浅埋煤层过沟开采地表裂缝动态发育规律研究.pdf

为研究煤层在过沟开采时地表裂缝在不同位置的动态演化规律，以陕北某矿1 4 2 1 0 工作面为原型，运用相似材料模拟实验并结合VIC-3D系统研究了地表裂缝的发育特征。研究结果显示：沟谷处地表裂缝发育宽度先增大再急速减少最终闭合；左侧坡面与右侧坡面地表裂缝发育宽度先增大后小幅减少再趋于稳定；根据其发育位置与应变变化将地表裂缝分为左侧坡面张拉地表裂缝、沟谷挤压地表裂缝及右侧坡面张拉地表裂缝3 类。通过对1 4 2 1 0 工作面过沟开采进行安全性预测可知：在过沟开采期间导致乌兰不拉沟泉水涌入工作面的因素大致分为裂缝宽度、裂缝分布密度、沟中水位、工作面推进速度4 个因素。关键词：过沟开采；地表裂缝；VIC-3D系统；动态演化规律；覆岩应变中图分类号：TD325文献标志码：A文章编号：1 0 0 3-4 9 6 X(2023)08-0136-07Study on dynamic development of surface fractures in shallow coal seam miningg through gullyJIANG Yuquan,SUN Xueyang,YAO Xing,WANG Zhijie,JIA Shaojie,AN Ning(1.Shaanxi Institute of Coal Geology Exploration Co.,Ltd.,Xian 710021,China;2.College of Geology and Environment,Xian University of Science and Technology,Xian 710054,China;3.Shenzhen ETO Information Co.,Ltd.,Shenzhen 518000,China;4.Gansu Institute of Engineering Geology,Lanzhou 730000,China)Abstract:In order to study the dynamic evolution law of surface fractures in different positions when coal seam is mined througha gully,the development characteristics of surface fractures are studied by using similar material simulation experiment and VIC-3D system,taking 14210 working face of a mine in northern Shaanxi Province as the prototype.The results show that the width ofsurface cracks in the gully increases first,then decreases rapidly and finally closes.The width of surface cracks on the left slopeand the right slope increased first,then decreased slightly,and then tended to be stable.According to their development locationand strain changes,the surface fractures can be divided into three categories:left slope tension surface fracture,gully compressionsurface fracture and right slope tension surface fracture.Based on the safety prediction of 14210 working face mining through gul-ly,it can be seen that the factors leading to Wulanbulagou spring water flooding into the working face during mining through thegully can be roughly divided into four factors:crack width,crack distribution density,water level in gully and advancing speed ofworkingface.Key words:mining through gully;surface fractures;VIC-3D system;law of dynamic evolution;overburden rock strain天然岩体含有大量的裂隙、节理、断裂等结构面，在外力作用下，其内部常沿弱面继续开裂、扩展，最终导致岩体破坏失稳 1-2 。采煤引起的地表裂缝是煤矿区最为常见的1 种土地破坏形式，其诱发的耕地退化、水土资源流失等问题制约着煤矿的绿色可持续发展 3-4 。相似材料模型实验周期短、结果可靠、实验结果直观，可较好地再现采场岩体裂隙的形成过程和分布状态 5。VIC-3D(非接触全场应变收稿日期：2 0 2 2-0 6-0 2责任编辑：朱蕾作者简介：姜钰泉（1 9 9 4 一），男，陕西西安人，工程师，硕士，从事生态修复及地质灾害防治方面工作。E-mail:137Safety in Coal Mines2023年8 月Aug.2023煤砺发全Vol.54No.8第8 期第54 卷测试系统）系统利用数字图像相关技术（DIC，即Digital Image Correlation)为实验提供二维、三维空间内全视野的形貌、位移及应变数据测量 6-7。已广泛应用于缺陷材料的断裂过程及一些土木工程实验1 8-1 。以往众多学者从机理、结构等方面对矿区开采引起的地裂缝进行了深人分析。吴侃等 1 2 利用相似材料模拟实验通过分析地表裂缝发育宽度和深度的关系对裂缝的动态发育进行了预计；朱川曲等 1 3 基于采动附加应力及土层强度等理论建立了采动作用下地表裂缝的力学模型；但两者仅从数学模型探讨了地表裂缝发育深度，进而判断地表裂缝的发育情况；王军等 1 4 通过在上湾煤矿51 1 0 1 工作面进行现场地表移动实地监测对薄基岩浅埋深煤层下开采地表动态移动特征进行研究，得出了开采引起的地表裂缝形态及闭合的原因进行了一定的分析，但该方法耗时且针对性有限；黄庆享等 1 5-1 6 运用相似材料模拟与数值模拟揭示了浅埋煤层群覆岩与地表裂隙发育规律和形成机理，建立了浅埋煤层群开采的煤柱群集中应力和地裂缝控制模型，但该方法仅关注浅埋煤层群开采形成的覆岩机理；侯恩科等 1 7 运用PFC3D数值模拟软件对于浅埋双煤层斜交开采地表裂缝发育特征进行描述，但仅利用数值模拟未能完全说明地表裂缝的发育机理；王庆雄等 1 8 就哈拉沟煤矿过沟开采情况提出了薄基岩浅埋煤层过沟安全开采技术，为神东矿区类似条件下开采前的布设提供参考和借鉴；罗利卜等 1 9 以霍洛湾煤矿2 2 2 0 6 工作面顺沟开采为背景，对煤矿顺沟开采过程中突水溃砂灾害发生的可能性进行分析，但未能说明浅埋薄基岩顺沟开采的分布特点。鉴于以上研究，本研究首先通过相似材料模拟实验研究了地表裂缝发育规律，并采用VIC-3D系统对开采覆岩应变特征进行了验证；基于该特征对地表裂缝的类型进行了归纳，并对陕北某矿1 4 2 1 0工作面过沟开采进行了安全性预测1工作面基本情况1.1工作面概况陕北某矿1 4 2 1 0 工作面位于井田中部，地貌属风沙滩地区，工作面走向南北向，与乌兰布拉沟大致呈6 0 夹角，研究区工作面位置如图1。14210工作面回采范围内煤层厚度2.8 7 3.9 2m，平均煤厚3.57 m，含1 3 层夹研，合计厚0.2 0.55m。1 4 2 1 0 面过沟段，沟谷内4-煤厚近3 m，上覆新鲜基岩厚约1 6.6 5m，风化基岩厚约5.1 m，风4-2煤火烧边界线14209工作面拉布14210工作面过沟段2019年1 0 月，460乌14214工作面图1研究区工作面位置Fig.1Location of working face in the research area化基岩之上分布有厚1.2 2.5m的松散沙土层。4-2煤顶板新鲜基岩厚度1 6.6 5 51 m，最厚处位于工作面北部，过沟处新鲜基岩仅有1 6.6 5m，新鲜基岩之上为风化基岩或3-1 煤烧变岩，上覆松散层厚度0 8 0 m。1.2开拓状况工作面走向长度约3 4 0 0 m，倾向长约3 0 0 m，由运输巷、辅助运输巷及回风巷3 条巷道组成，设计生产量50 7 万t，综合机械化采煤方法，开采煤层为4-2煤层，顶板管理方法为自然垮落法。工作面底板高程1 1 0 0 1 1 3 0 m，该面东侧为1 4 2 0 9 工作面，西侧为1 4 2 1 4 工作面，煤层露头线、火烧边界线位于工作面东南侧方向。2相似材料模拟试验本次试验以该矿1 4 2 1 0 工作面地质条件为研究对象，模拟回采1 4 2 1 0 工作面过沟开采地表沉陷情况及地表裂缝宽度发育情况。煤岩层力学参数见表1。1 4 2 1 0 工作面过沟段，沟谷内4-2 煤厚平均3 m，上覆新鲜基岩厚平均1 6.6 5m，风化基岩厚平均5.1m，风化基岩之上分布有厚1.2 2.5m的松散沙土层。模型选取河沙为骨料，石膏和大白粉为胶结料按不同配比模拟不同的基岩，以云母粉模拟基层层面。土：沙：油=4.5:4.5:1 的配比模拟上覆红土层。模型的几何尺寸4 0 0 0 mm1010mm200mm（长高宽），几何相似比1:1 0 0，二维平面实验模型如图2。工作面模拟从左至右开挖，步距为1 0 m，采高为3.7m，回采开挖3 4 次，共推进3 4 0 m。此试验采用NTS-341R10A型全站仪进行点式测量。从模型下方到上方依次布置5排测点，共设1 4 2 个测点，模型两侧各留3 0 m煤柱。全站仪与VIC-3D系统同步观测，全站仪在模型前方，VIC-3D在模型后方。VIC-3D系统的安装参照文献 2 0 。.138.Safety in Coal MinesAug.20232023年8 月No.8煤防岁全Vol.54第54 卷第8 期表1 煤岩层物理力学参数Table 1Physical and mechanical parameters of coalrocks密度/体积 剪切黏聚内摩抗拉层厚/地层(kg:模量/模量/力/擦角/强度/mm)GPaGPaMPa（）MPa风积沙6.972.1830.262 0.3320.0035.000.000红土5.002.5600.121 0.1030.0231.000.001泥岩2.002.6506.210 2.7100.8015.00 0.150细粒砂岩9.702.7506.2102.7100.8015.000.150粉砂岩2.402.7306.2103.5202.5038.130.870细粒砂岩2.442.7505.6703.1202.4038.650.870粉砂岩1.302.7306.2103.5202.5038.130.870细粒砂岩6.762.6300.1800.4801.2039.11 0.2203-煤2.622.6506.2103.5202.1138.800.780细粒砂岩4.282.7508.3705.9603.6638.690.650泥岩9.502.6506.2103.5202.1138.800.780粉砂岩23.002.7305.670 3.1203.1339.301.750粉砂岩3.0027300.1800.4801.1637.000.2404-2煤3.702.7605.8204.8803.6637.501.090细粒砂岩5.102.7506.2103.5202.6440.401.240粉砂岩15.452.7306.2103.5202.5038.130.870岩性层厚/m风积沙7红土5泥岩2细粒砂岩10粉砂岩2细粒砂岩2粉砂岩1细粒砂岩73-煤3细粒砂岩4泥10粉砂君23粉砂岩34-2煤4细粒砂岩2图2 二维平面实验模型Fig.2Two-dimensional experimental model34-2煤地表裂缝发育规律模拟开挖结束后，试验共发育2 0 条地表裂缝，记为T1T20。其中在沟谷左侧坡面处共发育8 条地表裂缝，裂缝间距分别为1 2、8、1 3、1 4、2 8、6、9 m；在沟谷中心发育5条地表裂缝，裂缝间距分别为7、8、6、8 m；在沟谷右侧坡面处共发育7 条地表裂缝，裂缝间距分别为1 2、8、2 7、1 2、1 1、1 0 m。地表裂缝宽度的变化随工作面的不断推进产生不同的动态变化。地表裂缝动态发育过程如图3，地表裂缝如图4。一T4地表裂缝1.0一T10地表裂缝一T17地表裂缝0.80.60.40.2130160180200220240260280300320340工作面推进距离/m（a）地表裂缝宽度态发育过程图1.6斤1.41.2/1.00.80.60.40.2210220240260280 300320340工作面推进距离/m（h）T 1 0 隆起高度图T4地表裂缝1.8+T17地表裂缝1.61.4/1.21.00.80.60.40.2Q130160180200220240260280300320340工作面推进距离/m（c）T 4 与T17台阶高度图3地表裂缝动态发育过程Fig.3Dynamic development process of surface fractures由图3 可知：沟谷处T10裂缝发育宽度先增大后急速减少，直至闭合（图3（a）；而后随着工作面向前推进该处受挤压应力作用发生地面隆起，隆起高度高达1.5m（图3(b）;左侧坡面处T4地表裂缝发育宽度呈现出先增大后减少最后趋于稳定的状态，裂缝宽度稳定在0.8 m，地表裂缝形成错落台阶，台阶高度1.6 m（图3（c）；右侧坡面处T17地表裂缝发育宽度呈现出先增大后减小，采掘完成后宽度稳定在0.2 m；形成相对于左侧坡面反向的错落139SafetyinCoalMines2023年8 月Aug.2023煤砺发全Vol.54No.8第8 期第54 卷T1O地表裂缝T4地表裂缝T17地表裂缝地表裂缝图4 地表裂缝Fig.4Surfacefractures台阶，台阶高度为0.7 m（图3（c）。通过对左坡面、沟谷、右坡面裂缝宽度的纵向对比，1 4 2 1 0 工作面过沟开采分析成果如下：上坡方向开采形成正向台错落阶型裂缝，下坡开采形成反向错落台阶型裂缝；下坡方向产生的地表裂缝条数明显大于上坡开采；一般坡体上的裂缝较集中，沟谷处的裂缝较少，间距小。4基于VIC-3D系统的覆岩应变分析4.1沟谷处地表裂缝应变分析煤层开采过程中，由于采动的影响，上部覆岩垮落并产生裂隙，裂隙不断向上发育产生地表裂缝，地表裂缝随着工作面的不断向前推进，会产生不同的变化。沟谷底部T10地表裂缝在煤层开挖至1 8 0、200、2 2 0 m 时地表裂缝下部岩体应变过程如图5。TIO地表裂缝T10地表裂缝T10地表裂缝0.0240.0640.0030.0600.0400.0280.0520.0640.0560.0360.0280.0600.0400.0240.0480.0440.0320.0560.0360.0320.0520.0400.0360.0480.0520.0160.0560.0400.0440.0600.0640.0360.040.0.0440.0360.0320.048(a)推进1 8 0 m(h)推进2 0 0 m(c)推进2 2 0 m图5T10地表裂缝下部覆岩应变变化过程Fig.5Ti0 strain variation process of overburden under surface fracture由图5可知：当煤层开挖至1 8 0 m时，煤层开采位置移动至沟谷右侧，裂缝下部覆岩受张拉应力影响，裂缝宽度增加，此时T10下部覆岩的应变值为0.064（图5（a）；当煤层开挖至2 0 0 m时，煤层开采位置位于沟谷下部，此时张拉应力影响变大，裂缝宽度达到最大，T10下部覆岩的应变值增大为0.065（图5（b）；当煤层开挖至2 2 0 m，煤层开采位置位于T10左侧，过沟后张拉应力消失，挤压应力增大，下部覆岩的应变值减少至0.0 56（图5（c）；而后随着工作面继续向前推进，煤层开挖位置进一步远离T10，挤压应力进一步增大，下部覆岩应变值也减小。可以得出：当未过沟时，裂缝受张拉应力，下部岩体应变增大，裂缝宽也随之增大，过沟时达到最大；过沟后，张拉应力变为挤压，下部覆岩应变减少，地表裂缝呈现出闭合后隆起的状态。4.2左侧坡面（下坡方向）地表裂缝应变分析左侧坡面地表裂缝T4在煤层开挖至1 6 0、1 8 0、200m时对应下部覆岩应变发育过程如图6。由图6 可知：当工作面推进至1 6 0 m时，T4地表裂缝下部覆岩由于受到张拉应力作用，开始产生变形，应变值为0.0 1 4（图6（a）,形成正向错落台阶；当工作面推进至1 8 0 m时，步距增加，煤壁的支撑应力减少，张拉应力不断增加，应变值增大为0.066（图6（b）；当工作面推进至2 0 0 m时，采空区被压实，应变稳定在0.0 1 2(图6(c）。可以得出：左侧坡面地表裂缝下部覆岩应变呈现出先增加再减少的过程，相对应的地表裂缝发育过程为裂缝宽度先增大后减少，并形成较大的正向错落台阶，最后稳定的过程。4.3右侧坡面（上坡方向)地表裂缝应变分析T17地表裂缝下部覆岩应变变化过程如图7。140.SafetyinCoal MinesAug.20232023年8 月No.8Vol.54煤砺发全第54 卷第8 期114地表製缝T4地表裂缝0.0140.0180.0120.0180.0360.0320.0640.0400.0520.0440.0400.0440.0240.0480.0360.0160.0160.0480.04440.0320.028.0.0200.032.0.0280.0200.0520.028:0.0200.0200.0400.0240.0160.0160.0240.0200.0200.0600.0280.0280.0560.0320.0320.0360.036(a）推进1 6 0 m(b)推进1 8 0 m(c）推进2 0 0 m图6 T4地表裂缝下部覆岩应变变化过程Fig.6T4 strain variation process of overburden under surface fractureT17地表裂缝T17地表裂缝地表型0 0 4 00.0640.0400.0400.0360.0360.0360.0320.0280.0240.0320.0320.0280.0320.0360.0240.0160.0280.0360.0200.0240.0200.0200.0160.0200.0160.0160.0240.0240.0280.028(a)推进2 7 0 m(b)推进2 9 0 m(c）推进3 1 0 m图7 T17地表裂缝下部覆岩应变变化过程Fig.7T17 strain variation process of overburden under surface fracture由图7 可知：当工作面推进至2 7 0 m时，T17地表裂缝下部覆岩由于受到剧烈的张拉应力作用，产生变形，应变值为0.0 6 4（图7(a)）,地表呈现出与左侧坡面方向相反的错落台阶；当工作面推进至2 9 0m时，此时覆岩下部煤层采掘位置经过T17地表裂缝，T17地表裂缝下部覆岩应变张拉应力降低，应变开始减少为0.0 4 0（图7（b）；当工作面推进至3 1 0m时，此时煤层已达到充分采动，裂缝下部覆岩应变值稳定在0.0 4 0(图7(c)。可以得出：右侧坡面地表裂缝下部覆岩应变呈现出先增加在减少，而后达到稳定的状态，相对应的地表裂缝发育过程为裂缝宽度先增大，后减少进而稳定，形成错落台阶。5地表裂缝的分类地表裂缝分区图如图8。根据相似材料模拟实验结果与VIC-3D分析结果，大致可将T1T20裂缝分为3 大类，分别为：T1T8的左侧坡面张拉地表裂缝,T9T13的沟谷挤压地表裂缝，T14-T20的右侧坡面张拉地表裂缝。结合上述分析，左侧坡面地表裂缝与右侧坡面地表裂缝均为张拉应力下产生的地表裂缝，但左侧坡面由于开采不充分，无论是从地表裂缝宽度与产生的错台高度平均都要大于右侧坡面地表裂缝宽度，即下坡方向产生的裂缝明显大于上坡方向。中间沟谷底部段则是由挤压应力所产生的隆起6安全性分析根据类似条件下开采经验及已有研究成果，结合实际开采地质条件，对1 4 2 1 0 工作面过沟开采进行安全性预测。在过沟开采期间，会导致乌兰不拉沟泉水涌人工作面的因素大致分为4 个因素，分别是裂缝的宽度、裂缝分布密度、沟中水位、工作面推进速度。1)裂缝的宽度。在左右坡面地表裂缝发育宽度大，特别是开切眼处形成的裂缝与停采线处形成的141：SafetyinCoal Mines2023年8 月Aug.2023煤防发全Vol.54No.8第8 期第54 卷TIT8地表裂缝T9T13地表裂缝T14T20地表裂缝6n7m6m5m8m75m2m3ml4ml28m9m2m8m8ml2mm110m下坡向上坡向沟底挤石玻面左玻面张拉裂缝压裂缝张拉裂缝图8地表裂缝分区图Fig.8Surface fracture partition diagram地表裂缝，地表降水会沿着坡面裂缝宽度较大处通过导水裂隙进人工作面。2)裂缝分布密度。沟谷裂缝密度较左右坡面裂缝发育密度较小，且沟谷处裂缝受挤压应力裂缝会闭合，而坡面处裂缝受张拉应力，坡面易导水。3)沟中水位。沟中水位也会直接影响到工作面的安全性。在枯水期,水位未上升到坡面，不会对工作面开采造成较大影响。而到了丰水期，水位上涨后，水会顺着坡面张拉裂缝进人工作面影响井下安全。4)工作面推进速度：在保证工程质量的前提下，在坡面处应加快推进速度，沟底处因常年有水，应放缓推进速度，可采用注浆固结上覆松散沙层，增加了基岩厚度，减小了松散层厚度，减弱了导水通道的发育。7结语1)地表裂缝宽度的变化主要与地形与及岩体变形产生的应变有关。沟谷处地表裂缝发育宽度先增大后急速减少，最终闭合并逐渐隆起；左侧坡面地表裂缝与右侧坡面地表裂缝发育宽度均为先增大后再趋于稳定，并形成错落台阶。通过VIC-3D系统对其模型应变的分析结果可知：在左侧坡面、沟谷底部、右侧坡面的地表裂缝宽度发育规律与其下部覆岩的应变变化相吻合。24-2煤开采共发育2 0 条地表裂缝，其根据位置与应变变化大致可分为左侧坡面张拉地表裂缝、沟谷挤压地表裂缝、右侧坡面张拉地表裂缝3 类。3)对1 4 2 1 0 工作面过沟开采进行安全性预测。在过沟开采期间，会导致乌兰不拉沟泉水涌人工作面的因素大致分为4 个因素，分别是裂缝的宽度、裂缝分布密度、沟中水位、工作面推进速度。参考文献(References):1 张舒.基于数字图像技术研究类岩石材料中有序多裂纹起裂、扩展和连接的机理 D.重庆：重庆大学,2 0 1 6.2刘非男.基于数字图像技术对软、硬岩石中多裂纹起裂、扩展和连接机理的研究 D.重庆：重庆大学,2 0 1 6.3范立民，马雄德，李永红，等.西部高强度采煤区矿山地质灾害现状与防控技术 J.煤炭学报，2 0 1 7，4 2(2):276-285.FAN Limin,MA Xiongde,LI Yonghong,et al.Geologi-cal disasters and control technology in high intensitymining area of western ChinaJ.Journal of China 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