开采影响下砂壤土裂缝发育特征研究
——以汝河侯村段为例

陶海亮 李学强

(平顶山天安煤业股份有限公司，河南 平顶山 467000)

开采影响下砂壤土裂缝发育特征研究
——以汝河侯村段为例

陶海亮 李学强

(平顶山天安煤业股份有限公司，河南 平顶山 467000)

作为一种开采引起的地表非连续破坏形式，裂缝受到井下开采强度、地层结构、表土性质等多种因素影响。以汝河侯村段为例，开展开采影响下砂壤土裂缝发育特征实测研究。土体物理力学性质测试和理论计算表明，砂壤土结构较为松散，黏聚力小，节理性强，较黏土更易产生开采裂缝，裂缝极限发育深度大于黏土区域裂缝深度。同时对研究区域裂缝平面方向呈串珠状，深度方向呈束口状的原因进行了分析。研究成果可为类似地质采矿条件下煤炭资源开采和地面建筑物保护提供技术支持。

砂壤土 裂缝 平面分布 极限深度

当地下埋藏的煤炭资源被高强度采出时，开采区域的地表将会产生剧烈的破坏，裂缝是剧烈破坏特征的一种典型显现。当裂缝出现在建筑物、堤防、边坡等区域时，将会对周边居民生命财产安全及生态环境保护产生明显的不利影响。因此，煤炭开采引起的地表裂缝得到了广泛重视，针对我国东部华北平原地区[1-2]和两淮冲积平原地区[3-4]，西部黄土高原地区[5-6]的开采裂缝分布及发育特征开展了大量的研究，有效地指导了井下开采和地面保护工作。但是，在我国中部平顶山矿区、永城矿区等大面积存在砂壤土，砂壤土被广泛应用于修筑道路、填筑堤防等工程。砂壤土具有节理性强，黏聚力小，抗冲刷能力弱等特点，确定砂壤土开采影响下裂缝发育规律对指导区域井下煤炭开采和地面土地利用具有重要的实践意义。本研究以平顶山矿区汝河侯村段为例，开展开采影响下砂壤土裂缝发育特征研究。

1 研究区域概况

汝河属淮河流域的沙颖河水系，是平顶山市北部地区较大河流。汝河侯村段位于平煤集团十三矿己一采区上方，该区段河床最低标高+77.7 m，河床左岸河漫滩标高+84.1～+85.3 m，河床宽阔，宽度700 m左右，水力坡度约为1‰，为砂质河床。河流右岸为受河流冲刷的陡岸。河流左堤为砂壤土均质土堤，堤顶宽5～7 m，迎、背水边坡均为1∶2，堤高为3～4 m。

平煤集团十三矿己一采区走向长3 000 m，分东西翼，各长1 500 m，主采二迭系山西组己煤组二1煤层，煤层采厚5.8 m左右，采用双翼后退式仰斜长壁综放一次采全高，采区开采上限-180 m，开采下限-500 m，东西两翼相应采深为265～585 m。11022工作面位于采区的西翼，长1 100 m，宽115 m，开采深度265～365 m，工作面的开采情况及其与汝河侯村段的对应关系如图1所示。

图1 研究区域井上下对照图

2 裂缝平面分布规律研究

2.1 裂缝位置及形态实测

为研究开采引起的地表和堤防的裂缝分布情况，对11022工作面开采过程中地表堤防产生的裂缝进行了实时观测、记录。地表和堤防实测裂缝分布情况如图1所示。

根据现场裂缝实测记录可知，第1条裂缝在2011年1月15号出现，南北走向，裂缝宽为3 mm；第2条裂缝在2011年2月27号出现，南北走向，裂缝宽为2 mm；第3条裂缝在2011年2月29号出现，南北走向，基本平行于第2条裂缝，裂缝宽为3 mm；第4条裂缝在2011年3月17号出现，裂缝宽为10 mm；第5条裂缝最大裂缝宽为400 mm；第6条裂缝最大裂缝宽为500 mm；第7条裂缝最大裂缝宽为100 mm(第5、6、7条裂缝在2012年8月8号观测记录，裂缝经过雨水冲刷)。

从图1中可以看出，裂缝出现的位置与已有研究成果保持了良好的一致性[7]，但裂缝形态出现了一定的特异性。主要体现在裂缝表面宽度较宽，易受到雨水冲刷影响，雨水冲刷下裂缝表面宽度有变大趋势。

2.2 裂缝临界变形值的确定

裂缝临界变形值受土体物理力学性质影响。为准确获得砂壤土开采影响下裂缝临界变形值，在研究区域对筑堤砂壤土的物理力学特性进行了测试。分别选择不同区域按照深度0～1 m，1～2 m和2～3 m进行土体取样。用环刀法进行密度测试，用烘干法进行含水量实验，采用快剪法进行土块抗剪强度测试，采用快速固结法进行土块固结实验。实验结果如表1所示。

表1 砂壤土实测物理力学参数

根据研究可知[8]，地表裂缝的临界水平变形值的计算式为

(1)

式中，εJ为地表裂缝临界水平变形值；C为黏聚力；μ为泊松比；φ为内摩擦角；E为弹性模量。

取表1中实测的平均值：C=0.018MPa，μ=0.29，φ=34°，E=20.3MPa，由式(1)可以计算得，汝河侯村段开采砂壤土地表临界变形值εJ为3.1mm/m。

地表为黏性土的裂缝临界变形值为4mm/m[8]，而地表为砂壤土的裂缝临界变形值为3.1mm/m，表明砂壤土抗变形能力比黏性土小。

3 裂缝发育深度研究

3.1 裂缝发育深度理论计算

根据淮河下采煤地表堤防裂缝研究可知，当表土层性质相同或相近时，裂缝发育深度计算式为[8]

(2)

式中，h为地表裂缝发育的极限深度；r为土的干容重。

目前临床上针对粘液腺囊肿的常用治疗方法除传统的手术切除外，还有液氮冷冻、微波切除、碘制剂注射、二氧化碳激光等。各种治疗方法都有着各自的优点与不足。

从式(2)可以看出，裂缝深度与土的黏聚力C和内摩擦角φ有关，由此可见黏性土和砂壤土裂缝的发育深度有较大不同。土的黏聚力C大小较内摩擦角φ对裂缝大于深度的影响大，故黏土堤中的裂缝一般比砂壤土堤中裂缝较深。

将表1中实测的砂壤土物理力学参数代入上式中计算可得，研究区域砂壤土裂缝极限发育深度为4.1m。

3.2 裂缝发育深度现场开挖

为了研究裂缝在深度上的发育情况，验证理论计算结果的正确性，在实地中选择了在地表最大裂缝宽的位置处，对裂缝进行人工开挖。根据兖矿、淮堤的实地开挖裂缝经验[9-10]，开挖前，应在裂缝内灌入白灰水以便掌握开挖边界；开挖时，沿裂缝向下采用梯形断面开挖。裂缝在深度方向上实地开挖得到的裂缝情况见图2，发育形态见图3。

图2 实地开挖裂缝

图3 裂缝深度发育形态

通过实测开挖对裂缝发育深度经行研究，从图2和图3可知：

(1)裂缝沿竖直向上的发育形态并不是一条直线，呈曲线形态弯曲变化，这主要是受土层的性质影响。

(2)裂缝的发育深度与地形高低变化无关，经实地裂缝开挖可得，堤体内的裂缝随堤防的起伏而起伏。

(4)当裂缝发育达到地下潜水位时立即消失，这是由于土的含水量急剧增加使黏聚力C和内摩擦角φ急减，土层会立即发生较大的塑性变形，土颗粒之间产生较大的移动，使裂缝难以形成。

(5)经实测开挖可得，砂壤土条件下裂缝发育的极限深度为3.83m，与理论计算结果保持了良好的一致性。

4 区域裂缝发育特异性研究

根据传统开采沉陷观点，开采引起的地表裂缝呈上宽下窄形态，从地表向下发育，不会从地下一定深度发育。但研究区域在开采影响下地表裂缝呈现并不明显，仅出现少量宽度较小的裂缝。但是，在雨水冲刷下，地表出现大量不连续的冲刷坑，裂缝宽度也明显增大，如图4。其中，部分冲刷坑区域出现较大程度的突然沉降，形成了小范围的塌陷坑和塌陷漏斗，如图5。这种现象与传统开采沉陷规律较为不符，下面将对这种现象的原因进行分析。

图5 裂缝区域塌陷坑及塌陷漏斗

从图4和图5中可以看出，研究区域为汝河滩地，滩地上密布多年生木本植物和1 a生草本植物，经多年的生长发育，该区域浅层土中植物根系发达，层层缠绕。这种结构的土体与原生土体相比，抗拉强度大大增加。而开采引起的裂缝宽度与土体的抗拉强度密切相关，研究区域的这种土体结构导致开采引起的裂缝在深度方向上的发育形态与传统观点存在一定差异，在研究区域的裂缝形态从深部到浅部首先呈现逐渐增宽趋势，当达到根系密集土层时，由于土体抗拉强度增大，裂缝突然变窄形成了一种束口的漏斗形态。

在开采影响后，如果没有外力作用，裂缝形态将保持长期不变。但是，为了耕作需要，浅层裂缝可能会被人为回填，导致表层裂缝宽度进一步减小，甚至部分区域裂缝肉眼难以发现。当有雨水降临时，雨水会顺着表层裂缝渗入裂缝内部。

砂壤土中不含有或仅含有微量的矿物质，在水力冲刷作用下，地表的颗粒被冲刷到裂缝下面，当砂壤土中的颗粒骨架支撑力变小，颗粒间的黏聚力减小，内摩擦角也相应的变小，在上覆土体作用下，土壁将不可避免地发生崩塌、垮落。这些被冲刷下来的土体颗粒和崩塌下来的土体充填裂缝的下部，将裂缝内部空间进行部分充填。随着对浅层区域的持续冲刷，裂缝的开口宽度会逐渐变大，部分区域可能最终形成上宽下窄的“V”形裂缝。雨水冲刷作用下裂缝形态变化过程如图6所示。

图6 雨水冲刷下裂缝形态发育过程

5 结 论

(1)砂壤土裂缝地表分布位置与黏土保持了良好的一致性，但裂缝形态出现了一定的特异性。主要体现在裂缝表面宽度较宽，易受到雨水冲刷影响，雨水冲刷下裂缝表面宽度有变大趋势。

(2)由于砂壤土黏聚力较小，导致砂壤土出现裂缝的临界变形值小于黏土出现裂缝的临界变形值。

(3)受黏聚力和内摩擦角的共同影响，砂壤土裂缝极限发育深度大于黏土裂缝极限发育深度。

(4)分析了研究区域束口状裂缝成因及扩展发育过程，表明植被根系增强了浅层土的抗拉强度，导致裂缝形态异常。

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(责任编辑 石海林)

Research on the Fissure Development Characteristic of Sandy Loam：A Case from Houcun Region of Ruhe

Tao Hailiang Li Xueqiang

(PingdingshanTiananCoalCo.，Ltd.，Pingdingshan467000，China)

As a form of discontinuous surface damage caused by coal mining，fissures are influenced by mining intensity，stratigraphic structure，surface properties，and other factors.Based on Houcun region of Ruhe as an example，the experimental study on sandy loam fissures development characteristics under the influence of underground mining are carried out.The result of soil physical mechanical properties test and theoretical calculation show that the structure of sandy loam is loose with low cohesive force and abundant joints，resulting that the sandy loam is more likely to produce mining fissures than clay，and the limit depth of fissures in sandy loam is greater than that in clay.At the same time，the reasons that the shapes of fissures in plane are strings of beads and that in depth is in mouth shapes are analyzed.The result will provide technical support for mining and ground buildings protection in similar geological and mining conditions.

Sandy loam，Fissure，Plane distribution，Limit depth

2015-02-14

陶海亮(1982—)，男，工程师。

TD325

A

1001-1250(2015)-04-052-04