0 引 言
神东矿区煤炭资源储量丰富，煤层厚度大、埋藏浅、倾角小、赋存稳定。随着我国采煤现代化机械水平的提高，神东矿区广泛采用大采高综采技术。由于工作面尺寸加大，采高增加，开采速度加快，使得岩层与地表移动更加剧烈，高强度开采对地表环境的影响也更加剧烈。
采动引起的地表裂缝是地表不均匀沉陷的结果，是地表非连续变形的显现，高强度开采下容易出现地表裂缝。我国学者对地表裂缝的研究主要有以下5个方面：①研究地表裂缝的普遍性原因和基本规律[1-3]，即当煤层采厚较大、采深较小，地表变形超过表层土体的允许值时，土体断开、台阶，出现非连续变形的现象[4-5]；或者岩层破断发育到地表，形成岩层地表连通性裂缝[6-8]；②研究特殊条件下地表裂缝发育规律。包括厚松散层[9-10]、山区[11-12] 、浅埋深[13-15]、断层弱面[3]等条件下，得出了不同地质采矿条件地表裂缝发生模式、传播机理的差异性；③研究裂缝形态参数的计算方法。基于下实测数据，利用几何原理给出地表裂缝宽度的计算公式；④研究地表裂缝的分布形态，地表裂缝通常呈现断续的弧形展布，有的整体呈现闭合的椭圆型形态[16-17]；⑤研究地表裂缝的遥感监测识别方法[18-19]、裂缝三维建模与可视化描述模型[20]。
地表裂缝研究的重要手段是现场观测。笔者以上湾煤矿12401工作面开切眼侧1 km范围内地表为观测研究区，通过地表裂缝观测方案设计、现场数据采集，分析总结了地表裂缝类型、分布规律和地表主裂缝的发育规律，为矿区后续裂缝治理提供决策依据。
1 12401工作面概况
神东矿区上湾煤矿12401工作面位于内蒙古鄂尔多斯市伊金霍洛旗乌兰木伦镇境内，受毛乌素沙漠影响，矿区地表大部分地区被风积沙覆盖，地形复杂，沟谷纵横，多为向源侵蚀，工作面布置如图1所示。上湾煤矿12401工作面是1-2煤四盘区首采面，沿倾向布置，走向长度299.2 m，设计推进长度5 254.8 m，设计采高8.6 m，采用倾斜长壁后退式一次采全高综合机械化采煤法开采[21]，设计推进速度为13.6 m/d。
图1 12401工作面井上下对照
Fig.1 Contrast figure of No.12401 panel
1204综采工作面地表标高为+1 188—+1 300 m，采深124～244 m，平均采深184 m，上覆松散层厚度为0～27 m，主要是土黄色中、细粒风积砂，松散未固结，选开切眼附近的钻孔R113的岩层柱状图(图2)。煤层倾角为1°～5°，为近水平煤层，垮落法管理顶板。
图2 钻孔R113柱状
Fig.2 Histogram of Drilling Hole R113
2 地表裂缝观测方案设计与实施
神东矿区上湾矿12401工作面尺寸大，地表影响范围大，现场监测工作量大。为了实时、全面、有效地监测地表裂缝，全面掌握地表裂缝的分布和发育规律，需要进行地表裂缝观测方案设计。针对本矿地质采矿条件的特点，设计12401工作面地表裂缝的观测方案。
1)分区分方向观测(图3)，分为4个观测区：开切眼区、运输巷区、回风巷区、推进区；6个观测方向：开切眼侧指向煤柱方向、推进方向、运输巷侧上山方向、回风巷侧下山方向、开切眼侧沿45°方向。
图3 地表裂缝“分区分方向”观测方案
Fig.3 Observation scheme of “zonal and sub-directional” surface cracks
2)观测方法与观测工具。用手持GPS记录地表裂缝的轨迹，用钢尺测量裂缝的宽度和台阶高度，用铁钎插入裂缝测量裂缝深度。由于工作面推进过程中裂缝的产生、发展具有动态性，因此每次观测需要捕捉新裂缝、观测旧裂缝的宽度变化。巡查观测范围为：从前一天最外侧裂缝的位置为边界，采空区内沿工作面前进方向扩展30～50 m，采空区边界外侧扩展20～40 m，从一侧运输巷或回风巷开始，巡查地表裂缝进行观测，至采空区中部，再到另一侧采空区边界。在考虑裂缝观测的完整性的同时，还需要考虑工作面推进度，重点关注推进区和推进方向的裂缝位置和发育过程。
3)裂缝观测方案实施。本次对12401工作面切眼侧地表裂缝的观测时段为2018年4月19日至2018年8月3日，历时106 d，沿工作面推进方向观测区长度为1 044 m，垂直于工作面推进方向观测区长度为400 m，共采集2 303条(组)裂缝。观测区按2天1次的频次进行巡视观测。选择其中宽度较大的裂缝进行多次重复观测，直至其宽度基本稳定的变化。对于处于压缩阶段的裂缝，观测裂缝宽度的变化时，需要在裂缝两侧、距离裂缝5～10 cm用树枝做标志，测量两标志之间距离变化。
3 工作面开采地表裂缝分布规律
3.1 裂缝的类型、分布范围和展布形态
12401工作面切眼侧地表裂缝分布平面如图4所示，地表裂缝主要集中分布于采空区范围内，采空区边界之外裂缝很少，开切眼外侧分布有少量裂缝，地表裂缝的整体呈闭合弧形的分布形态。观测区地表缝有4种基本类型(图5)：拉伸裂缝、压缩裂缝、台阶裂缝、塌陷裂缝(塌陷坑)，其中，开切眼外侧以拉伸裂缝、台阶裂缝为主；巷道区有拉伸裂缝、台阶裂缝、塌陷裂缝；推进区呈现先拉后压裂缝，同时存在台阶裂缝和塌陷裂缝，可见裂缝形态变化多种，反映了地质、地形条件与工作面推进的综合复杂影响。
图5 上湾煤矿地表裂缝的4种类型
Fig.5 Four types of surface cracks in Shangwan Mine
图4 12401开切眼侧地表裂缝分布
Fig.4 Distribution of surface cracks in cut side of No.12401 working face
3.2 地表裂缝形态参数
上湾煤矿观测区地表裂缝的最大宽度0.7 m，最大深度4～10 m，最大连续延伸长度298 m，裂缝密度92 条/ha，沿推进方向1 条/10 m。巷道上方裂缝最大宽度0.7 m，推进方向裂缝最大宽度0.5 m；裂缝最大深度4.0～10 m；最大台阶高度0.45 m。地表裂缝的扩展范围用裂缝角来描述。根据地表裂缝与工作面边界的位置关系，计算得到切眼侧走向裂缝角76.0°，上山裂缝角约86.0°，下山裂缝角84.7°。
3.3 地表裂缝与地表移动变形的关系
地表裂缝产生因素有很多，其中地表土的性质影响大，与松散层及其厚度、性质和变形值大小密切相关，上湾煤矿地表有2种土：黏质土与沙质土。
1)黏质土条件地表裂缝的显现。在工作面距离开切眼150～350 m的走向主断面附近，地表土为黏质土。在该区域中选取具有代表性的裂缝显现的形变参数进行分析。由表1黏土条件下地表显现裂缝时地表实测变形量可知，地表水平为2.0 mm/m，曲率变形为0.051×10-3 m-1时，黏质土地表开始出现裂缝，但是扭曲变形γ和剪切变形τ都为0。
表1 黏土条件下地表显现裂缝时地表实测变形量
Table 1 In-site measured deformation on surface under clay conditions
观测日期裂缝位置iεKγτ2018-06-03K32-K331.82.40.07002018-06-10K37-K382.02.20.04002018-06-16K39-K4021.81.1-0.1000
注：i为倾斜度,mm/m；ε为水平变形量,mm/m；K为曲率,km-1；γ为扭曲变形,10-3m；τ为剪切变形,mm/m。
2)沙质土条件下地表裂缝的显现。在工作面正上方距切眼150 m范围之内，地表土为沙质土，在观测区沙质土区域，由于地表风积沙层的松散性，地表裂缝出现后，沙土容易散落充填裂缝，给裂缝深度和宽度的观测产生干扰。从该区域选取典型裂缝，进行地表变形分析。由表2砂土条件下地表显现裂缝时地表实测变形量可知，地表水平变形量为3.7 mm/m，曲率为0.61×10-3 m-1时，沙质土地表开始出现裂缝，而且地表扭曲变形和剪切变形不为0。2种土质对比可知，黏质土更容易显现裂缝。
表2 砂土条件下地表显现裂缝时地表实测变形量
Table 2 In-site measured deformation on the surface under sand conditions
观测日期裂缝位置iεKγτ2018-04-24K21-K223.74.10.60.30.032018-05-18K25-K264.03.50.50.50.072018-05-23K27-K283.74.20.81.102018-05-25K28-K294.73.20.40.9-0.05
4 工作面推进过程中地表主裂缝发育规律
4.1 周期性主裂缝(组)的产生
观测表明，在工作面推进过程中，在垂直于推进方向，地表出现了宽度较大的裂缝，此处称为主裂缝，观测区主裂缝宽度大于50 mm，长度大于50 m。地表主裂缝主要分布在采空区中部，每隔104～135 m，平均129 m出现一组，每个主裂缝组可能发育1条或2条主裂缝，每组范围25～35 m，平均28 m。主裂缝(组)的产生具有周期性。地表主裂缝的位置滞后于工作面的推进位置，计算得到观测区主裂缝滞后角为79.8°～87.1°。
4.2 主裂缝的“ 产生—扩展—收缩—稳定”发育规律
在工作面推进方向，观测区地表共出现5条(组)主裂缝，笔者选取第5组的2条主裂缝(编号LF1113和LF1089，图6)，阐述地表主裂缝的发育周期及发育过程。2条裂缝的发育过程和现场照片如图6和图7所示。
图6 第5组主裂缝照片
Fig.6 Photos of main surface cracks of Group 5
图7 地表主裂缝分组分布
Fig.7 Distribution of surface major crack groups
LF1089和LF1113两条裂缝都在采空区中部，分别距开切眼距离为571.88 m和582.29 m，平均间距为10.41 m，裂缝长度分别为62 m和64 m。2条裂缝观测时段为2018年6月27日至7月22日，计26 d，观测25次。
1)主裂缝发育的4个阶段。裂缝宽度实测表明，工作面推进过程中，地表主裂缝经历“产生—扩展—收缩—稳定”的4个阶段。图8为第5组2条主裂缝发育过程，地表主裂缝的发育周期为14 d左右。①随着工作面推进，地表受到拉伸变形影响，地表裂缝产生，产生阶段的时间为1～2 d，裂缝宽度较小；②随着开采影响加剧，裂缝宽度急剧增加，裂缝进入发展阶段，时间为7 d，发育周期的50%；③然后地表裂缝收缩、宽度快速减小；④最后裂缝宽度稳定，有的裂缝受压闭合，甚至出现闭合压缩量(图8a)。
图8 第5组两条主裂缝宽度的变化过程
Fig.8 Development process of two main surface cracks of No.5 group
2)不同位置主裂缝的宽度不同。同一条主裂缝的发育周期相同，但不同位置的裂缝宽度不同。工作面中部区域的主裂缝段通常先发育，发育后期容易形成压缩裂缝；工作面上下平卷一侧的裂缝段后发育，更容易形成拉伸裂缝。同一条主裂缝不同位置的裂缝宽度有很大差别，裂缝LF1089在Z627-3观测点处最大宽度150 mm，在ZZ2-4观测点处裂缝最大宽度为18 mm，但是2处观测点得出的裂缝发育周期相同。
3)稳定后主裂缝的拉伸压缩状态。裂缝稳定后的拉伸或压缩状态，对于地表治理有直接关系。观测区第5组主裂缝中，裂缝LF1113在其宽度稳定后为闭合状态(图9a)，裂缝LF1089在其宽度稳定后为张开状态(图9b)。可见本区地表裂缝从发育到稳定，既有闭合也有裂缝张开。无论是裂缝拉伸张开或是压缩闭合，均是对表层状态的改变和对地表的损伤，因此，不宜把某些区域裂缝存在的闭合现象概念化地称为地表“自修复”。
图9 主裂缝LF1089稳定后不同位置的照片
Fig.9 Photos of No.LF1089 major crack at different locations after stabilization
5 结 论
1)根据神东矿区上湾矿12401工作面缓倾斜、大采高、高强度综采的地质采矿条件特点，设计了分区分方向的地表裂缝观测方案，观测获得了切眼侧1 km范围地表出殃2 303条裂缝的形态信息。
2)总结了观测区地表拉伸裂缝、压缩裂缝、台阶裂缝和塌陷裂缝等4种类型。得出了地表裂缝集中于采空区范围、整体呈弧形的分布规律。确定了观测区地表裂缝的分布参数，裂缝密度92条/ha，裂缝最大宽度0.7 m，最大长度298 m，最大台阶高度0.45 m，开切眼侧走向裂缝角76.0°，上山裂缝角86.0°，下山裂缝角84.7°。
3)揭示了工作面推进过程中地表周期性产生主裂缝组、主裂缝“产生—扩展—收缩—稳定”的动态发育规律。主裂缝组间距约129 m，主裂缝宽度大于50 mm，发育周期14 d，滞后角79.8°～87.1°。观测成果为合理评价本矿地质采矿条件下地表采动损伤状况，为科学适时进行沉陷区治理提供了依据。
致谢：上湾矿有关技术人员对本文现场数据采集提供了帮助，在此表示衷心感谢！
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