侯恩科，謝曉深，馮 棟，陳秋計，車曉陽，侯鵬飛

(1.西安科技大學 地質與環(huán)境學院，陜西 西安 710054；2.陜西省煤炭綠色開發(fā)地質保障重點實驗室，陜西 西安 710054；3.西安科技大學 測繪科學與技術學院，陜西 西安 710054；4.西安科技大學安全科學與工程學院，陜西 西安 710054)

地下煤炭開采勢必會打破覆巖及地表原有應力平衡，破壞巖土層原有結構的完整性，造成覆巖垮落和地表開裂，進而損害煤礦區(qū)地質環(huán)境[1-3]。榆神府礦區(qū)是陜北煤炭基地重要的原煤生產區(qū)，賦煤面積約27 140 km2，構造簡單，開采規(guī)模大，強度高。區(qū)內大規(guī)模、高強度開采誘發(fā)了大量地質災害，地面塌陷問題尤為嚴重[4]。區(qū)內東北部淺埋區(qū)煤層采高大，其誘發(fā)的地面塌陷不僅損毀了大量土地，加重了水土流失，使得表生環(huán)境惡化，嚴重時還會造成潰水、漏風威脅井下生產安全[5]。

為實現(xiàn)煤礦區(qū)“煤-水-生態(tài)”的協(xié)調發(fā)展和修復塌陷區(qū)生態(tài)環(huán)境，許多學者對采煤地面塌陷進行了研究。錢鳴高等[6]闡述了煤炭開采與巖層運動的關系，分析了巖層移動對地表沉陷類型的影響；王雙明等[7]對西部中深部煤層開采地表裂縫平面和垂向深度特征進行了剖析，揭示其對表生環(huán)境的影響并構建減損開采技術體系。胡振琪等[8]對風積沙區(qū)地表裂縫動態(tài)發(fā)育特征進行細致研究，揭示了地表裂縫超前發(fā)育特征和“M”型動態(tài)規(guī)律，而Xu Yuankun 等[9]根據(jù)相似材料模擬實驗給出了“M”型裂縫的變化機理。侯恩科等[10-12]利用無人機航拍技術揭示了工作面地表裂縫展布特征并提出了基于無人機航拍的沉陷計算方法，并在后續(xù)研究中揭示了地表裂縫垂向剖面特征及動態(tài)發(fā)育規(guī)律。胡振琪等[13]提出了煤礦塌陷區(qū)自修復和自然修復的理念。劉輝等[14]根據(jù)地表裂縫規(guī)律和形成機理給出了地表裂縫治理標準，并提出了超高水材料治理裂縫的方法。胡海峰等[15]歸納總結了山西黃土丘陵沉陷區(qū)生態(tài)環(huán)境破壞特征與修復技術。以上研究成果為地面塌陷規(guī)律、機理以及治理提供了堅實的理論支撐，但尚未全面揭示淺埋煤層開采地面塌陷裂縫規(guī)律及機理，特別是裂縫動態(tài)發(fā)育規(guī)律和活動機理。

筆者以陜西榆神府礦區(qū)內檸條塔井田和張家峁井田為研究區(qū)，以地面塌陷裂縫為研究對象，采用實地調查、相似材料模擬實驗和理論分析相結合的方法，研究了淺埋煤層開采地表裂縫靜態(tài)、動態(tài)發(fā)育規(guī)律，揭示黃土溝壑區(qū)采動“覆巖-地表”運移過程和不同位置地表裂縫活動機理，提出了適宜的地表裂縫治理措施，以期為淺埋煤層開采地面塌陷防治和生態(tài)環(huán)境修復提供理論指導與技術參考。

1 研究區(qū)開采地質條件概況

研究區(qū)位于毛烏素沙漠東南緣，榆神府礦區(qū)東北部，包括張家峁和檸條塔2 個井田(圖1)。

圖1 研究區(qū)位置Fig.1 Location map of study area

區(qū)內地貌單元以風沙灘地和黃土溝壑為主，地形高差較大，區(qū)域地層隸屬華北地層區(qū)鄂爾多斯地層分區(qū)，由下至上鉆孔揭露地層為三疊系上統(tǒng)永坪組(T3y)、侏羅系下統(tǒng)富縣組(J1f)、中統(tǒng)延安組(J2y)、直羅組(J2z)、安定組(J2a)、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)和馬蘭組(Q3m)，全新統(tǒng)風積沙和沖積層，其中安定組(J2a)和馬蘭組(Q3m)在張家峁井田內缺失，富縣組(J1f)地層在檸條塔井田內缺失。張家峁煤礦目前正在開采延安組2-2煤層、4-2煤層和5-2煤層，檸條塔煤礦目前正在開采延安組1-2煤層和2-2煤層。兩礦相鄰，目前回采煤層采深一般小于200 m，裂采比基本一致，為27。依據(jù)區(qū)內工作面實際開采情況，分別選取檸條塔井田北翼N1212 工作面、南翼的S1230 工作面、S12002 工作面和S12013 工作面以及張家峁井田的14209 工作面和15209 工作面進行地表裂縫調查。工作面基本參數(shù)見表1。

表1 工作面開采條件與裂縫寬度分區(qū)占比數(shù)據(jù)Table 1 Ratio data of mining conditions of working faces and widths of fracture zone

2 采煤地表裂縫發(fā)育規(guī)律與機理

2.1 發(fā)育規(guī)律

2.1.1 發(fā)育類型及組合方式

研究區(qū)地表裂縫發(fā)育類型主要包括拉張裂縫、擠壓隆起和臺階裂縫3 類。拉張裂縫由拉張作用產生，呈直線或弧線展布，裂縫兩側平直且無落差，一般發(fā)育在平坦地形區(qū)(圖2a)。擠壓隆起是地表受到擠壓形成的線狀隆起，多發(fā)育于山間平臺和坡腳處(圖2b)；臺階裂縫是兩側土體不均勻沉降造成的，兩側土體有垂直高度落差(圖2c)，于黃土溝壑區(qū)普遍發(fā)育。地表裂縫組合有平行并列組合、塌陷槽和交叉組合3 類(圖2d-圖2f)，其中，交叉組合由2 條延展方向不同的裂縫斜交構成，多發(fā)育于上、下工作面斜交布置的疊置開采區(qū)。

圖2 地表裂縫類型及組合方式Fig.2 Types and combination modes of surface cracks

2.1.2 靜態(tài)發(fā)育規(guī)律

1) 展布特征

通過對研究區(qū)典型工作面地表裂縫進行填圖發(fā)現(xiàn)：風沙灘地區(qū)與黃土溝壑區(qū)地表裂縫平面展布規(guī)律基本一致，地表裂縫發(fā)育范圍大于工作面開采范圍，其中走向裂縫角76.5°～82.4°，平均78.0°，傾向裂縫角67.7°～81.5°，平均為76.7°；地表裂縫類型多樣，面內發(fā)育有大量臺階狀裂縫，部分區(qū)域有塌陷槽，終采線及切眼外側以拉張型裂縫為主。

按照地表裂縫空間分布特征將其分為面內裂縫和邊界裂縫(包括切眼裂縫、巷道裂縫和終采線裂縫)兩類。面內裂縫以平行并列的組合方式間隔展布在面內，主裂縫間隔距離8～15 m，一般小于工作面周期來壓步距，裂縫在走向中心線位置寬度和錯臺高度最大，隨兩側延展逐漸變小。邊界裂縫圍繞工作面開采邊界發(fā)育，一般呈直線形，在開采邊界的連接處呈弧形。邊界裂縫寬度大，臺階落差明顯，其與面內裂縫一起構成了工作面地表裂縫 “O”型展布形態(tài)(圖3)。

圖3 地表裂縫平面展布特征Fig.3 Plane distribution characteristics of surface cracks

2) 靜態(tài)特征與開采條件的關系

表1 是工作面開采條件和裂縫寬度分區(qū)占比數(shù)據(jù)。對比分析發(fā)現(xiàn)，地表裂縫靜態(tài)發(fā)育特征(以裂縫寬度為研究對象)與開采條件關系密切。地表裂縫靜態(tài)發(fā)育特征與采高呈正相關關系(S1230 面和S12002 面對比)；與采深呈負相關關系(N1212 面和15209 面對比)；當采高、采深條件相似時，黃土溝壑區(qū)地表裂縫靜態(tài)特征更明顯，發(fā)育程度更高(N1212 面和S12002 面對比)；當工作面開采方式不同時，N00 工法可以較顯著地降低地表裂縫發(fā)育特征(S12013 面和S12002 面比較)。

對S1230 工作面不同位置(切眼、巷道和面內)的地表裂縫寬度占比統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，地表裂縫在0～5 cm寬度區(qū)間時，工作面內地表裂縫占比最多，巷道地表裂縫占比最少；當?shù)乇砹芽p在5～10 cm 和15～20 cm 寬度區(qū)間時，巷道地表裂縫占比最多，切眼地表裂縫占比最少；當?shù)乇砹芽p在大于20 cm 寬度區(qū)間時切眼地表裂縫占比最多，巷道地表裂縫占比最少(圖4)。因此，對于同一工作面而言，地表裂縫靜態(tài)特征明顯程度由高至低為：切眼、巷道和面內。

圖4 S1230 工作面不同位置地表裂縫寬度占比Fig.4 Ratio of surface crack width of working face S1230

2.1.3 動態(tài)發(fā)育規(guī)律

一般認為地表裂縫動態(tài)發(fā)育規(guī)律包括動態(tài)擴展和裂縫活動2 方面。對檸條塔煤礦北翼黃土溝壑區(qū)N1212工作面和南翼風沙灘地區(qū)S12013 工作面的地表裂縫進行動態(tài)跟蹤調查。調查結果顯示兩工作面上方地表裂縫均超前工作面回采位置擴展，黃土溝壑區(qū)地表裂縫超前距8.0～30.0 m，風沙灘地區(qū)地表裂縫超前距11.8～43.5 m，平均30.8 m。地表裂縫表現(xiàn)出“只開不合”和“先開后(半)合”的活動特征。邊界裂縫、面內坡頂裂縫和下坡段坡體裂縫表現(xiàn)出“只開不合”的活動特征，即裂縫寬度隨工作面推采呈現(xiàn)“開裂-增大-穩(wěn)定”的動態(tài)變化特征；面內坡腳裂縫、溝底裂縫和上坡段坡體裂縫主要表現(xiàn)“先開后合”的活動特征即裂縫寬度隨推采呈現(xiàn)“開裂-增大-減小-穩(wěn)定”的變化，黃土溝壑區(qū)裂縫活動時間為4～9 d(圖5a)，風沙灘地區(qū)地表裂縫活動時間6～9 d(圖5b)。地表裂縫“先開后(半)合”的活動由“活動上升階段”“活動穩(wěn)定階段”和“活動下降階段”構成，且風沙灘地區(qū)地表裂縫“活動穩(wěn)定階段”時長明顯大于黃土溝壑區(qū)，一般是后者的2 倍左右(圖5)，間接說明風沙灘地區(qū)的風積沙層對開采擾動的削弱能力更強。

圖5 不同區(qū)域部分地表裂縫活動特征Fig.5 Characteristics of surface fracture activity

N1212 工作面(黃土溝壑)和S12013 工作面(風沙灘地)地表裂縫活動過程中其寬度具有明顯的變化規(guī)律。裂縫活動期間初始開裂寬度、最大發(fā)育寬度和穩(wěn)定寬度的數(shù)據(jù)擬合結果顯示：活動期間裂縫初始開裂寬度與最大發(fā)育寬度存在正相關線性關系；初始開裂寬度與活動結束后的穩(wěn)定寬度存在正相關線性關系和正相關的指數(shù)函數(shù)關系(圖6)。

圖6 活動期間裂縫寬度變化規(guī)律Fig.6 Variation law of crack width during activity

2.2 采煤地表裂縫形成及活動機理

2.2.1 地表裂縫形成過程模擬

地表裂縫是“覆巖-地表”耦合運移的產物，其形成過程與上覆巖體運移(破斷、垮落)和表土移動變形密切相關。相較于風沙灘地區(qū)，黃土溝壑區(qū)淺埋煤層開采覆巖及地表移動特征更為復雜，因此，筆者以陜北黃土溝壑區(qū)淺埋煤層開采為研究對象，通過相似材料模擬實驗模擬地表裂縫形成過程，揭示采動覆巖垮落及地表裂縫發(fā)育特征。

1) 相似材料模擬模型的構建

利用河沙、大白粉、碳酸鈣、石膏和云母等材料構建了黃土溝壑區(qū)淺埋厚煤層開采相似材料模擬模型(圖7)，模型采用1∶100 的幾何相似比搭建，設計尺寸長×寬×高為400 cm×20 cm×101 cm。模擬開采4-2煤層，采高3.7 cm(實際為3.7 m)，模型左右兩側各留設30 cm 煤柱，由左向右開采，走向開采長度 340 cm(實際長340 m)。

圖7 相似材料模擬模型Fig.7 Similar material simulation model

2) 采動覆巖垮落特征

模型開采過程中先后經歷了“下坡開采”“溝底開采”和“上坡開采”3 個階段。下坡開采階段位于開采初期，工作面尚未達到充分采動，上覆巖體不斷受到開采擾動，破壞高度逐漸升高(圖8a)，走向上覆巖以“懸臂-鉸接-垮落-穩(wěn)定”的形式發(fā)生周期性垮落，垂向上以橫向離層裂隙和豎向裂隙組合的形式向上擴展。當工作面推采至溝底平坦區(qū)時，推采長度超過1.5H(H為平均采深)，達到充分采動，上覆巖體出現(xiàn)整體性下沉，覆巖破壞高度發(fā)育至地表。溝底開采階段上覆巖體破斷以下位“斜臺階巖梁”和上位“砌體梁”的結構不斷演化，地表裂縫與覆巖內部裂隙發(fā)生貫通，形成貫通型裂縫(圖8b)。下坡開采階段，工作面已經達到超充分采動，覆巖破壞高度直接導通地表，覆巖及地表的整體下沉導致相鄰貫通型裂縫之間組合形成斜型體(圖8c)。斜型體的頂點是裂縫發(fā)育位置，底端與水平方向的夾角近似等于巖塊破斷角。高位破斷裂縫發(fā)育明顯，形態(tài)、寬度等明顯強于低位破斷裂縫。當工作面回采結束后，上覆巖層發(fā)育垮落帶和導水裂隙帶，不存在彎曲下沉帶，整體形態(tài)呈向內收斂的“梯形”，符合應力平衡拱展布特點。切眼和終采線內側巖體呈鉸接結構，表現(xiàn)出拉張?zhí)匦?。采空區(qū)上方巖體為壓實區(qū)，形成穩(wěn)定的砌體結構(圖9)。

圖8 采動覆巖垮落及結構特征Fig.8 Caving and structural characteristics of mining overlying strata

圖9 開采結束覆巖及地表破壞特征Fig.9 Characteristics of overburden and surface failure at the end of mining

3) 采動地表裂縫發(fā)育特征

根據(jù)工作面實際調查情況和相似材料模擬結果，黃土溝壑區(qū)地表裂縫發(fā)育具有明顯的橫向分區(qū)特征。就斜坡體而言，由坡頂至坡腳裂縫整體發(fā)育類型有“拉張型-滑動型-擠壓隆起”的變化且裂縫表現(xiàn)特征由強變弱。這一橫向現(xiàn)象表明坡頂?shù)乇砹芽p由拉張作用形成，坡體裂縫是拉張和滑移雙重作用形成，而坡腳裂縫則是坡體滑移導致的擠壓作用和覆巖垮落后采空區(qū)上方巖體擠壓雙重因素導致的。此外，地表裂縫均與覆巖內部裂隙貫通形成貫通裂縫，表明裂縫活動與下伏關鍵巖層的垮落、破斷密切相關。

2.2.2 采煤地表裂縫活動機理

1) 邊界裂縫

從連續(xù)性變形和破斷塊體運移的角度來看，走向主斷面地表下沉盆地可分為拉伸區(qū)、拉-壓轉化區(qū)和壓縮區(qū)3 個區(qū)域(圖10)。拉伸區(qū)分布在開采邊界附近，是拉張裂縫的集中發(fā)育區(qū)，區(qū)內地表隨工作面推采一直發(fā)生拉伸變形，表土破斷塊體始終向采空區(qū)傾斜，未發(fā)生倒轉。因此，該區(qū)域裂縫寬度表現(xiàn)出“持續(xù)增大-穩(wěn)定”的變化特征，即“只開不合”的活動特征。

圖10 采煤“覆巖-地表”運移模式Fig.10 “Overburden-surface” migration model of coal mining

2) 面內坡體裂縫

以下坡開采階段的坡體裂縫為研究對象，根據(jù)相似材料模擬中地表裂縫的形成特征，利用K 和M 兩個塊體分析被裂縫切割的兩側塊體的穩(wěn)定性(圖11)。理論分析認為，下坡開采階段K-M 裂縫隨工作面開采有可能出現(xiàn)“先開后合”和“只開不合”2 種活動規(guī)律，“先開后合”的活動特征是K 塊體沿回采方向倒轉和M 塊體逆回采方向回轉造成的。而“只開不合”的活動特征則是M 塊體沿斜坡下滑造成。因此，M 塊體(裂縫下塊體)是否會沿著斜坡發(fā)生滑動，即M 塊體穩(wěn)定系數(shù)(η)的大小是決定裂縫發(fā)生“只開不合”活動的判定條件。K 和M 塊體的幾何結構和力學特征如圖11 所示。

圖11 塊體幾何結構與力學特征Fig.11 Geometric structure and mechanical characteristics of blocks

根據(jù)塊體結構力學特征和摩爾-庫侖強度準則[16-17]，M 塊體的抗滑力為：

M 塊體的下滑力為：

M 塊體的穩(wěn)定系數(shù)：

式中：G為M 塊體的自重力；Q為塊體K 對塊體M 的摩擦剪力；fm為 沿斜坡方向的摩擦力；C為塊體M 的黏聚力；Lm為塊體M 的可滑動斜長；α為坡體坡角。

進一步對塊體K 和M 的接觸點力學特征進行分析：

式中：f為作用在接觸點上的摩擦力；N為塊體K 對塊體M 的法向應力；μ為摩擦因數(shù)；θ為塊體K 的破斷角。

對塊體M 所受的力按照斜坡方向進行分解組合得到：

將式(4)—式(6)代入式(3)中可得：

裂縫出現(xiàn)“只開不合”的活動特征的判定條件為M 塊體發(fā)生滑動，即η＜1。由式(6)可知，塊體穩(wěn)定系數(shù)與坡角(α)呈正相關的一次冪函數(shù)，與Lm呈負相關一次冪函數(shù)，而Lm一般與坡體相鄰2 條主裂縫的發(fā)育間距一致，與工作面周期垮落步距有關。工作面實際調查過程中，下坡開采階段坡體地表裂縫間距小，坡度較大，塊體穩(wěn)定系數(shù)基本小于1，地表裂縫表現(xiàn)出“只開不合”的活動特征。

對于上坡開采階段發(fā)育的地表裂縫而言，同樣可以利用上述公式對塊體穩(wěn)定性進行判定，當η＞1 時，地表裂縫上方塊體不發(fā)生滑動，裂縫在其下側塊體的回轉作用下減小；當η＜1 時，地表裂縫在下側塊體回轉和上側塊體滑移的雙重作用下發(fā)生閉合，因此，上坡開采時坡體地表裂縫只發(fā)生“先開后合”的活動特征，與實際調查結果相符合。

3) 面內溝底裂縫

相似材料模擬結果表明面內溝底平坦區(qū)域地表裂縫是貫通型裂縫，其表層巖土塊體的運移受到下伏關鍵巖層的控制。根據(jù)淺埋煤層開采巖層控制理論，淺埋煤層開采關鍵巖塊主要表現(xiàn)出回轉變形失穩(wěn)和滑落失穩(wěn)2 種失穩(wěn)特征[18]。一般情況下，上覆載荷層大于180 m 時會出現(xiàn)回轉變形失穩(wěn)，關鍵巖塊周期來壓期間破斷塊度(i)大于1.0 時出現(xiàn)滑落失穩(wěn)。實測表明，陜北淺埋厚煤層開采區(qū)關鍵巖塊破斷塊度一般大于1.0，關鍵巖塊易發(fā)生滑落失穩(wěn)[19]。鑒于此，筆者以3 塊表層巖塊體(K、M 和N)來說明面內溝底裂縫的活動機理(圖12)。

圖12 溝底裂縫巖土塊體活動機理Fig.12 An indication of the activity mechanism of cracks at the bottom of the trench

由圖12 可知，當工作面推采至A位置時，K 塊體在拉張應力作用下向采空區(qū)傾斜，在K 和M 塊體之間出現(xiàn)拉張裂縫L1，其寬度隨工作面推采逐漸增大。當工作面推采至B位置時，K 塊體在關鍵層的控制下發(fā)生滑落失穩(wěn)，導水裂隙帶發(fā)育至地表，裂縫發(fā)生貫通，M 塊體向采空區(qū)傾斜，其與N 塊體的連接處發(fā)育裂縫L2，此時，裂縫L1由拉張型的平直裂縫變化為臺階狀裂縫，并在塊體M 的擠壓作用下閉合(圖12b)。當工作面繼續(xù)推采，塊體M 發(fā)生滑落失穩(wěn)，N 塊體發(fā)生傾斜，裂縫L2發(fā)生閉合。因此，面內溝底裂縫表現(xiàn)出“先開后合”的活動特征。

塊體滑落失穩(wěn)期間，若M 塊體的下沉量小于K 塊體，即M 塊體頂端始終位于K 塊體之上，那么裂縫L1和L2組成同朝向的“類地壘”的平行并列組合；若M 塊體的下沉量大于K 塊體，裂縫L1和L2的組合方式則為“類地塹”式的塌陷槽。

3 采煤地面塌陷防治方法

3.1 減緩方法

采煤地表裂縫減緩方法是在掌握地表裂縫規(guī)律的基礎上，以采中減損為目標提出的方法或技術。鑒于目前淺埋厚煤層的開采規(guī)模和強度，減緩技術主要有充填開采、限高開采、無煤柱開采以及煤層群協(xié)調開采技術等。

充填開采：通過壓縮上覆巖體的垮落空間，減小或者消除采動對上覆巖體的擾動，達到減緩地面塌陷的目的[20]。充填開采可最大程度減緩地面塌陷，但具有增大煤炭開采成本，降低回采效率的缺點。

限高開采：是通過合理限制開采高度，減小上覆巖層破斷后的滑落和回轉空間，達到減緩地面塌陷的一種開采方法[21]。該方法具有一定的局限性，一般適合在厚或特厚煤層開采區(qū)實施，而薄煤層開采區(qū)不具備實施條件。此外，限高開采會加大煤炭資源的浪費，淺埋厚煤層開采區(qū)很少采用。

無煤柱開采：從表1 數(shù)據(jù)可以看出，相較于普通綜采，N00 工法工作面(S12013 工作面)地表裂縫發(fā)育程度弱，裂縫寬度均小于10 cm，其中裂縫寬度小于5 cm的占比達到91%，是綜采工作面的1.21 倍。實踐數(shù)據(jù)表明，無煤柱開采減緩地面塌陷的可行性。無煤柱開采雖然具有減緩地面塌陷效果，但需要配套的開采設備，且對于開采條件有一定的限制。

煤層群協(xié)調開采技術：通過上、下工作面錯距布置削弱下煤層開采時煤柱應力集中，增加地表連續(xù)性變形，達到實現(xiàn)地表均勻沉降，減緩地面塌陷的目的。黃慶享等[22]根據(jù)淺埋煤層群開采覆巖破斷規(guī)律、應力分布和覆巖裂隙演化特征提出了實現(xiàn)減輕煤柱應力集中和減緩地面塌陷耦合控制的區(qū)段煤柱錯距模型。

實現(xiàn)減緩地面塌陷的區(qū)段煤柱錯距：

式中：Lε為減緩地面塌陷的合理煤柱錯距，m；m1為上煤層采高，m；m2為下煤層采高，m；α1為上煤層頂板平均回轉角，(°)；α2為下煤層頂板平均回轉角，(°)。

分析認為：在不考慮煤炭經濟成本的基礎上，充填開采減緩地表裂縫的效果最好。多煤層開采區(qū)更適合采用充填開采和煤層群協(xié)調開采技術減緩地表裂縫發(fā)育。

3.2 治理方法

3.2.1 黃土溝壑區(qū)

1) 溝底貫通型裂縫

發(fā)育在溝底的貫通型裂縫不僅對土地、表生環(huán)境有危害，還是地表水潰入井下和漏風的主要通道。因此，針對溝底貫通型裂縫的治理不僅要考慮原生表層結構特征，還要達到預防潰水、漏風，保障安全生產的目的。為此，筆者提出了溝底裂縫的“裂縫填充+溝道恢復”治理技術和工藝，溝底裂縫治理結構剖面如圖13 所示。

圖13 溝底貫通型地表裂縫治理Fig.13 Treatment of surface cracks with penetration at the bottom of the ditch

裂縫填充剖面為“襯墊層+防滲層+頂封層”的多層組合結構，其中，襯墊層以碎石塊或水泥做材料對裂縫起到封堵作用；防滲層以三合土或紅土為材料，起到裂縫填充、隔水和固結的作用；以黃土作為頂封層進行回填，進一步封堵裂縫。

一般情況下，黃土溝壑的溝底地層為“基巖+薄洪積層”的結構。需要將裂縫開挖至基巖層面即剝離原有洪積層，才能保證裂縫填充治理效果。因此，在考慮季節(jié)性洪水沖刷和原有表層的功能性上，提出了“隔水層+減沖層+功能表層”的溝道恢復治理技術。其中，隔水層以紅土層和防水布為材料鋪設在裂縫頂封層之上；減沖層位于隔水層之上，材料以碎石塊為主，起到減少洪水沖刷破壞的作用；功能表層則是在考慮原有表層的功能上，進行合理選材、布設，保障治理前后表層功能一致，比如治理前為耕地，治理后仍要保持其耕作功能。溝底貫通型裂縫治理工序：開挖-裂縫填充-壓實-溝道恢復-夯實。

2) 坡體裂縫

實際調查發(fā)現(xiàn)坡體裂縫的開口寬度與臺階落差之間關系密切，一般寬大裂縫的臺階落差較大，微小裂縫落差較小。由于微小裂縫的危害程度較小，就地掩埋即可，而寬大的坡體裂縫需要進行針對性治理。根據(jù)坡體裂縫延展方向和坡體的關系及其修復利用方向，提出了“裂縫充填+微地形改造”的治理方法。

坡體裂縫充填方法包括裂縫充填分區(qū)、充填土壤重構和裂縫充填工藝3 個部分。坡體裂縫充填采用高階開挖回填的分區(qū)治理方法即高位臺階處開挖土方回填至裂縫內，減小原來土方的使用量，充填區(qū)土壤重構是 “墊層+生土層+覆蓋層+表土層”的多層組合剖面結構(圖14a)，在達到裂縫充填土壤重構的基礎上，考慮到實際施工效率，研究提出了“分段剝離+交錯回填”的坡體裂縫充填施工工藝(圖14b)。

圖14 坡體裂縫治理方法Fig.14 Treatment method of slope crack

微地形改造技術是針對坡體裂縫治理后減少水土流失和提高植被生長提出的，對于橫坡寬大裂縫(裂縫延展方向與坡向垂直)提出了水平階微地形改造技術(圖15a)，針對順坡寬大裂縫(裂縫延展方向與坡向平行)提出魚鱗坑微地形改造技術(圖15b)。前者通過修建水平階地，后者通過沿坡面修建月牙形魚鱗坑攔蓄地表徑流，減少水土流失，降低土壤水分蒸發(fā)，加速植被修復。

圖15 微地形改造技術Fig.15 Technology of micro-topography transformation

3.2.2 風沙灘地區(qū)

根據(jù)以往研究成果[8,11]，風沙灘地區(qū)地形平坦地表被風沙覆蓋，采煤形成的地面塌陷程度小于黃土溝壑區(qū)且面內地表裂縫具有較強的自修復和自然修復能力，因此，風沙灘地區(qū)地面塌陷的治理相對容易。結合地表裂縫“O”型展布和地表移動變形特點，筆者嘗試性提出風沙灘地區(qū)地面塌陷“三圈”式治理模式(圖16)。從圖16 可以看出，風沙灘區(qū)工作面開采導致的地面塌陷由外至里分為“自然修復圈(Ⅰ)”“人工促進修復圈(Ⅱ)”和“人工誘導修復圈(Ⅲ)”。

圖16 風沙灘地塌陷區(qū)“三圈”修復Fig.16 The sign of “three circles” restoration in the subsidence area of eolian sand beach

自然修復圈(Ⅰ)：位于塌陷區(qū)的邊緣部分，是下沉邊界角至裂縫角之間的區(qū)域，屬于連續(xù)變形區(qū)，地表一般不發(fā)育裂縫，對土壤和植被的擾動程度小，主要依靠生態(tài)系統(tǒng)的自愈能力自行修復。

人工促進修復圈(Ⅱ)：該區(qū)以非連續(xù)性變形為主，裂縫呈帶狀形式分布于采空區(qū)邊界所對應的地表上方，裂縫角至開采邊界的區(qū)域。區(qū)內發(fā)育“只開不合”活動的邊界裂縫，對地表土壤和植被擾動強度大，為采煤沉陷地的重點治理區(qū)域。采用“淺溝整地+沙障+植被”的治理措施進行修復，促進生態(tài)恢復。

人工誘導修復圈(Ⅲ)：是工作面采空區(qū)上方地表區(qū)域，該區(qū)域地表的擾動以具有“先開后合”的面內動態(tài)裂縫為主，裂縫發(fā)育過程對土壤和植被的擾動強度較大。主要采用“殘留裂縫治理+種草”人工誘導的方式，進行生態(tài)恢復。

3.3 采煤塌陷區(qū)治理工程實踐與示范

3.3.1 安山煤礦地表裂縫

與張家峁煤礦類似，安山煤礦同屬陜西榆神府礦區(qū)，為黃土溝壑下采煤。煤礦125203 工作面位于井田中西部，工作面開采穿過一條最大寬度約100 m 的菜溝，5-2煤層采高約2.2 m，溝底開采深度約20 m。菜溝溝底土地利用類型多樣，存在基巖裸露區(qū)、土質河道區(qū)和耕地區(qū)，過溝開采時(2019 年4 月)在地表形成了密集的臺階型裂縫并與覆巖內部裂隙貫通，嚴重破壞土地和表生環(huán)境，同時存在雨季洪水潰入井下危險(圖17)。

圖17 安山煤礦125203 工作面地形特征[23]Fig.17 Topographic characteristics of working face 125203 in Anshan Coal Mine[23]

為保障雨季125203 工作面安全生產，在2019 年4-5 月研究調查的基礎上，采用前文提出的溝底地表裂縫治理方法對125203 工作面過溝段進行了治理，基巖裸露區(qū)位于溝道下游為地表水的排泄口，其功能表層采用水泥進行鋪設保障其原有的排泄功能；土質河道區(qū)的功能表層采用“三合土”鋪設保障其原有行人與行洪功能；而耕地區(qū)地形稍高，受洪水沖刷程度小，選用松散黃土作為功能表層，保持原有的耕種作用(圖18)。

圖18 陜北安山煤礦125203 面裂縫治理效果Fig.18 Governance effect of engineering practice in working face 125203 of Anshan Coal Mine of northern Shaanxi

3.3.2 檸條塔煤礦采煤塌陷坡地

檸條塔煤礦北翼屬黃土溝壑地貌，起伏大，下伏煤層開采后坡體裂縫發(fā)育明顯，坡體地貌和植被遭到嚴重破壞。為探索黃土溝壑區(qū)生態(tài)環(huán)境修復模式，提升煤礦區(qū)生態(tài)環(huán)境質量開展了相關治理工程。采用上述提出的坡體地表裂縫治理方法，檸條塔煤礦在北翼N1114 和N1206 工作面進行了地面塌陷治理。在工程實踐過程中，筆者結合坡體生態(tài)環(huán)境提升情況，進一步提出了“截流溝+植物籬+土谷坊”的坡體微地貌改造技術，旨在控制水土流失、促進植被的生長恢復(圖19)。

圖19 陜北檸條塔煤礦北翼部分實踐工程Fig.19 Part of practice projects in Ningtiaota Coal Mine of northern Shaanxi

3.3.3 檸條塔煤礦生態(tài)修復示范

在采煤塌陷治理的基礎上，檸條塔煤礦聯(lián)合西安科技大學和中國礦業(yè)大學(北京)等單位進一步對黃土溝壑區(qū)生態(tài)修復中的優(yōu)勢植被物種擇選、植被組合模式和微生物修復技術等進行了深入研究，取得了一系列研究成果，規(guī)劃建設了2.0×105m3生態(tài)修復示范區(qū)(圖20)，為陜北黃土溝壑區(qū)采煤塌陷治理和生態(tài)恢復奠定了理論和實踐基礎。

圖20 陜北檸條塔煤礦北翼生態(tài)修復示范區(qū)Fig.20 Demonstration area of ecological restoration in the north of Ningtiaota Coal Mine of northern Shaanxi

4 結論

a.淺埋煤層開采地表裂縫有拉張裂縫、擠壓隆起和臺階裂縫3 類，組合方式有平行并列、塌陷槽和交叉組合3 種。裂縫具有“先開后(半)合”和“只開不合”2 種活動類型，活動期間裂縫初始開裂寬度與最大發(fā)育寬度呈線性正相關關系，與穩(wěn)定寬度呈線性和指數(shù)2 種正相關關系。

b.揭示了黃土溝壑區(qū)淺埋煤層開采地表裂縫活動機理，提出塊體穩(wěn)定系數(shù)與坡角呈負相關的一次冪函數(shù)，與主裂縫間距呈正相關的一次冪函數(shù)。下坡開采，穩(wěn)定系數(shù)小于1，地表裂縫呈 “只開不合”活動。上坡段開采，坡體裂縫受巖塊倒轉和坡體滑移雙重影響呈“先開后(半)合”活動。面內溝底裂縫“先開后合”的活動特征受表層巖土塊運移控制。

c.針對黃土溝壑區(qū)地面塌陷裂縫，提出溝底貫通裂縫采用“裂縫填充+溝道恢復”、坡體裂縫“裂縫充填+微地形改造”的治理方法；針對風沙灘地采煤地面塌陷區(qū)，提出工作面“三圈”修復模式；分別在陜北安山煤礦和檸條塔煤礦進行了工程實踐，效果良好。