在垂向上形成冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶“三帶”[1-3]。其中裂隙帶中的裂隙既是卸壓瓦斯富集區(qū)，也是地下水漏失的主要通道，地表裂縫則是造成淺層地下水、地表水漏失的主要通道[4-6]。因此，研究掌握巖層采動(dòng)裂隙和地表裂縫發(fā)育規(guī)律與機(jī)理對(duì)煤礦實(shí)現(xiàn)安全、綠色開(kāi)采具有重要意義[7-8]。

采動(dòng)覆巖裂隙演化研究方面，黃慶享等揭示近距離淺埋煤層群開(kāi)采覆巖裂隙演化規(guī)律，提出煤層錯(cuò)距開(kāi)采減輕地表?yè)p害的技術(shù)[9-10]。林海飛等揭示覆巖采動(dòng)裂隙演化形態(tài)特征，得到采動(dòng)覆巖破斷裂隙“M”狀分布以及“三階段”演化規(guī)律[11-12]；李志梁等通過(guò)監(jiān)測(cè)覆巖采動(dòng)裂隙演化過(guò)程中的聲發(fā)射特征，認(rèn)為采動(dòng)裂隙演化是一個(gè)復(fù)雜的能量釋放過(guò)程[13-14]；魏宗勇等通過(guò)三維物理模擬實(shí)驗(yàn)揭示大采高綜采覆巖裂隙演化特征[15]；秦偉博利用分形理論揭示了傾斜煤層綜放開(kāi)采裂隙演化特征[16]。

采動(dòng)地表裂縫研究方面，侯恩科等對(duì)黃土溝壑區(qū)工作面過(guò)溝開(kāi)采和風(fēng)沙灘地區(qū)中深埋工作面開(kāi)采地表裂縫發(fā)育規(guī)律進(jìn)行詳細(xì)研究，揭示順向坡、逆向坡以及溝底平坦區(qū)域地表裂縫動(dòng)態(tài)發(fā)育規(guī)律，并通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)闡明溝谷區(qū)覆巖應(yīng)力演變對(duì)地表裂縫的控制機(jī)理[17-19]。LI等揭示風(fēng)沙區(qū)地表裂縫“M”型發(fā)育規(guī)律，揭示雙關(guān)鍵層運(yùn)移對(duì)“M”型裂縫活動(dòng)的控制機(jī)理[20]；范立民等利用分形方法，揭示工作面不同區(qū)域地表裂縫展布特征[21]；CHEN等揭示風(fēng)沙灘地區(qū)地表移動(dòng)變形規(guī)律，提出了地表沉陷預(yù)計(jì)方法[22]；徐祝賀等通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)等方法揭示神東典型綜采工作面中部地表裂縫“雙周期+穩(wěn)定期”的動(dòng)態(tài)發(fā)育特點(diǎn)，利用巖塊運(yùn)移特征闡明動(dòng)態(tài)發(fā)育機(jī)制[23]；謝曉深等揭示羊場(chǎng)灣煤礦緩傾斜煤層開(kāi)采地表位移場(chǎng)與裂縫發(fā)育的關(guān)系[24]；LIU等探查地表裂縫地下形態(tài)特征，闡明塌陷型裂縫發(fā)育機(jī)理，提出地表裂縫治理標(biāo)準(zhǔn)[25]。

以上研究成果為采動(dòng)覆巖及地表裂縫的深入研究奠定了基礎(chǔ)，但成果多集中在近水平煤層開(kāi)采，對(duì)緩傾斜和傾斜煤層開(kāi)采覆巖裂隙、地表裂縫演化的研究較少，特別是對(duì)緩傾斜煤層開(kāi)采地表裂縫動(dòng)態(tài)發(fā)育規(guī)律和活動(dòng)機(jī)理的研究不足，無(wú)法為緩傾斜煤層開(kāi)采地面塌陷預(yù)防工作提供科學(xué)指導(dǎo)。以寧夏羊場(chǎng)灣煤礦緩傾斜煤層綜采工作面為研究對(duì)象，通過(guò)相似材料模擬和數(shù)值模擬揭示淺埋緩傾斜煤層開(kāi)采覆巖及地表裂隙(縫)發(fā)育規(guī)律和形成機(jī)理，以期為地面塌陷治理和生態(tài)修復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 地質(zhì)特征

110207綜采工作面位于羊場(chǎng)灣煤礦北部邊界處，走向長(zhǎng)1 096 m，傾向長(zhǎng)190～232 m，在距切眼約400 m處傾向長(zhǎng)由190 m變?yōu)?32 m(圖1)。工作面以一次性采全高的方式回采2煤層。

圖1 工作面開(kāi)采參數(shù)Fig.1 Mining parameters of working face

工作面內(nèi)2煤層位于侏羅系延安組第IV段，煤層厚度5.84～7.20 m，平均采厚5.8 m，采深80.8～142.8 m；煤層向東南方向傾斜即由工作面風(fēng)巷向工作面機(jī)巷傾斜，傾角10°～13°，平均11.5°。2煤層之上為延安組和直羅組地層，以粗砂巖、中砂巖為主，夾少量泥巖。地表被次生的黃土和亞沙土覆蓋，厚度較薄，平均14 m左右(圖2)。

圖2 面內(nèi)1503鉆孔地層結(jié)構(gòu)Fig.2 Formation structure of Borehole 1503 in working face

2 地表裂縫類型及展布規(guī)律

為清楚掌握采動(dòng)地表裂縫發(fā)育規(guī)律，采用無(wú)人機(jī)航拍和人工填圖2種方法對(duì)110207工作面采后地表裂縫進(jìn)行了調(diào)查。按照地表裂縫空間展布與回采方向的關(guān)系分為垂直回采方向裂縫和平行回采方向裂縫2類(圖3(a))。

垂直回采方向裂縫主要發(fā)育于面內(nèi)和切眼、停采線附近，相鄰2條裂縫平行間隔展布，間隔距離10～120 m。裂縫呈直線形或者弧形形態(tài)，彎曲朝向切眼。裂縫寬度最大約150 cm；裂縫落差大部分在15 cm左右。裂縫間隔距離的異常擴(kuò)大是回采時(shí)間和調(diào)查時(shí)間相隔較長(zhǎng)，裂縫被填埋且填埋痕跡消失造成的，但在一定程度上仍能反映地表裂縫沿走向方向的展布特征。

平行回采方向裂縫主要發(fā)育在工作面順槽邊界外側(cè)，裂縫延展長(zhǎng)度較長(zhǎng)，寬度較大，在垂向上具有落差，小型坡頂上方落差超過(guò)100 cm；裂縫形態(tài)呈線狀和弧狀，彎曲朝向采空區(qū)。工作面回風(fēng)巷道側(cè)(上山方向)最遠(yuǎn)處裂縫距邊界約37 m，工作面機(jī)巷側(cè)(下山方向)最遠(yuǎn)處裂縫距邊界約54 m(圖3(b))。

圖3 地表裂縫發(fā)育特征Fig.3 Development characteristics of surface cracks

3 采動(dòng)覆巖及地表裂縫動(dòng)態(tài)發(fā)育規(guī)律

3.1 相似材料模擬設(shè)計(jì)

以1503鉆孔揭露的地質(zhì)資料和地形條件為基礎(chǔ)，結(jié)合巖石物理力學(xué)參數(shù)，采用平面應(yīng)力模型，構(gòu)建了110207工作面相似材料模型(圖4(a))。煤系地層結(jié)構(gòu)及巖石力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

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

根據(jù)相似條件和巖石物理力學(xué)參數(shù)，確定了相似材料模擬配比。模型尺寸2.0 m×0.2 m×0.5 m(長(zhǎng)×寬×高)，模型幾何相似比為1∶200，相似材料為沙，石膏，大白粉等。利用云母粉模擬層間層理和人工節(jié)理裂隙。模型正面點(diǎn)綴散斑，用于監(jiān)測(cè)采煤過(guò)程中覆巖應(yīng)變演化特征，頂部布設(shè)了18個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)地表下沉(圖4(b))。

圖4 相似材料模擬模型Fig.4 Analogue material simulation model

模型風(fēng)干穩(wěn)定后，由A點(diǎn)向A′點(diǎn)開(kāi)挖，切眼側(cè)留有40 m煤柱，每次開(kāi)挖20 m，共開(kāi)挖17步。

3.2 采動(dòng)覆巖垮落及裂隙發(fā)育規(guī)律

為消除模型正面散斑對(duì)覆巖移動(dòng)破壞特征的影響，對(duì)模型反面的覆巖運(yùn)移特征進(jìn)行監(jiān)測(cè)，揭示覆巖垮落和裂隙演化規(guī)律。

3.2.1覆巖垮落規(guī)律

2煤開(kāi)采后上覆巖體開(kāi)始受到擾動(dòng)發(fā)生彎曲下沉，當(dāng)彎曲程度超過(guò)覆巖極限后，巖體開(kāi)始斷裂并發(fā)生垮落(圖5)。

圖5 覆巖垮落演化特征Fig.5 Development characteristics of overburden caving

當(dāng)工作面推進(jìn)60 m時(shí)，頂板發(fā)生初次垮落，垮落體高度2 m，長(zhǎng)度44 m，巖體垮落高度8 m(圖5(a))。當(dāng)工作面推進(jìn)80 m時(shí)，頂板再次發(fā)生垮落，巖體垮落高度增加至25 m，巖層垮落角在切眼處為60°，煤壁處63°(圖5(b))。隨著工作面推進(jìn)至90 m位置，上覆巖體在自重作用下再次垮落，垮落帶高度為28 m，其上方發(fā)育懸空高度8 m的離層空間；基本頂懸空形成懸臂，對(duì)正上方巖體仍具有支撐作用。煤壁處巖層垮落角為61°(圖5(c))。當(dāng)工作面推進(jìn)100 m，前一步形成懸臂發(fā)生斷裂，與垮落后的巖體形成鉸接巖梁結(jié)構(gòu)?？迓涓叨仍黾又?2 m，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度為40 m。切眼處巖層垮落角是61°，煤壁處42°(圖5(d))。當(dāng)工作面推進(jìn)180 m時(shí)，上覆巖層發(fā)生整體性下沉，工作面達(dá)到充分采動(dòng)，覆巖垮落帶高度約34 m，切眼處豎向裂隙導(dǎo)通地表，裂隙帶發(fā)育高度約94 m(圖5(e))。

從上述覆巖垮落特征可知，110207工作面巖體垮落是以懸臂梁和鉸接巖梁的形式交替向前擴(kuò)展，即隨著工作面推進(jìn)，前方巖體發(fā)生“懸臂—斷裂—鉸接—垮落回轉(zhuǎn)—穩(wěn)定”的重復(fù)性破斷活動(dòng)。工作面開(kāi)采共記錄發(fā)生13次頂板垮落，頂板初次垮落步距為60 m，周期性垮落步距為10～32 m，平均21.6 m。

3.2.2 覆巖裂隙發(fā)育規(guī)律

離層裂隙由相鄰巖體不均勻彎曲下沉形成，主要發(fā)育在面內(nèi)采空區(qū)上方，是裂隙帶向上擴(kuò)展的主要形式。離層裂隙寬度具有“產(chǎn)生—增大—減小—閉合”的演化規(guī)律(圖5(a)～圖5(d))。當(dāng)離層裂隙與豎向裂隙相互貫通后，導(dǎo)水裂隙帶高度隨之增加。

導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度是表征導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育規(guī)律的基本參數(shù)。110207工作面垮落帶和導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育具有明顯的規(guī)律性(圖6)。開(kāi)采前期垮落帶和導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度具有明顯的遞增性，當(dāng)工作面推采至140 m時(shí)，垮落帶高度發(fā)育至最大，為34 m；當(dāng)工作面推采至180 m時(shí)，切眼處覆巖豎向裂隙與地表裂縫貫通，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育至地表，高度為94 m。采空區(qū)中部離層裂隙發(fā)育高度高，覆巖豎向裂隙發(fā)育高度較低，兩者并未全部貫通，只在局部位置存在貫通現(xiàn)象。

圖6 導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育規(guī)律Fig.6 Development law of water-conducting fissure zone

3.3 采動(dòng)地表裂縫動(dòng)態(tài)發(fā)育規(guī)律

3.3.1 地表裂縫靜態(tài)發(fā)育規(guī)律

對(duì)110207工作面模型開(kāi)挖過(guò)程中出現(xiàn)的地表裂縫位置及信息特征進(jìn)行記錄，110207工作面開(kāi)采過(guò)程中地表共出現(xiàn)8條裂縫，裂縫平行展布，間距8.0～72.0 m，多為彎曲狀裂縫。裂縫發(fā)育穩(wěn)定后，寬度0～40.0 cm，平均為11.0 cm(表2、圖7)。

表2 地表裂縫發(fā)育位置及寬度Table 2 Development location and width of surface cracks

圖7 地表裂縫靜態(tài)發(fā)育特征Fig.7 Static development characteristics of surface cracks

3.3.2 地表裂縫動(dòng)態(tài)發(fā)育規(guī)律

由于地表裂縫調(diào)查是工作面回采結(jié)束后進(jìn)行的，缺乏地表裂縫動(dòng)態(tài)發(fā)育實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，因此，借助相似材料模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明地表裂縫動(dòng)態(tài)發(fā)育規(guī)律。從模型開(kāi)采過(guò)程中地表裂縫發(fā)育特征可以看出，沿工作面走向方向地表裂縫具有動(dòng)態(tài)發(fā)育特征，即隨著工作面的回采不斷產(chǎn)生、發(fā)育。裂縫整體滯后回采位置發(fā)育，滯后距6.0～120.0 m，平均44.6 m(表3)。

表3 地表裂縫動(dòng)態(tài)發(fā)育特征Table 3 Dynamic development characteristics of surface cracks

3.3.3 地表裂縫寬度動(dòng)態(tài)變化規(guī)律

(三)語(yǔ)義的規(guī)范性。語(yǔ)義的規(guī)范性主要是指在語(yǔ)言的發(fā)展過(guò)程中,其語(yǔ)義應(yīng)符合社會(huì)風(fēng)范、社會(huì)道德、詞語(yǔ)要健康文明等原則。網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)開(kāi)放的世界，人們隨心所欲, 因此為了表達(dá)暢快, 不惜用一些語(yǔ)義不健康, 不文明的詞語(yǔ), 如“我勒個(gè)去”、“靠”(一種不文明的罵人的話, 類似與“操”)等。這樣的詞雖使用起來(lái)簡(jiǎn)單、便利, 表達(dá)起來(lái)痛快, 但這是一種極不文明的言語(yǔ)行為。曹德和先生指出:“在現(xiàn)代漢語(yǔ)詞匯系統(tǒng)中, 除了‘不快語(yǔ)’以外, 還充斥著許多污言穢語(yǔ), 這些垃圾自然應(yīng)予清除。事實(shí)說(shuō)明, 倫理原則亦適用于語(yǔ)言的規(guī)范……”④ 據(jù)此, “我勒個(gè)去”、“靠”等一類污穢詞語(yǔ)將是不能進(jìn)入現(xiàn)代漢語(yǔ)詞匯系統(tǒng)中的。

模擬開(kāi)采過(guò)程中出現(xiàn)的8條裂縫表現(xiàn)出3種動(dòng)態(tài)變化特征，分別是“只開(kāi)不合”型、“先開(kāi)后合再開(kāi)”型和“先開(kāi)后合”型(圖8)。

圖8 地表裂縫寬度動(dòng)態(tài)變化Fig.8 Activity characteristics of surface cracks width

“只開(kāi)不合”型裂縫活動(dòng)主要出現(xiàn)在開(kāi)采邊界附近，裂縫寬度表現(xiàn)出持續(xù)增大至穩(wěn)定的變化特征，比如裂縫L1和裂縫L8；“先開(kāi)后合再開(kāi)”型裂縫活動(dòng)主要出現(xiàn)在工作面內(nèi)，裂縫寬度表現(xiàn)出“先增大后減小再增大”的變化特征，如裂縫L2；“先開(kāi)后合”型裂縫活動(dòng)則普遍出現(xiàn)在工作面內(nèi)，裂縫寬度表現(xiàn)出“先增大后減小”的特征。如裂縫L3，L4，L5，L6和L7。

裂縫動(dòng)態(tài)變化過(guò)程中裂縫最大寬度是初始寬度的1～5倍，平均為2.6倍，裂縫穩(wěn)定寬度是初始寬度的0.4～2.0倍，平均為0.85倍(圖9)。

圖9 地表裂縫寬度對(duì)比分析Fig.9 Comparison of surface crack width

4 采動(dòng)地表裂縫形成機(jī)理

4.1 地表裂縫動(dòng)態(tài)發(fā)育機(jī)理

4.1.1 地表裂縫靜態(tài)發(fā)育機(jī)理

工作面開(kāi)采過(guò)程中地表裂縫沿走向方向平行間隔展布，間隔距離8.0～72.0 m，平均37.14 m。統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，71.4%的裂縫間距數(shù)據(jù)與基本頂周期垮落步距基本一致，表明工作面走向地表裂縫展布與基本頂周期垮落密切相關(guān)。

110207工作面FLAC3D數(shù)值模擬結(jié)果顯示，工作面順槽邊界兩側(cè)為拉張塑性破壞區(qū)，表明傾向方向上的平行順槽裂縫均由拉張作用產(chǎn)生(圖10(a))。傾向上煤層傾斜導(dǎo)致地表水平移動(dòng)呈現(xiàn)非對(duì)稱偏移特征。工作面回風(fēng)巷道附近(上山邊界)地表水平移動(dòng)量最大為542.0 mm，最大水平變形20.44 mm/m；工作面機(jī)巷處(下山邊界)最大為-788.45 mm，其外側(cè)40 m的位置水平變形值最大，為27.71 mm/m(圖10(b))。統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，工作面回風(fēng)巷道和工作面機(jī)巷附近水平變形>1.0 mm/m的范圍分別是40 m和60 m，機(jī)巷>回風(fēng)巷道。表明工作面機(jī)巷一側(cè)達(dá)到裂縫發(fā)育臨界水平變形的范圍即裂縫發(fā)育范圍要大于工作面回風(fēng)巷道一側(cè)，與裂縫發(fā)育范圍實(shí)際觀測(cè)結(jié)果基本一致。

圖10 覆巖塑性破壞特征及地表水平移動(dòng)變形Fig.10 Plastic failure characteristics of overlying rock and horizontal movement and deformation of surface

分析認(rèn)為煤層傾斜導(dǎo)致了地表下沉和水平移動(dòng)向下山方向偏移和增大，繼而造成了工作面傾向開(kāi)采邊界地表裂縫的非對(duì)稱性展布。

4.1.2 地表裂縫動(dòng)態(tài)發(fā)育機(jī)理

走向上地表裂縫隨回采向前動(dòng)態(tài)發(fā)育是“覆巖-地表”耦合聯(lián)動(dòng)的結(jié)果。上覆巖層的周期性垮落導(dǎo)致了地表下沉盆地的動(dòng)態(tài)發(fā)育，地表移動(dòng)變形范圍和下沉曲線隨回采不斷向前擴(kuò)展(圖11)，當(dāng)?shù)乇硭阶冃瘟砍^(guò)表土體極限時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生裂縫。因此走向上地表裂縫表現(xiàn)出隨回采向前動(dòng)態(tài)發(fā)育的特征。

圖11 地表下沉規(guī)律Fig.11 Subsidence law of surface

4.2 地表裂縫寬度動(dòng)態(tài)變化機(jī)理

4.2.1 “只開(kāi)不合”型動(dòng)態(tài)變化機(jī)理

以模擬實(shí)驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的裂縫L1為研究對(duì)象，從覆巖運(yùn)移及地表移動(dòng)變形2個(gè)角度闡述“只開(kāi)不合”型裂縫寬度動(dòng)態(tài)變化機(jī)理。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，裂縫L1為切眼處邊界裂縫且與覆巖豎向裂隙貫通。裂縫L1是由前方塊體2破斷形成的，在整個(gè)開(kāi)挖周期內(nèi)，巖塊2始終處于拉伸狀態(tài)，向采空區(qū)傾斜未發(fā)生回轉(zhuǎn)(圖12)。因此，裂縫L1寬度持續(xù)增大至穩(wěn)定，沒(méi)有減小過(guò)程。

圖12 地表裂縫L1剖面形態(tài)及結(jié)構(gòu)演化Fig.12 Morphology and structural evolution of Surface Crack L1

從地表移動(dòng)變形的角度分析，裂縫L1位于地表下沉盆地邊緣，與地表測(cè)點(diǎn)3位置重合。模型整個(gè)開(kāi)挖周期內(nèi)測(cè)點(diǎn)2與測(cè)點(diǎn)3以及測(cè)點(diǎn)3和測(cè)點(diǎn)4之間地表傾斜值始終為負(fù)，且后者遠(yuǎn)大于前者，表明測(cè)點(diǎn)3處的地表土體始終逆回采方向傾斜，沒(méi)有倒轉(zhuǎn)。此外，從圖中還可以看出工作面推采160 m時(shí)裂縫L1開(kāi)始發(fā)育，此時(shí)測(cè)點(diǎn)3的曲率為-5.3×10-3m，表明該值是邊界裂縫發(fā)育的臨界曲率。至模型開(kāi)挖結(jié)束測(cè)點(diǎn)3的曲率維持在-5.23×10-3～-5.83×10-3m，說(shuō)明開(kāi)采過(guò)程中測(cè)點(diǎn)3彎曲程度始終大于裂縫L1發(fā)育時(shí)的地表彎曲程度，地表始終處于拉伸變形，無(wú)“拉伸-壓縮”的轉(zhuǎn)變(圖13)。故裂縫L1寬度呈現(xiàn)出“持續(xù)增大至穩(wěn)定”的變化過(guò)程。

圖13 開(kāi)挖過(guò)程中裂縫L1處測(cè)點(diǎn)3傾斜值及曲率值Fig.13 Incline values and curvature values of Point 3 during excavation

4.2.2 “先開(kāi)后合再開(kāi)”型動(dòng)態(tài)變化機(jī)理

裂縫L2出現(xiàn)“先開(kāi)后合再開(kāi)”型活動(dòng)與其兩側(cè)地表差異性下沉造成的土體運(yùn)移有關(guān)。從地表下沉曲線可以看出，開(kāi)采過(guò)程中地表下沉曲線逐漸由“單峰”形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)椤癢”形，峰值分別位于測(cè)點(diǎn)4(距切眼60 m處)和測(cè)點(diǎn)10(距切眼200 m處)上。裂縫L2發(fā)育位置與測(cè)點(diǎn)6的位置基本重合即距離切眼100 m。

當(dāng)模型推采160 m時(shí)，地表最大下沉點(diǎn)位于測(cè)點(diǎn)4位置，測(cè)點(diǎn)5～6之間土體向下沉盆地中心傾斜，拉張作用致使裂縫L2于測(cè)點(diǎn)6處發(fā)育，裂縫寬度增大(圖14)。

圖14 地表裂縫寬度動(dòng)態(tài)變化機(jī)理Fig.14 Activity mechanism of surface crack width

當(dāng)模型推采至200 m時(shí)，測(cè)點(diǎn)5～6之間的地表土體傾斜值由34.5 mm/m減小至23 mm/m，土體發(fā)生回轉(zhuǎn)，而此時(shí)測(cè)點(diǎn)6～7之間的土體在拉張作用下發(fā)生逆回采方向傾斜，傾斜值增大。因此，裂縫L2在2塊土體的擠壓作用下逐漸彌合，裂縫寬度減小。

當(dāng)模型推采至240 m時(shí)，測(cè)點(diǎn)5～6之間的土體又發(fā)生了逆回采方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，傾斜值增大，而測(cè)點(diǎn)6～7之間的土體傾斜值減小，發(fā)生順回采方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，但此時(shí)仍是逆回采方向傾斜，因此裂縫L2寬度在2塊土體的拉張作用下開(kāi)始增大。

當(dāng)模型開(kāi)采至320 m，地表“W”型下沉已經(jīng)成型，測(cè)點(diǎn)5～6之間土體逆回采方向傾斜基本穩(wěn)定，而測(cè)點(diǎn)6～7之間的土體則在第2個(gè)地表下沉峰值的影響下順回采方向傾斜，再次加大了裂縫L2寬度，直至穩(wěn)定。

4.2.3 “先開(kāi)后合”型動(dòng)態(tài)變化機(jī)理

以發(fā)育位置基本與測(cè)點(diǎn)7重合的L3為研究對(duì)象，闡述“先開(kāi)后合”型地表裂縫寬度動(dòng)態(tài)變化機(jī)理。裂縫L3活動(dòng)受測(cè)點(diǎn)6～7和測(cè)點(diǎn)7～8之間的巖土體運(yùn)移控制。當(dāng)模型推采至200 m時(shí)，測(cè)點(diǎn)6～7之間的巖體正處于逆回采方向的傾斜運(yùn)動(dòng)中，傾斜值為35 mm/m，測(cè)點(diǎn)7～8之間的土體同樣發(fā)生逆回采方向的傾斜運(yùn)動(dòng)，傾斜值為11 mm/m，兩者之間的差異性傾斜導(dǎo)致了裂縫L3的發(fā)育。當(dāng)模型推采至240 m時(shí)，測(cè)點(diǎn)6～7之間的土體發(fā)生順回采方向的回轉(zhuǎn)，傾斜值為3 mm/m，仍逆回采方向傾斜。測(cè)點(diǎn)7～8之間的土體同樣發(fā)生順回采方向的回轉(zhuǎn)，傾斜值為0 mm/m。因此，裂縫L3在測(cè)點(diǎn)6～7之間土體回轉(zhuǎn)擠壓力的作用下逐漸彌合，寬度減小。而后，當(dāng)模型推采至320 m時(shí)，測(cè)點(diǎn)6～7和測(cè)點(diǎn)7～8之間的土體均順回采方向傾斜，兩者傾斜值分別是-2 mm/m和-5 mm/m，沒(méi)有造成裂縫L3發(fā)生二次開(kāi)裂。

5 結(jié) 論

1)淺埋緩傾斜煤層開(kāi)采誘發(fā)的地表裂縫表現(xiàn)特征明顯。面內(nèi)垂直回采方向的裂縫呈直線形或者弧形平行間隔展布；平行回采方向裂縫發(fā)育在工作面順槽邊界兩側(cè)，且工作面機(jī)巷側(cè)(下山方向)裂縫發(fā)育范圍大于工作面回風(fēng)巷側(cè)(上山方向)。

2)工作面頂板以懸臂梁和鉸接巖梁交替出現(xiàn)的形式擴(kuò)展，重復(fù)發(fā)生“懸臂—斷裂—鉸接—垮落回轉(zhuǎn)—穩(wěn)定”的破斷活動(dòng)；工作面初次垮落步距為60 m，周期性垮落步距10～32 m，平均為21.6 m。覆巖內(nèi)部有離層裂隙和豎向裂隙2類，前者隨回采展現(xiàn)出“產(chǎn)生—增大—減小—閉合”的演化規(guī)律；當(dāng)2種裂隙相互貫通后導(dǎo)水裂隙帶高度增加。

3)地表裂縫具有動(dòng)態(tài)發(fā)育和寬度動(dòng)態(tài)變化2種動(dòng)態(tài)規(guī)律。邊界裂縫寬度動(dòng)態(tài)變化規(guī)律為“只開(kāi)不合”型，面內(nèi)裂縫寬度動(dòng)態(tài)變化類型為“先開(kāi)后合再開(kāi)”和“先開(kāi)后合”2種。覆巖運(yùn)移無(wú)倒轉(zhuǎn)、地表無(wú)“拉伸-壓縮”變形轉(zhuǎn)換是導(dǎo)致“只開(kāi)不合”型活動(dòng)的主因；地表“W”型下沉變化導(dǎo)致的巖土體的復(fù)雜運(yùn)移是面內(nèi)裂縫發(fā)生“先開(kāi)后合再開(kāi)”和“先開(kāi)后合”活動(dòng)的根本。

4)地表裂縫動(dòng)態(tài)發(fā)育是覆巖周期性破斷引起地表動(dòng)態(tài)下沉造成的。煤層傾斜導(dǎo)致工作面機(jī)巷側(cè)水平移動(dòng)變大和偏移是致使工作面機(jī)巷外側(cè)裂縫發(fā)育范圍大于工作面回風(fēng)巷一側(cè)的主要原因。