榆神府矿区采煤地表裂缝发育规律及特征

谢晓深，侯恩科✉，冯 栋，从 通，侯鹏飞，陈秋计，王建文，李民峰，谢永利

1) 西安科技大学地质与环境学院，西安 710054 2) 陕西省煤炭绿色开发地质保障重点实验室，西安 710054 3) 中煤科工集团西安研究院有限公司，西安 710077 4) 西安科技大学测绘科学与技术学院，西安 710054 5) 陕煤集团神木柠条塔矿业有限公司，神木 719300 6) 陕西涌鑫矿业有限责任公司，府谷 719400 7) 陕西小保当矿业有限公司，榆林 719302

煤矿区生态环境保护和提升是近年来研究的重点和热点[1-3]，而地表裂缝作为煤矿区最常见的一种矿山地质灾害，逐渐成为了国内外学者的研究焦点[4-5].采煤诱发的地表裂缝是覆岩运移和土体变形的耦合作用结果，其发生发育特征与采煤工艺、开采地质条件以及开采参数等密切相关[6].目前，在地表裂缝发育规律和形成机理方面取得了一定的研究成果.胡振琪等[7]揭示了风积沙区采煤地表裂缝超期发育和“M”型动态发育特征；徐祝贺等[8]研究了浅埋大采高工作面开采对地表损伤的影响，揭示了“双周期+双稳定”的地表裂缝动态发育规律；戴华阳等[9]揭示了神东矿区浅埋高强度开采工作面地表裂缝全生命周期活动特点；侯恩科等[10-11]利用无人机遥感影像成功获取了中埋深煤层开采地表裂缝平面展布特征，并对比了卫星遥感影像和无人机遥感影像在裂缝识别中的优缺点；Zhou 等[12]阐述了地表裂缝“M”型活动特征机理，其认为覆岩双关键层不同时序破断是控制地表裂缝发生“M”型活动的关键；王云广和郭文兵[13]从地表水平变形的角度推算出了土体变形“拉伸-压缩”定性分析了地表裂缝“开裂-闭合”的活动过程；陈超和胡振琪[14]总结了我国地表裂缝形成机理现状，分别阐述了不同类型裂缝的形成机理，并指出了研究方向.

榆神府矿区是陕北一个重要的原煤产地，煤炭资源储量丰富、含煤面积约27140 km2，煤层赋存稳定，地质构造相对简单，适宜规模化机械开采[15].近年来，榆神府矿区开采规模和强度越来越大，但该区地质环境脆弱，煤层开采地质条件变化较大、由南向北开采深度逐渐减小，且整体地貌由风沙滩地转变为黄土沟壑，致使采煤引起的矿山地质灾害相对显著，尤其是地表裂缝对区内生态环境和人居环境造成了巨大影响[16].因此，采煤地表裂缝成为了榆神府矿区塌陷治理和生态修复的重点关注对象.范立民等[17]在研究西部高强度采煤区地质灾害时，利用分维思想揭示了矿区内典型综采工作面上方地表裂缝展布规律；侯恩科等[18]以榆神府矿区内黄土沟壑区浅埋煤层开采诱发的地表裂缝为研究对象，揭示了不同位置地表裂缝的动态发育规律.王双明等[19]揭示了风沙滩地区中深埋开采地表裂缝对表生环境的影响，介绍了地表裂缝发育类型和扩展规律；刘辉等[20]利用薄板理论揭示了西部黄土沟壑区塌陷型裂缝的形成机理，认为关键层是控制塌陷型裂缝滞后发育的关键；黄庆享等[21]通过构建数值模拟和相似材料模拟实验，揭示了近距离浅埋煤层群错距开采“应力场”、“裂隙场”和“地表位移场”的三场耦合演化特征，阐述了裂缝发育规律的形成机理.郭文兵等[22]总结了西部高强度开采矿区开采沉陷特征，并提出了防控思路.

以上成果为采煤地表裂缝发育规律和形成机理的深入研究奠定了理论和技术基础.但对榆神府矿区不同开采地质条件下的采煤地表裂缝发育规律、动态扩展规律、裂缝活动演化规律及形成机制的集成性研究较少，缺乏对地表裂缝动态发育及裂缝活动机理的探讨.为全面揭示榆神府矿区不同开采地质条件下地表裂缝发育规律，阐明地表裂缝动态发育机理，继而为煤矿区地表裂缝治理和生态修复提供科学指导，笔者以极浅埋煤层开采、浅埋煤层开采和中深埋煤层开采的典型工作面为背景开展了关于地表裂缝的综合研究.

1 研究区典型工作面开采概况

由北向南分别选取了安山煤矿、柠条塔煤矿和小保当一号井（图1）的5 个典型开采工作面作为调查对象，对比研究不同开采地质条件下采煤地表裂缝发育规律，动态展布和裂缝活动规律.其中，125203 工作面位于安山煤矿是极浅埋煤层开采的典型工作面，工作面尺寸为 3152 m×270 m，开采5-2煤层，开采厚度2.0 m，最小开采深度20 m，位于工作面过菜沟段，平均推采速度为11.5 m·d-1，一次性采全高，地表起伏多变为典型的黄土沟壑地貌.S1230、N1212 和S12002 工作面为柠条塔煤矿浅埋煤层综采工作面，开采尺寸分别为4993 m×324 m，1965 m×170 m、3956 m×344 m，开采2-2煤层，开采厚度分别为6.5、4.8 和4.1 m，平均开采深度为181、178 和191 m，平均推采速度分别为9.0、8.0 和9.0 m·d-1，一次性采全高，全部垮落法管理顶板；N1212 工作面位于黄土沟壑区，S1230 和S12002工作面位于风沙滩地区.112201 工作面为小保当一号井首采面，工作面尺寸为4560 m×350 m，开采2-2煤层，采厚为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，全部垮落法管理顶板，地貌为风沙滩地.工作面参数见表1.

图1 研究区位置及地貌Fig.1 Location and geomorphology of the study area

表1 典型工作面开采参数表Table 1 Parameters of typical working faces

2 采煤地表裂缝发育特征及规律

2.1 采煤地表裂缝静态发育规律

（1）地表裂缝类型及组合形式.

裂缝调查结果显示：榆神府矿区内主要发育4 种类型的地表裂缝，分别是台阶型、挤压隆起型、滑动型和拉张型裂缝.裂缝之间存在2 种组合形式.

台阶型裂缝：形似“阶梯”，分为上、下台阶两部分，两台阶之间存在落差，一般情况下台阶朝向采空区（图2（a）），于黄土沟壑采区内大面积分布，风沙滩地工作面开采边界上方局部发育.

挤压隆起型裂缝：是地表受挤压作用形成的隆起，具有一定的隆起高度，受地形影响明显，主要分布在沟壑山间平台或者下坡面、坡脚位置（图2（b）），风沙滩地区基本不发育.

图2 地表裂缝类型及组合形式.(a)台阶状裂缝;(b)挤压隆起;(c)滑动裂缝I 型;(d)滑动裂缝II 型;(e) 拉张裂缝;(f) “集群”发育;(g)塌陷槽;(h) 平行并列组合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

滑动型裂缝：一般是采动过程中地表坡体不均匀下沉和坡体滑移共同造成的，一般具有滑移面，主要分布在黄土沟壑采煤区内.滑动型裂缝又分为“滑动I 型”和“滑动II 型”两种，其中“滑动I 型”一般发育在与回采方向相反的逆向坡体上，坡体滑移明显、裂缝宽度较大（图2（c））；“滑动II 型”一般发育在与回采方向相同的正向坡体上，高位区坡体在下沉和滑移的双重作用下“斜切”入低位坡体内，形成裂缝，一般裂缝宽度较小，具有“台阶”特征，朝向与回采方向相反（图2（d））.

拉张型裂缝：是地表受反向拉张力形成的，裂缝两侧无台阶、无落差，一般呈直线状和弧状，一定条件下会出现“集群”发育现象（图2（e）、图2（f））.主要发育于地形平坦区，柠条塔煤矿S1230工作面、S12002 工作面以及小保当一号井112201工作面采空区上方.

采煤地表裂缝的两种组合形式分别是“塌陷槽”和“平行并列组合式”.塌陷槽是由两条朝向相反的台阶状裂缝构成、形似槽状，两裂缝间水平距为塌陷槽宽度，多发育于开采边界上方地表（图2（g））；平行并列组合即相邻两条裂缝以近似平行的形式间隔分布，一般为面内地表裂缝的组合方式，且两条主裂缝之间间隔距离与基本顶周期来压步距基本一致（图2（h））.

（2）地表裂缝平面展布规律.

榆神府矿区采煤地表裂缝平面展布具有以下规律特点：①地表裂缝围绕采空区在地表上方的投影范围分布，且大于采空区范围；② 按照地表裂缝与工作面之间的位置关系可分为边界裂缝和面内裂缝，边界裂缝围绕工作面开采边界（切眼、巷道以及停采线）附近分布，面内裂缝则是平行并列的组合方式分布在采空区上方地表，相邻裂缝具有间隔；③地表裂缝平面展布范围、裂缝间距会随着工作面开采条件、工艺等因素的改变发生改变.裂缝平面展布如图3 所示.

图3 地表裂缝平面展布示意图Fig.3 Distribution map of surface cracks

（3）地表裂缝发育特征.

对调查得到的地表裂缝表征信息进行统计分析，图4 是地表裂缝宽度占比和落差占比柱状图.从图4（a）中可以看出，随着采深采厚比的增大，地表裂缝表现特征逐渐减弱，其中＜5 cm 宽度裂缝占比由64%提高至97%，整体呈升高态势；而5～10、10～12 以及＞20 cm 的裂缝宽度占比逐渐降低，当采深采厚比达到52 时，地表基本不发育10 cm 宽度以上的裂缝.图4（b）裂缝落差统计数据也表明了“随采深采厚比增大，地表裂缝整体表现特征减弱”这一静态发育规律.

图4 地表裂缝特征.(a)裂缝宽度占比;(b)裂缝落差高度占比Fig.4 Characteristics of surface cracks: (a) proportion of cracks with different widths;(b) proportion of cracks with different heights

分析认为：榆神府矿区采煤地表裂缝静态发育规律具有相对统一性和差异性，其中，地表裂缝平面展布具有相对统一性，边界裂缝基本都是围绕采空区边界呈“O”型圈分布，整体形态不会随着开采地质条件的变化而发生大的改变，面内裂缝则是以平行组合形式展布.地表裂缝静态发育规律的差异性主要表现在表征量随开采地质条件的改变，包括裂缝类型、组合形式、宽度以及落差高度等.

2.2 采煤地表裂缝动态发育规律

地表裂缝动态发育规律主要包括地表裂缝动态展布和活动两方面.前者注重描述裂缝产生位置与工作面回采位置之间的耦合关系，后者则是注重地表裂缝随回采展现的活动特征.本次以安山煤矿125203 工作面、柠条塔N1212 工作面和小保当一号井112201 工作面为地表裂缝动态发育规律调查区，采用“多重标记-定点测量”的方法对回采产生的地表裂缝位置及表征量（宽度、落差高度等）进行测量，数据如表2 所示.

表2 地表裂缝动态发育特征数据Table 2 Data of dynamic development characteristics of surface cracks

（1）地表裂缝动态展布规律.

工作面走向中线上地表裂缝会随着回采不断向前发育，且最前端新生裂缝与工作面回采位置有一定的对应关系.地表裂缝随工作面回采有3 种动态展布形式，分别是重合回采位置发育、超前回采位置发育和滞后回采位置发育，如图5 所示.由表3 可以看出，125203 工作面上走向中心线最前端新生地表裂缝与测量日工作面回采位置的水平距-5.7～3.69 m（正值代表超前、负值代表滞后），平均为-1.0 m，平均滞后角87.1°，基本属于重合回采位置扩展.N1212 工作面内裂缝超前扩展，超前距7～15 m，平均8.5 m，超前裂缝角为87.2°，呈高角度超前回采位置展布；112201 工作面地表被风沙覆盖，地形相对平坦无起伏.工作面走向中心线上地表裂缝滞后回采位置展布，滞后距10.11～59.36 m，平均滞后距30.14 m，滞后角为84.1°，呈较高角度滞后回采位置展布.

表3 工作面覆岩“两带”高度Table 3 Height of “two zone”

图5 地表裂缝动态展布示意图Fig.5 Dynamic expansion map of surface cracks

图6 是地表裂缝滞后距与采深采厚比之间的关系曲线.从图中可以看出，地表裂缝滞后距与采深采厚比之间满足多项式关系，函数表达式为y=0.0697x2-3.6283x+30.311，定性表明随着采深采厚比的增加，地表裂缝由重合回采位置发育逐渐变为至滞后回采位置发育.

图6 地表裂缝滞后距与采深采厚比关系Fig.6 Relationship between lag distance of surface fractures and mining depth-thickness ratio

（2）地表裂缝活动规律.

选取工作面内正向坡（坡向与回采方向相同）、反向坡裂缝（坡向与回采方向相反）、平坦区裂缝以及顺槽外边界裂缝进行活动监测.

反向坡裂缝随回采表现出“先开后合”的活动特征，即回采过程中地表裂缝宽度“先增大—再减小—后稳定”，裂缝活动时间3.0～5.0 d，随采深采厚比增大而增大，如图7（a）所示.

正向坡裂缝随回采表现出“只开不合”的活动规律，即回采过程中地表裂缝宽度持续增大至稳定，裂缝活动时间约4.0～7.0 d，一般情况下，采深采厚比越大，裂缝活动时间越长，且与坡体坡角、坡高等因素有关.此外，活动稳定后裂缝宽度约为裂缝初始开裂宽度的2 倍，如图7（b）所示.

图7 地表裂缝活动曲线.(a)面内反向坡裂缝;(b)面内正向坡裂缝;(c)面内平坦区裂缝;(d)顺槽边界裂缝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

面内平坦区域处的裂缝随回采表现出两种不同的活动特征，一种是“先开后合再开”型活动，即裂缝宽度随回采表现出“先增大—再减小—再增大—稳定”的活动特征，主要发育于125203 工作面内，裂缝活动时间约3.7 d，稳定后裂缝宽度大于初始开裂宽度，一般为最大开裂宽度的1/2.另一种是“先开后合”的活动特征，即裂缝宽度随回采呈现出先增大后减小然后稳定的变化特征，主要发生在N1212 工作面和112201 工作面内，裂缝平均活动时间约6.0～7.8 d，活动时间与采深采厚比基本呈正相关关系，如图7（c）所示.

发育在工作面巷道附近的边界裂缝只呈现出“只开不合”的活动规律，裂缝宽度随回采持续增大至稳定，平均活动时间7.0 d，活动规律与拉应力作用下的地表拉伸变形有关，如图7（d）所示.

3 采煤地表裂缝动态发育机理

3.1 采煤地表裂缝动态发育主控因素分析

地表裂缝形成及动态发育与覆岩破断及地表土体的移动变形密切相关[6].由覆岩裂隙直接发育至地表形成的地表裂缝和与覆岩裂隙贯通的地表裂缝受覆岩和地表岩土体双重控制，动态发育过程相对复杂.而发育在地表岩土体内部未与覆岩裂隙贯通的地表裂缝仅受地表岩土体移动变形的控制，其动态演化相对简单.因此，确定地表裂缝动态发育的主控因素是揭示其机理的前提.

以往研究表明，陕北煤矿区裂采比在18～28之间，一般情况下榆神府矿区裂采比取值为27[16].结合工作面开采参数计算得出，安山煤矿125203工作面、柠条塔煤矿N1212 工作面和小保当一号井112201 工作面覆岩“两带”发育高度分别为54.0、129.6 和156.6 m，其中125203 工作面沟底区域剩余岩土厚度为-34.0 m，即覆岩裂隙直接导通地表.N1212 工作面覆岩“两带”切穿基岩层发育至土层内，破坏了土体结构，但未导通至地表，剩余岩土厚度（“两带”发育顶界至地表的厚度）为48.4 m.112201 工作面覆岩“两带”未切穿基岩层，地表裂缝于表土层中发育，不与覆岩裂隙贯通，剩余厚度为145.4 m（表3）.因此，确定125203 工作面沟底平坦区地表裂缝是覆岩裂隙直接导通地表形成的，其动态发育受覆岩运移的直接控制；N1212 工作面和112201 工作面地表裂缝是由地表岩土体移动变形产生，其动态发育受地表岩土体的移动变形控制.地表裂缝形成机理示意如图8 所示.

图8 地表裂缝形成机理示意图Fig.8 Model diagram of the formation mechanism of surface cracks

3.2 采煤地表裂缝动态发育机理

（1）面内地表裂缝动态发育机理

从采煤地表裂缝动态发育主控因素分析内容可知，125203 工作面地表裂缝是覆岩裂隙导通地表形成的，地表裂缝活动受覆岩运移直接控制，地表裂缝重合回采位置发育也间接说明了这一点.在结合前人研究的基础上[8,23-24]，笔者构建了125203 工作面（极浅埋煤层开采）地表裂缝动态演化模型（图9）.从图中可以看出，随着工作面开采覆岩不断向前发生移动破坏，岩块不断发生开裂.当工作面回采至块体2 下方，块体2 发生断裂形成斜台阶岩梁结构并在与块体3 的连接处形成裂缝L2，且随工作面推进裂缝L2宽度增大；当工作面推进至块体3 下方，块体3 发生断裂形成斜台阶岩梁，块体前端与块体4 的连接处形成裂缝L3，块体末端发生顺向转动，加之块体2 发生倒转，L2裂缝发生挤压，宽度减小甚至发生闭合.当工作面再次推采，块体4 重复块体2 和块体3 的运动，形成斜台阶岩梁，块体3 发生倒转，裂缝L2再次张开宽度增大.随着工作面继续推采，采空区被逐渐压实，块体2 和块体3 逐渐稳定，裂缝L2宽度不再变化.随工作面不断推进，后续岩体不断重复块体2 和块体3 运动，新地表裂缝不断向前发育，且重复“先开后合再开”的活动.

图9 125203 工作面面内地表裂缝动态发育模型Fig.9 Dynamic evolution model of surface cracks in the 125203 working face

N1212 工作面（浅埋煤层开采）和112201 工作面开采（中深埋煤层开采）地表裂缝是表土拉伸变形产生，不与覆岩裂隙沟通，直接受控于地表岩土体移动变形.在以往研究基础上[7]，构建了地表裂缝活动模型（图10）.当工作面回采至位置I 时，地表下沉处于“I”状态，并在下沉曲率达到地表极限处形成地表裂缝C1.随着工作面推进至位置II 时，地表下沉处于“II”状态，下沉盆地逐渐扩大，地表水平移动和变形增大，C1裂缝宽度逐渐增大至最大值；当工作面回采至位置III 时，C1裂缝处地表逐渐成为下沉盆地中央，地表由拉神变形逐渐转化压缩变形，C1裂缝宽度开始减小甚至闭合，随着工作面不断推进，地表下沉趋于稳定，C1裂缝宽度不再发生变化.随工作面回采，工作面上方地表不断发育新生的地表裂缝且重复C1裂缝活动规律，裂缝宽度表现出“先增大后减小”的变化特征.

图10 N1212 工作面和112201 工作面地表裂缝动态发育模型Fig.10 Dynamic evolution model of surface cracks in the N1212 working face and the 110201 working face

以上构建的地表裂缝动态发育模型阐明了工作面内平坦区域地表裂缝的活动机理，而发育在面内斜坡位置的地表裂缝活动则与采动附加的坡体滑移有关的.通过对斜坡裂缝活动分析和以往研究基础上[25]，构建了面内斜坡裂缝活动模型（图11），定性阐述了面内正向坡裂缝和反向坡裂缝的活动机理.

图11 面内斜坡裂缝动态发育模型Fig.11 Dynamic evolution model of surface cracks in a slope

以裂缝XL1为对象，阐述正向坡裂缝活动机理.当工作面回采至A 处，采空区上地表移动变形超过岩土体极限，裂缝XL1开始出现；随着工作面不断回采，采空区中心发生前移，A—B 上方岩土体发生下沉（下沉量W1）向斜下方发生滑移（滑移量S1），坡体滑移会使裂缝XL1处地表沿回采方向产生附加的水平位移（u1），致使裂缝XL1宽度持续增加.因此，正向坡裂缝出现“只开不合”的活动特征.

以裂缝XL3为对象，阐述反向坡裂缝活动机理.当工作面回采至D 处时，其上方地表岩土体逆回采方向移动，产生裂缝XL3.随工作面回采，裂缝XL3在逆回采方向水平移动和其下方岩土体滑移作用下持续增大；工作面回采至E 位置时，其上方裂缝XL4开始发育，D—E 上方的岩土体发生下沉（下沉量W2）逆回采方向的滑移（滑移量S2），产生附加水平位移（u2），致使裂缝XL3受到挤压，宽度减小乃至闭合.因此，反向坡裂缝出现“先开后合”的活动特征.

（2）边界裂缝动态发育机理

针对边界裂缝而言，由于位于下沉盆地边缘的地表始终处于拉伸状态，无“拉伸-压缩”移动变形转化过程，故在裂缝发育后，拉伸作用使裂缝宽度逐渐增大，而后随着下沉盆地的稳定而稳定，如图10 的C2裂缝.

综上，采煤地表裂缝动态发育是一个复杂的“岩-土”耦合运移过程，受多重因素控制，不仅与采厚、采深、地表岩土体性质以及地形地貌有关，还应与控制地表移动的关键层运移特征、结构演化以及活动空间大小等有关.因地下覆岩运移和结构演化无法进行实测，所以地表裂缝发育机理是通过地质结构概化分析和理论推导得出，为全面揭示采煤地表裂缝动态发育的动力学过程奠定基础.

4 结论

（1）榆神矿区地表裂缝分为台阶型、挤压隆起型、滑动型和拉张型4 种类型以及塌陷槽、平行并列2 种组合方式.地表裂缝表现特征与采深采厚比呈负相关关系，即随着采深采厚比的增大地表裂缝表现特征逐渐减弱，对土地损害程度也随之降低.

（2）通过调查揭示了极浅埋煤层、浅埋煤层开采以及中深埋煤层开采地表裂缝超前、滞后动态展布规律，裂缝发育滞后距与采深采厚比之间满足一元二次函数关系；揭示了边界裂缝、面内正向坡裂缝“只开不合”，面内反向坡裂缝“先开后合”以及面内平坦区裂缝“先开后合再开”和“先开后合”的裂缝活动特征.

（3）地表裂缝动态发育与覆岩运移和地表移动变形双重因素有关.通过构建地表裂缝动态发育模型分别阐述了受覆岩运移控制的面内地表裂缝“先开后合再开”活动机理和受地表移动变形控制的“先开后合”活动机理；通过构建斜坡地表裂缝动态发育模型，定性揭示了坡体滑移对斜坡裂缝活动的影响机理，为全面揭示采煤地表裂缝动态发育的动力学过程奠定了基础.