采动地表裂缝发育范围异常扩大成因分析

张 峰

(中煤科工集团唐山研究院有限公司，河北 唐山 063000)

采动地表裂缝发育范围异常扩大成因分析

张 峰

(中煤科工集团唐山研究院有限公司，河北 唐山 063000)

蔚州矿区单侯煤矿的二采区6208工作面在村庄保护煤柱外进行常规开采过程中，工作面靠近村庄一侧的地面裂缝发育范围出现了异常的扩大，并引起了地表裂缝扩大区的村庄建筑物出现了严重的损坏。通过对地表裂缝发育的位置、延展特征进行的详细分析，结合研究区域地表裂缝规律、开采条件及地层状况等，确定了6208工作面靠近村庄侧的综合裂缝角，采用类比、排除等方法对地面裂缝发育及村庄损害范围扩大的成因进行了深入研究，得出结论：在单侯煤矿6208工作面东北侧为逆断层上盘的断裂带发育区，断层带区域岩层破碎，致使岩层整体硬度降低、结构松散，进而改变了原有的采动影响传播规律，造成了地表裂缝发育及村庄建筑物损坏范围扩大。

地表裂缝 断裂构造 开采沉陷 开采损害 裂缝角

1 采动地表裂缝产生及分布

煤炭在地下开采过程中上覆岩层随之产生移动，埋藏在地下的煤炭被采出后，在煤体内部形成一个空洞，其周围原有的应力状态受到破坏，引起应力的重新分布直至达到新的平衡，这是一个复杂的物理、力学变化过程，也是岩层产生移动和破坏的过程。随着岩层的移动发展到地表，使地表产生移动和变形，形成一个范围比采空区大得多的地表移动盆地，在移动盆地的外边缘区，地表可能产生裂缝，地表裂缝产生的位置及大小与第四系厚度、性质以及变形值大小等因素密切相关。根据相关资料，若第四系松散层为塑性大的黏土层，一般地表拉伸变形值超过6～10 mm/m时，地表才产生裂缝。塑性小的砂质黏土、黏土质砂等地表拉伸变形值达到2～3 mm/m时，地表即可产生裂缝[1]。

地下煤层开采形成的地表移动盆地，从外至里一般划分为3个边界：①移动盆地最外边界；②移动盆地危险移动边界；③移动盆地裂缝边界。移动盆地的裂缝边界一般采用裂缝角确定，裂缝角的大小与煤炭开采深度、岩层岩性、松散层性质等相关，多年的开采观测经验表明，在同一地质采矿条件下，不同工作面开采形成的裂缝位置和范围具有一定的规律性，往往具有大致相同的裂缝角。

但在单侯煤矿的6208工作面开采过程中，出现了其村庄保护煤柱一侧地表裂缝范围异常增大的状况，导致村民建筑产生了严重损坏，特对此情况探讨其成因。

2 采矿及地质条件

单侯煤矿位于河北张家口市蔚县境内，煤系地层上方普遍被湿陷性黄土地层覆盖，主要开采煤层为侏罗系中下统花园组的5、6号煤层，研究区域只开采了6号煤层，平均开采厚度约3.2 m，在矿井开采过程中，均按照相关规程要求对地面的村庄留设了保安煤柱，且多年在村庄保安煤柱外开采均未对村庄产生过损害影响，但6208工作面在村庄煤柱外开采过程中，村庄地面出现了多条裂缝，部分房屋产生了损坏。

研究区域开采工作面为6208工作面，地表平均标高为+1 100～1 070 m，表土层为湿陷性黄土层，下部为黏土、亚黏土及砂砾石层组成，第四系总厚度约110 m，基岩以黏土岩和粉砂岩为主，厚度约250 m，为中硬岩层，6208工作面走向长646 m，倾斜宽约150 m，煤层厚度2.9～3.4 m，平均3.18 m，煤层倾角2°～17°，平均为6°，煤层底板标高+640～+750 m，平均开采深度为380 m。

3 地表裂缝分布规律

3.1 6208工作面地表裂缝分布

6208工作面在村庄保护煤柱以外开采，开采过程中工作面在村庄侧的地面发育了4条较为明显的规律裂缝：第1条裂缝位于工作面外侧50 m处；第2条裂缝距村庄西侧边界10 m处，裂缝宽150～200 mm，落差约50 mm，该裂缝距工作面约121 m；第3条裂缝距村庄西侧边界30 m处，裂缝宽约50 mm，落差30 mm，该裂缝距工作面约160 m；第4条裂缝距村庄西侧边界约80 m处，裂缝宽约50 mm，该裂缝距工作面232 m。

地表裂缝位置与单侯矿6208工作面位置关系，详见图1所示。

根据实测地表最外裂缝与工作面位置关系分析得出，该工作面开采后综合裂缝角约为59°。

3.2 相邻工作面地表裂缝分布规律

与6208工作面相距750 m远的6102工作面，其开采宽度同为150 m，且其开采标高为+675～+723 m，地面标高平均+1 070 m，开采深度347～395 m，平均采深370 m，其地质采矿条件与6208工作面基本相同。

根据实测资料，在该工作面开采过程中地表也产生了一系列裂缝，现已发现的最远裂缝距离6102工作面约131 m，裂缝位置如图2所示。

图1 6208工作面与地面裂缝位置关系

图2 6102工作面与地面裂缝位置关系

根据实测地表最外裂缝与工作面位置关系分析得出，该工作面开采后综合裂缝角约为71°。

3.3 对比分析

从该区域煤层上覆岩层可以看出，覆岩主要由粗砂岩、中砂岩、细砂岩、粉砂岩和黏土岩等组成，且大部分砂岩为凝灰质胶结，根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》，在其覆岩性质为中硬的条件下，其综合裂缝角也在70°以上[2]。

参考相邻的崔家寨矿设立的E11612地表移动观测站实测资料，其综合移动角为68°，根据相关规程和地表移动观测经验，裂缝角一般较移动角增加5°～10°[2]，实测裂缝角在73°以上。

与之相邻的6102工作面实测综合裂缝角为71°。

综合分析，该地区的综合裂缝角应在70°以上，6208工作面综合裂缝角仅为59°，明显小于同一条件下的综合裂缝角，地表裂缝范围扩展较远，不符合常规开采地表移动规律。

4 裂缝范围异常扩大成因分析

地下采矿形成的地表裂缝一般出现在地表移动盆地的外边缘区，地表裂缝产生的位置及大小与第四系厚度、性质以及变形值大小等因素密切相关，造成地表裂缝异常扩展的原因多为地质构造影响。

从该区域6208工作面实际揭露和三维地震、电法勘探情况分析，该区域地质构造条件相对复杂，大小断层密布，其中最大的断层为DF50号断层，位于6208工作面东北部，村庄的西部，根据6208工作面切眼揭露情况，DF50逆断层落差35 m，倾角28°，另外在村庄西部区域还有大小断层10余条，断层走向、倾向多样，断层倾角45°～75°，落差多在15 m以下，详见图3所示。

图3 6208工作面与断裂构造相对位置及剖面关系

断裂构造对开采沉陷的影响主要是由于断层破碎带处岩层的力学强度大大降低，使得断层露头处成为岩层变形集中的有利部位，在上覆岩层发生移动变形的同时，岩层沿破碎的断层面发生滑动，使地表在断层露头处产生台阶状破坏或裂缝，裂缝的展布通常与断层的走向具有密切相关性。如梨园矿务局郭庄煤矿2228 工作面受F16断层影响，在断层露头区超过正常裂缝范围之外，产生了地表裂缝，地表裂缝的延展方向与断层走向一致，地表裂缝之上的建筑物、构筑物受损程度较严重[3]。

经调查，5208工作面开采中无冒顶、超采、突水等现象，地表裂缝范围扩大不是开采影响造成的，实测工作面东部区域地表裂缝的走向及分布与6208工作面开采形成的移动盆地基本一致，与下部断裂构造的展布方向无相关性，可以判断，亦非下部断层面滑动影响。

从6208工作面东北部断层分布情况分析，6208工作面处于DF50号逆断层的断裂带区域，该断层落差大、倾角小，为该区域控制性断裂构造，受逆断层的挤压作用影响，该区域上覆岩层大小断裂构造十分发育，致使原本完整的岩层变得十分破碎，改变了局部的采动影响传播规律，导致断层破碎带区域岩层移动范围扩大，地面裂缝异常扩展。

5 结 论

采动地表裂缝产生的位置受煤层开采深度、岩层岩性、松散层性质等因素影响，受断层影响的采动地表裂缝，一般产生在断层的露头区域，从6208工作面东部区域地表裂缝范围异常扩大的实例分析可以得出，逆断层上盘受断层两盘挤压作用影响，使得断层上盘小断裂十分发育，原本完整岩层变得破碎，岩层的破碎改变了原有的采动影响传播规律，岩层整体硬度降低、结构松散，采动影响传播范围相比原岩层增大，依据本例分析，综合裂缝角相比正常岩层减小约10°左右。

通过对单侯煤矿采动地表裂缝范围异常扩大的分析，希望在煤炭开采过程中，加强工作面周边有断层存在的开采影响论证，依据断层性质、发育情况以及断层附近岩层的破碎程度等进行综合分析，合理确定保安煤柱和开采影响范围，避免出现采动影响范围异常扩大，造成重大损失。

[1] 何国清，杨 伦，凌赓娣，等.矿山开采沉陷学[M].徐州:中国矿业大学出版社,2003. He Guoqing，Yang Lun，Ling Gengdi,et al.Mining Subsidence[M].Xuzhou:China University of Mining and Technology press,2003.

[2] 中华人民共和国煤炭工业部.建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程[M].北京：煤炭工业出版社,1986. Ministry of Coal Industry of People′s Republic of China.Buildings，Water，Railway and Coal Pillar Design and Coal Mining Regulations[M].Beijing:China Coal Industry Publishing House,1986.

[3] 周全杰，常兴民.受断层影响地表裂缝的成因及特征分析[J].焦作工学院学报,1999，18(4)：248-250. Zhou Quanjie，Chang Xingmin.Analysis of the ground fissure′s feature and it′s causes of formation influenced by the fault[J].Journal of Jiaozuo Institute of Technology，1999,18(4):248-250.

(责任编辑 徐志宏)

Expansion Cause Analysis of the Abnormal Scope of Surface Crack Induced by the Mining Influence

Zhang Feng

(TangshanResearchInstitute，ChinaCoalScienceandIndustryGroup，Tangshan063000，China)

During the normal mining activity at the 6208 working face outside of protective coal pillar in village in No.2 Mining Area of Danhou coal mine in Yuzhou mine，the development scope of ground fissure on one side of the face near the village appeared abnormal expansion，and the village buildings at surface crack expanding area appeared serious damage.Through analyzing in detail the location and the characteristics of the surface crack growth，and combining with ground fissure rules，mining conditions and ground formation condition，the comprehensive crack angle of 6208 working face near the village was determined.The ground fracture development and the causes for the scope expanding of the village damage were studied by the methods of analogy and elimination.It is concluded that the northeastern 6208 working face in Danhou Coal Mine is the fault development zone of the upper reversed fault.Rock fractures in fault zone result in the hardness of rock reduced and the structure loosened.So，the original propagation law by mining influence is changed，leading to the expansion of the surface crack development and the village building damage.

Surface cracks，Fracture structure，Mining subsidence，Mining damage，Crack angle

2015-01-21

张 峰(1978—)，男，副研究员，硕士。

TD325

A

1001-1250(2015)-04-154-03