沟谷区浅埋煤层覆岩破坏特征及地面裂缝发育规律

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摘要：摘 要：沟谷区浅埋煤层开采覆岩损害特征不仅受覆岩结构影响，同时受地形地貌特征影响。为进一步研究浅埋煤层过沟开采时覆岩运动及损害机理，以陕北浅埋煤层区某矿14210工作面为研究对象，通过建立物理相似材料模型，利用人工测量、变形监测、数据分析等方法

　　摘 要：沟谷区浅埋煤层开采覆岩损害特征不仅受覆岩结构影响，同时受地形地貌特征影响。为进一步研究浅埋煤层过沟开采时覆岩运动及损害机理，以陕北浅埋煤层区某矿14210工作面为研究对象，通过建立物理相似材料模型，利用人工测量、变形监测、数据分析等方法，研究沟谷区浅埋煤层开采覆岩破坏规律及地表裂缝形成机理。结果表明：煤层覆岩沉降值曲线在垂向上具有向下继承性，顶板周期性垮落后沉降曲线呈“U”型，沉降值变化速率大的“U”型两侧区域纵向裂隙发育，周期性垮落体边界与自然平衡拱结构基本吻合，并周期性向前发展;地表裂缝可根据坡向与煤层采动方向的关系分为顺向坡推挤裂縫、逆向坡拉张裂缝和沟底隆起3种类型，不同类型裂缝具有不同的动态发育规律。研究成果为沟谷区浅埋煤层开采覆岩及地表损害预测提供了理论基础，对浅埋煤层过沟开采可能因覆岩及地表损害引起的矿井水害防治具有重要意义。

　　关键词：浅埋煤层;沟谷;覆岩破坏;地表裂缝

　　引 言

　　采矿过程中煤层上覆岩体的稳定性与破坏特征是控制地下水运移及地面沉陷等问题的主要因素[1-3]，煤层覆岩稳定性及采动破坏规律的研究，是矿山开采与灾害防治领域的一项重要研究内容。一般煤层上覆岩体的稳定性及破坏规律主要受关键层结构控制，覆岩裂隙在空间上呈“下方上圆”的“类梯形台”形态[4-5]。在一些浅埋煤层区，煤层上覆岩层的扰动破坏规律还受埋藏深度及地表地形地貌的影响[6-8]。

　　关于浅埋深及地形地貌对煤层覆岩破断规律的研究，近年来国内外学者对此做了大量工作。浅埋煤层由于埋藏深度浅，煤层顶板破断规律受地形地貌影响的同时，顶板破断对地面沉陷及裂缝的产生也有明显的影响[9-12]。黄庆享，侯忠杰等人在明确了浅埋煤层的基本含义的基础上，对煤层顶板周期垮落规律及上覆松散层厚度对覆岩破断的影响进行了研究，得出厚松散层对关键层层位及顶板破断规律影响明显，主要表现为整体切落破坏，破坏形式较为剧烈[13-17]。地形地貌对煤层顶板垮落规律的影响在沟谷地区较为显著，由于关键层受剥蚀而部分缺失，因此，不同区段覆岩破坏形式差异较大[18-21]。王方田，赵杰等对不同地形地貌条件下的煤层覆岩垮落特征进行了研究，得出沟谷地貌条件下沟谷坡体运动载荷比正常开采时明显增大[22-24]。许家林，张志强等在分析了地形对煤层顶板影响的基础上，得出沟谷坡角的大小对覆岩破断后的运动特征也具有明显的影响[25-27]。综上所述，沟谷区的浅埋煤层由于上覆载荷的不均一性，使得覆岩破坏规律与普通浅埋煤层不同，而且由于其受到剥蚀作用明显，岩体的破坏形式及裂缝发育规律与地表次生灾害之间具有更强烈的联系。但以往大家对沟谷区浅埋煤层覆岩破坏的研究重点都在对工作面矿压的影响上，而对覆岩的破坏规律及与地面裂缝特征之间的研究偏少，因此，文中拟通过室内物理相似材料模拟与综合分析的方法对其进行研究和分析，得到浅埋煤层过沟开采时的煤层覆岩破坏特征与地表裂缝发育规律。

　　1 地质特征

　　陕北某矿14210工作面倾向长297 m，走向长3 230 m，埋深22.0～160.3 m，采用长壁综采，自然垮落法顶板管理。主采的4-2煤层结构简单，向西北缓倾，倾角1.1%～1.5%，可近似看作水平煤层，煤层平均厚度3.70 m。地表一沟谷横穿工作面区域，工作面走向与与河谷流向呈60°夹角，沟谷剖面形态呈“U”形，谷底煤层埋深约22 m，基岩出露，与两侧坡体落差约70 m。4-2煤层上部的3-1煤层平均厚度2.6 m，在该区段内均已火烧。工作面内揭露地层由老至新依次为侏罗系中统延安组(J2y)、新近系上新统保德组(N2b)、第四系中更新统离石组(Q2l)、上更新统萨拉乌苏组(Q3s)、及地表风积沙(Qeol4)(图1)。

　　2 物理模拟实验

　　2.1 模型建立

　　根据重力相似准则与实验需求，确定模型几何相似比KL=1∶100，重度相似比Kγ=2∶3，时间相似比Kt=K0.5L= 1∶10，模型为一“U”形沟谷地形，设计尺寸长×宽×高(最高处)为400 cm×20 cm×101 cm。煤岩各层均沿水平方向铺设，层间以云母粉间隔，模拟岩层层理，模型仅考虑自重，无外加荷载。模型材料主要为河沙、大白粉、碳酸钙、石膏和云母，选取合理配比进行模型搭建(图2)。煤系地层物理力学参数见表1。

　　为测量采动引起的地表下沉变化情况，模型风干后在其顶面非等间距设置10个百分表测量点，测量点间距与地形变化程度呈反比，间距20～40 cm。为测量采动引起的煤层覆岩变化特征，在模型正面共设置5排142个编码监测点，底部3排纵向间距10 cm，横向间距在沟谷区域为10 cm，两侧坡体区域为15 cm，顶部地表监测点横向间距与其他行一致，纵向与地表起伏保持一致，与地面距离1 cm。利用全站仪对编码监测点的位移进行监测和记录。

　　2.2 实验分析

　　模型两端各留设30 cm煤柱，按照时间相似比从左向右循环开采，模拟开采4-2煤层，开采总长度340 cm，相当于原型长度340 m。为叙述方便，下文以原型实际数值描述开采现象。

　　当工作面推采至44 m时，覆岩出现层间裂隙，老顶初次垮落，破断岩体沿煤壁切落，形成“单斜岩块”结构(图3(a))。

　　工作面持续推进，直接顶板随采随落，覆岩悬顶面积逐渐增大，离层空间向上移动，当工作面推采至53 m时，覆岩顶悬露面积达到破断极限，发生周期垮落，周期垮落步距9 m(图3(b));当工作面推采至107 m时，基岩老顶发生第5次周期垮落，基岩裂隙发育至地表，形成贯通裂隙，由于岩体下沉，在地表形成错台裂缝(图3(c));随着覆岩周期性垮落，基岩裂隙与地表裂缝基本同步发育，但发育初期，二者并不相互导通，且地表下行裂隙的

　　发育位置要超前于覆岩上行裂隙最高点的发育位置。

　　工作面推采至160 m时，推采位置位于沟谷底部正下方，沟谷底部出现地表隆起，但覆岩上行裂隙并未与沟谷底部裂缝导通;工作面推采至180 m时，覆岩上行裂隙与沟谷底部下行裂缝导通，形成贯通裂隙(图3(d))。

　　模拟开采结束，煤层覆岩垮落带垂向裂隙发育，从工作面走向剖面来看，垮落带形态呈正梯形分布，覆岩垮落跨度从近煤层位置向上逐渐递减，裂隙带一直贯通至地表，开切眼处与停采线处垮落角分别为60°和44°。基本顶的周期性垮落步距为8～18 m，地表共发育有20条地表裂缝，顺向坡(坡向与工作面推采方向一致)裂缝表现为推挤形态，逆向坡(坡向与工作面推采方向相反)裂缝表现为拉张形态，沟底裂缝表现为隆起形态。且裂縫形态在开采过程中并不是一成不变的，而是随着推采的进行而动态变化的。

　　3 煤层覆岩破坏特征

　　3.1 覆岩沉降特征

　　利用全站仪系统可以有效的对相似材料模拟模型正面的编码测量点各向位移进行精确测量，利用输出数据绘制各点的垂向位移特征曲线，可以较为直观的掌握煤层开采过程中，煤层顶板各位置的垂向位移特征(图4)。

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