采动裂缝对地表移动变形的影响分析
第２７卷第１期岩石力学与工程学报Ｖ０１．２７Ｎｏ．１２００８年１月ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＲｏｃｋＭｅｃｈａｎｉｃｓａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＪａｎ．，２００８
山区采动裂缝对地表移动变形的影响分析
康建荣１’２
（１．徐州师范大学测绘学院，江苏徐州２２１１１６；２．太原理工大学采矿工艺研究所，山西太原０３００２４）
摘要：根据现场实测资料，分析地表产生采动裂缝的４个阶段及其形成过程机制，揭示采动裂缝对山区地表移动变形的影响：（１）地表采动裂缝使得地表下沉呈现出非连续性移动特性，并在凹形地貌部位，地表下沉值减小；
在凸形地貌部位，地表下沉值增大。（２）采动裂缝会使山区地表沿坡体下坡方向的水平移动值增大，增大的量值与坡体形态及与采空区相对位置、表土层特性有关。（３）采动裂缝的产生会改变水平变形的性质：在拉伸变形区域出现拉伸变形值减小或转变为压缩变形值；或在压缩变形区域出现拉伸变形或压缩变形值减小情形，并且会使拉伸变形区域的拉伸变形值增大，压缩变形区域的压缩变形值增大。
关键词：采矿工程；沉陷；山区；地表移动变形；采动裂缝
中圈分类号：ＴＤ３２文献标识码：Ａ文章编号：１０００—６９１５（２００８）０１—００５９—０６
ＡＮＡＬＹＳＩＳＯＦＥＦＦＥＣＴＯＦＦＩＳＳＵＲＥＳＣＡＵＳＥＤＢＹＵＮＤＥＲＧＲｏＵＮＤＭ【ＩＮＩＮＧｏＮＧＲＯＵＮＤＭｏＶＥＭＥＮＴＡＮＤＤＥＦｏＲＭＡＴＩｏＮ
ＫＡＮＧＪｉａｎｒｏｎ９１’２
（１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＧｅｏｄｅｓｙａｎｄＧｅｏｍａｔｉｃｓ，ＸｕｚｈｏｕＮｏｒｍａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｕｚｈｏｕ，Ｊｉａｎｇｓｕ２２１１１６，Ｃｈｉｎａ
２．ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＭｉｎｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｔａ眵ｕａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｔａ眵ｕａｎ，Ｓｈａｎｘｉ０３００２４，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄｏｎｉｎ—ｓｉｔｕｄａｔａ，ｔｈｅｆｏｕｒｓｔａｇｅｓｏｆｆｉｓｓｕｒｅｓａｎｄｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｇｒｏｕｎｄｍｏｖｅｍｅｎｔａｎｄｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｃａｕｓｅｄｂｙｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄｍｉｎｉｎｇａｒｅａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓａｒｅｄｒａｗｎａｓｆｏｌｌｏｗｓ．（１）Ｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅｉｓｓｈｏｗｎｏｆｄｉｓｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｍｏｖｅｍｅｎｔ，ａｎｄｉｔｉＳｆｏｕｎｄｉｎｃｏｎｃａｖｅｒｅｇｉｏｎ：ｔｈｅｇｒｏｕｎｄｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅｄｅｃｒｅａｓｅｓ。ｂｕｔｉｎｃｒｅａｓｅｓｉｎｃｏｎｖｅｘｒｅｇｉｏｎ．（２）Ｔｈｅｆｉｓｓｕｒｅｃａｎｉｎｃｒｅａｓｅｔｈｅｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔａｌｏｎｇｗｉｔｈｔｈｅｍｏｕｎｔａｉｎｓｌｏｐｅｄｏｗｎｒａｍｐｄｉｒｅｃｔｉｏｎ，ａｎｄｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｉｓｒｅｌａｔｅｄｔｏｓｌｏｐｅｆｏｒｍ，ｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｇｏｂ，ａｎｄｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｓｕｒｆａｃｅ．（３）Ｔｈｅｆｉｓｓｕｒｅｃａｒｌｃｈａｎｇｅｔｈｅｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ．Ｉｔｃａｎｒｅｄｕｃｅｔｅｎｓｉｌｅｓｔｒａｉｎｏｒｉｎｃｒｅａｓｅｔｈｅｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎｓｔｒａｉｎｉｎｔｈｅｔｅｎｓｉｌｅｓｔｒａｉｎｒｅｇｉｏｎ，ｏｒｒｅｄｕｃｅｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎｓｔｒａｉｎｏｒｔｅｎｓｉｌｅｓｔｒａｉｎｉｎｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎｓｔｒａｉｎｒｅｇｉｏｎ，ｏｒｉｎｃｒｅａｓｅｓｔｒａｉｎｉｎｔｅｎｓｉｌｅｏｒｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎｒｅｇｉｏｎｓ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｍｉｎｉｎｇｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ；ｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ：ｍｏｕｎｔａｉｎｏｕｓｒｅｇｉｏｎ：ｍｏｖｅｍｅｎｔａｎｄｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ：ｆｉｓｓｕｒｅｃａｕｓｅｄｂｙｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄｍｉｎｉｎｇ
１引言
我国大约有１／３的煤矿位于山区，如中西部地区的山西、陕西、四川、湖南、贵州等重要产煤地有相当数量的矿山位于山区，由于山区的地形起伏，开采煤炭资源对地表产生的影响远大于平原地区，其中最突出的问题是开采地下煤炭资源使地表产生
收藕日期ｌ２００７—０３—２８；修回日期ｔ２００７—０５—０７
基金项目：国家自然科学基金资助项目（５０７７４０６７）；江苏省高校自然科学基金资助项目（０５ＫＪＢｌ７０１３１）
作者■介ｌ康建荣（１９６６一），男，博士，１９８８年毕业于山西矿业学院采矿工程专业，现任教授，主要从事测绘工程方面的教学与研究工作。Ｅ．ｍａｉｌ：ｊｒｋａｎｇ＠２６３．ｎｅｔ
万方数据
?６０?
岩石力学与工程学报２００８年
大量的裂缝（见图１－－４）ｕ】，这些采动裂缝不仅破坏了土地，而且使得山区地表坡体的稳定性受到影响，从而形成滑坡等矿山环境灾害，因而在山区，地表
采动裂缝是引起矿山地质环境灾害的主要因素。本文以古交嘉乐泉矿１２０８一－，１２１０工作面地表移动观测
站实测资料分析了采动裂缝对地表移动变形的影响，提出了山区地表移动变形预计时应考虑的问题。
图ｌ黄土峁顶部采动裂缝‘１１
Ｆｉｇ．１
Ｆｉｓｓｕｒｅｓ
ｉｎｔｈｅｌｏｅｓｓｈｉｌｌｔｏｐｄｕｅｔｏｍｉｎｉｎｇ【１】
图２黄土坡地上的塌陷裂缝‘１Ｉ
Ｆｉｇ．２
Ｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅｆｉｓｓｕｒｅｓｉｎｔｈｅｌｏｅｓｓｈｉｌｌｓｉｄｅｆｉｅｌｄｓ【１１
图３黄土坡地上的裂缝和崩塌…
Ｆｉｇ．３
Ｆｉｓｓｕｒｅａｎｄｃｏｌｌａｐｓｅｉｎｔｈｅｌｏｅｓｓｈｉｌｌｓｉｄｅｆｉｅｌｄｓ【１】
图４黄土坡地上出现的倒台阶裂缝Ⅲ
Ｆｉｇ．４
Ｒｅｖｅｒｓｅｓｔｅｐｆｉｓｓｕｒｅｓｉｎ
ｔｈｅｌｏｅｓｓｈｉｌｌｓｉｄｅｆｉｅｌｄｓ【１】
现场调查和观测结果表明，山区地下煤层开采
引起的地表移动和变形情况十分复杂，开采产生的
地表裂缝与煤层的地质采矿条件、覆岩性质、覆岩
产状、地表地形和地貌（包括地表倾角、倾向、微地
貌特征和松散层结构特性）、采动程度、坡体形
态、地表岩（土）性质、浅层构造和弱面状态等因素有关【２￣１６｜。为了能够充分掌握开采影响下的山区
地表移动变形规律，对开采影响下裂缝产生的机制和规律研究是十分关键的。
目前，国内外在山区地表移动规律方面的研究
主要体现在：（１）总结了山区地表移动变形的一般特征及分布规律；（２）根据地表移动观测线获取的
实测数据建立预计模型【１’２】，在该模型中考虑了地
表趋势面倾角、地表倾斜方向角、地表特性系数等与山区地形特性相关的参数。
从现有的研究成果ｍＪ看，对采动地表裂缝仅是
以开采裂缝角来描述采动裂缝的范围，没有分析裂
缝角与开采程度、上覆岩层岩性、地形地貌特征等
因素的关系。而现有的山区地表移动变形预计模型主要以观测线数据分析而得出的经验型模型，特别
是其中参数在选择时的客观规律性不足，另外观测
线的建立是以主断面为基础的，而在山区实质是不存在这一理论上的主断面，因而观测数据具有一定的局限性，实质上开采影响下的山区地表移动是三
维向量，其移动变形与采动程度、工作面与地表点
的相对位置、上覆岩层的走向倾向分布及岩石力学
特性、地表地形（坡度、坡向、微地貌特征）等因素密切相关，用二维观测数据分析三维移动向量必然
会存在一定的缺陷。由于开采在地表产生裂缝，地表移动和变形呈现非连续性。山区地表移动变形的
已有成果也是建立在连续移动变形的基础上，故与
现实情况不符。因此，分析开采影响下地表采动裂
万方数据
第２７卷第１期康建荣．山区采动裂缝对地表移动变形的影响分析
缝的形成机制、影响因素及规律，为山区矿区环境
灾害的防治提供理论依据以及煤炭资源的绿色开采
有着重要理论意义‘１６１。
２采动裂缝的产生过程
开采影响传递到地表后，在地表产生移动，由于地表点之间的移动量不均衡，从而在其内部产生变形，当其拉伸变形超过其抵抗变形能力之后，地表产生裂缝。通过调查分析，地表采动裂缝的产生可分为如下４个时期：
（１）移动变形积累期。工作面开采后，其上覆岩层在重力作用下产生弯曲变形，当开采面积还没有达到使上覆岩层产生破坏断裂前，地表中形成较小的移动变形量，采动影响也较弱，这时一般不会产生裂缝，故称为移动变形积累期。
（２）裂缝产生期。随着开采面积的增大，其顶板岩层垮距超过其极限后发生断裂，并使移动破坏过程向上逐步传递到地表，这时地表移动变形量逐渐增大，且地表点之间的不均衡移动量尤为突出，当不均衡移动量产生的变形量超过地表抵抗变形的能力之后，地表产生裂缝，这时裂缝的宽度及延伸长度也相对较小，其位置一般出现在开采边界的外侧。
（３）裂缝扩展期。当地表产生裂缝之后，随着开采面积的进一步增大，地表裂缝也会进一步扩展，但由于山区地形的影响，裂缝的扩展一般在山顶部位较大，而在山谷部位相对较小。
（４）裂缝闭合期。随着开采面积的增大，开采工作面与裂缝位置的距离超过了开采影响范围，这时原先张开的裂缝随着地表移动变形的逐渐稳定而产生一定闭合。当开采活动停止一定时问后，裂缝也逐渐稳定到一定宽度和范围内。
３地表采动裂缝形成过程机制分析
地下煤层开采后，顶板岩层在初次断裂前发生弯曲下沉，其力学模型如图５所示【１川。图５中：ｇ＠）为顶板所承受的上覆岩层作用力，即上覆岩层的自重应力；ｑｏ＠）为煤层对顶板岩层的反作用力，它是由于顶板弯曲下沉引起的煤层弹塑性变形形成的反力；ｈ为顶板岩层厚度；ｂ为从煤壁到顶板岩层移动为零的距离，根据分析可取ｂ＝０．４风（风为平均采深）；ｆ为顶板初次断裂前的开采长度；ｚ为岩层体
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图５顶板初次断裂前力学模型‘１０１
Ｆｉｇ．５Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｍｏｄｅｌｆｏｒｒｏｏｆｂｅｆｏｒｅｉｎｉｔｉａｌｃａｖｉｎｇ【１ｏ】力，即Ｚ＝弘
由于这时顶板岩层还没有断裂垮落，上覆岩层仅是弯曲下沉，故传递到地表的移动变形量还很小，地表处于移动变形积累期。
当工作面开采达到一定面积后，其顶板岩层的垮距超过其极限后发生断裂，随着工作面的推进，工作面开采侧的顶板岩层成为悬臂梁（或悬臂板），而在开切眼侧的岩层在第一次断裂后应力转移到其上面岩层，使得上面的岩层又成为固支梁（或固支板），其一侧在开切眼上方，另一侧在工作面侧的悬臂岩层上方，随着工作面的推进，工作面侧的岩层悬臂梁的不断发生破断，其上的岩层固支梁当超过其极限垮距后再次发生破断，该过程不断重复，直到开采活动停止，此时的力学模型如图６所示［１０１。
图６中：矽，妒ｊ分别为在开切眼侧和工作面开采侧的岩层断裂角；ｂ，，ｂ，分别为从开切眼侧和工作面开采侧到顶板岩层移动为０的距离，根据分析可取ｂ１＝２．５２ＨｇＭ（Ｍ为采厚），ｂ２＿－－Ｏ．４凰；ｑｌｉ（ｘ），如∞分别为开切眼侧和开采侧上覆岩层不同层位上的应力分布，其分布形式随工作面向前推进而发生变化；Ｌ为开采长度；￡。，为煤层直接顶的悬臂长度；Ｌ。。为某一层位岩层的悬臂长度。
根据项板初次断裂后力学模型分析可知，随着工作面的不断推进，上覆岩层每次的断裂长度不完全相同，上层位与下层位岩层的断裂长度也不相同，往往是下层位的几个周期性断裂形成上层位岩层的一次断裂，这种周期性断裂也使得这部分岩层移动变形呈跳跃式变化，当断裂垮落过程逐步传递到地表后，在地表形成剧烈的不均衡移动，而这种不均衡移动会产生水平和垂直拉应力，水平拉应力使地表在水平方向拉开，形成裂缝宽度，垂直拉应力则使地表在垂直方向拉开，形成裂缝落差，从而在地
万方数据
?６２?
岩石力学与工程学报２００８生
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图６顶板初次断裂后力学模型‘１０】
Ｆｉｇ．６
Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｍｏｄｅｌ
ｆｏｒｒｏｏｆ
ａｆｔｅｒｉｎｉｆｉＭｃａｖｉｎｇ【１０】
表产生裂缝，这就形成了裂缝产生期。随着岩层垮落的进一步发展，地表裂缝也逐渐发展增大，这就是裂缝扩展期。当开采工作面推进到一定距离后，
在开始产生裂缝的区域已不再受到开采影响，这时
在岩层及地表白重作用下，其内部应力形成重新平衡过程，在该过程中，地表裂缝特别是张开裂缝会产生不同程度的闭合，这就形成了裂缝闭合期。
４
采动裂缝对山区地表移动变形的
影响
当地表产生开采裂缝后，会影响地表移动变形
的分布规律。为了分析采动裂缝对地表移动与变形的影响，选择了古交嘉乐泉矿１２０８～１２１０工作面地表移动观测站（见图７）较典型的观测资料进行分析。
根据观测资料绘制的曲线见图８。在实地观测
中，Ａ８～Ａ９（见图８（ａ））点间有一槽形塌陷裂缝（参见
图２的左上部），Ａ１１＂－一Ａ１２点间有较大裂缝（参见图２右下部），Ａ１３～Ａ１４点之间也有裂缝贯穿。
（１）采动裂缝对下沉的影响
从图８（ａ）中可以看出，采动裂缝对下沉的影响主要体现在：①采动裂缝会改变下沉曲线的分布形态。②在山顶部位和坡体上部区域（见图８（ａ）中的
Ａ８～Ａ１３点区域、Ａ１７～Ａ２０点区域）的下沉值比相
对于平地的计算值增大，增大的量值与开采程度及点与采空区的相对位置有关。③由于裂缝产生后使
得坡体上部区域向下部区域挤压，从而在坡体的下
部区域和沟谷部位产生压缩变形，使得这些部位（见
图８（ａ）的Ａ１４～Ａ１７点区域）的下沉值比对应于平地
的计算值减小。④采动裂缝的产生会使下沉曲线
比例尺：１：２０００单位：ｍ
图７嘉乐泉矿１２０８～１２１０工作面地表移动观测站
Ｆｉｇ．７
Ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎｓｔａｔｉｏｎｓ
ｏｎ
ｔｈｅｗｏｒｋｉｎｇｆａｃｅｓ１２０８—１２１０
ｏｆＪｉＭｅｑｕａｎＣｏｇ
Ｍｉｎｅ
出现波折（见图８（ａ）中的Ａ９，Ａ１０，Ａ１３点）。
由此可知，在山区地表移动变形预计时，开采
产生的地表裂缝对下沉值的影响是不可忽略的因素。由图８（ａ）可知，在整个区域内，对应于平地的下沉预计计算值呈一条光滑曲线，表现出连续移动的特性，但由于地表采动裂缝的产生，使得实际的下沉曲线出现波折形态，呈现出非连续性移动的特
性，并反映出山区地表移动的特征：在凹形地貌部
位，山区地表下沉值减小；在凸形地貌部位，山区
万方数据
第２７卷第１期康建荣．山区采动裂缝对地表移动变形的影响分析?６３?
薹。
誉：
；
０２００３００４００５００
距Ａ１点的距离，ｍ
Ⅳ。一实测下沉值；ｗ一预计平地下沉值；ＡＷ＝Ｗ’一ｗ
（ａ）下沉值
。．乏戈…二…｝……｝：＝＝＝＝＝＝二＝＝＝｛磊丝毒蓑＝＝＝＝＝＝＝＝二｝＝＝＝＝＝＝：：｝：
三三囊；弋未一；：攀三兰李享
Ｅ……～一ｉ……～！！：：ｊ：：：：：：：：：：：：：蔑：：：：：：：：：：｝兰左：
！～……一；……～…ｊ……一…千一蔫：…一ｉｉｉｉ≤面
ｇ５０
富３０
星１０
迥一１０
地表下沉值增大。
（２）采动裂缝对水平移动的影响
从图８（ｂ）中可以看出，在Ａ６点之前，实测水平移动与对应于平地的计算值基本一致，但Ａ７～Ａ１６点间的实测水平移动值远大于对应于平地的预计计算值，这说明了在位于Ａ８～Ａ９点间的槽形塌陷裂缝（见图２的左上部），使得沿坡体下坡方向的水平移动值增大，增大的量值与坡体形态及与采空区相对位置、表土层特性有关。在Ａ１７～Ａ２０点问，由于在Ａ１８～Ａ１９点间产生的裂缝影响，使得这些部位产生了沿坡体下坡方向的水平移动值，而这个区域相应于平地的预计计算值为Ｏ。由此可知，采动裂缝会使山区地表产生沿坡体下坡方向的水平移动。由于采动裂缝在不同部位的大小及分布不同，因而对水平移动的影响也不相同，使得水平移动曲线产生曲折变化，但总体水平移动值大小呈现在一定范围内。
（３）采动裂缝对水平变形的影响
从图８（ｃ）中可以看出，采动裂缝对水平变形的影响可分为２种隋况：①采动裂缝的产生会改变水平变形的性质，即在拉伸变形区域出现拉伸变形值减小或转变为压缩变形值；或在压缩变形区域出现拉伸变形或压缩变形值减小情形。②采动裂缝使得拉伸变形区域的拉伸变形值增大，压缩变形区域的压缩变形值增大。一般情况下，在山顶部位和坡体的上部区域内，采动裂缝会使拉伸变形增大；在充分采动区内水平变形值不为ｏ，其量值大小与地形形态等因素有关。
古交矿区的实测资料表明，当黄土层地表受拉伸水平变形值达到１～５ｍｍ］ｍ时，地表就产生裂缝。随着工作面的推进，地表会形成动态裂缝区域，动态裂缝开始宽度为２～１０ｍｍ，间距为４～１０ｍ，随着水平拉伸变形值的逐渐增大，地表裂缝的宽度也不断增大，动态裂缝宽度也增大到６０～８０ｍｍ，落差增大到３０＂－－＇５０ｍｍ，且大致呈弧形平行于工作面。动态裂缝随着工作面的推进，会形成永久性拉伸裂缝，裂缝的宽度一般达１００～４００ｒａｉｎ，落差达１００～４００ｍｍ。由于存在较大宽度和落差的地表裂缝，因而必然会改变地表下沉和水平移动值的分布形态。
山区地表在采动后由于裂缝而产生的附加水平移动和下沉包括２个部分：裂缝直接和间接产生的附加水平移动和下沉。采动裂缝产生的附加水平移动和下沉，与裂缝宽度、地表倾角、采动影响系数、表土层特性（内摩擦角仍压缩模量Ｅ和侧压系数句有关。由于采动裂缝的产生，会使地表点的移动变形量及分布形态产生变化。
５结论
本文的研究结果分析表明，采动裂缝的产生对山区地表移动变形有较大的影响：
（１）地表采动裂缝的产生，会改变下沉曲线的分布形态，使得下沉呈现出非连续性移动的特性，并在凹形地貌部位，地表下沉值减小；在凸形地貌部位，地表下沉值增大。
（２）采动裂缝会使山区地表沿坡体下坡方向的
万方数据
岩石力学与工程学报２００８矩
水平移动值增大，增大的量值与坡体形态及与采空
区相对位置、表土层特性有关。
（３）采动裂缝的产生会改变水平变形的性质：
即在拉伸变形区域出现拉伸变形值减小或转变为压
缩变形值；或在压缩变形区域出现拉伸变形或压缩
变形值减小情形，并且会使拉伸变形区域的拉伸变
形值增大，压缩变形区域的压缩变形值增大。
（４）采动裂缝可在山区地表产生附加水平移动
和下沉，包括２个部分：裂缝直接和间接产生的附
加水平移动和下沉，其值与裂缝宽度、地表倾角、
采动影响系数、表土层特性（内摩擦角仍压缩模量
Ｅ和侧压系数ｍ有关。
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万方数据