随着"绿色矿山"建设的推广, 煤矿区生态环境的治理、保护和预防成为政府、社会关注的焦点^[1-3]。煤炭大规模的开采引起的地面塌陷是矿山环境损害的重要组成部分。地表沉陷、地表裂缝、塌陷坑(槽)是地面塌陷最主要的表现形式^[4]。其中地表裂缝、塌陷坑(槽)造成土地开裂、基础设施垮塌、植被死亡、地下水位下降等现象, 对矿区环境破坏尤为严重^[5-7]。

地表裂缝是矿区生态环境破坏最直观、最常见的表现形式, 是一种非连续性移动变化^[8]。其产生、分布特征、发育规律、形成机理与煤层的赋存条件、开采技术等密切相关^[9]。地表裂缝分布特征、发育规律的调查手段多种多样, 目前针对地表裂缝发育规律的主要研究手段为现场实地观测、理论分析等。传统的野外实地观测可实时记录地表开裂-闭合-稳定的过程, 为地表裂缝的研究提供全面详实的数据。胡振琪等^[10-11]通过现场实测揭示了风积沙区采煤诱发的地裂缝发育规律, 认为地裂缝的产生具有动态变化, 包含2个相似时长的"开裂-闭合"过程, 即动态裂缝的自修复过程。杜善周^[12]以神东某工作面为研究对象, 指出该工作面的动态裂缝以高角度圆锥状超前发育。此外, 部分研究人员通过卫星遥感、三维激光扫描、InSAR等新技术获取采煤活动结束后的地表裂缝分布形态与展布特征^[13-14]。

地表裂缝的形成机理研究方法包括理论分析、数值模拟、相似材料模拟等。刘辉等^[15]基于薄板理论的基本顶"O-X"破断原理分析了塌陷型裂缝的形成机理; 余学义等^[16]利用数值模拟软件阐述了沟壑切割浅埋区地表塌陷类型及其形成机理。刘辉等^[17]利用UDEC软件模拟了滑动性地表裂缝的发育规律, 并对其形成机制做出解释。

浅埋煤层指埋藏浅、基岩薄、松散载荷层较小的煤层^[18]。这类煤层常发育宽度、深度较大的塌陷坑(槽)及大型的台阶状地表裂缝, 开采往往造成极大的地面塌陷危害。准确掌握该类煤层开采的地表裂缝发育规律及其形成机理是目前的研究重点之一。

宁东煤炭基地羊场湾煤矿煤炭资源储量丰富, 开采规模大, 煤层赋存条件多样, 浅埋煤层在该区有分布, 对于因开采浅埋煤层造成的地面塌陷问题研究较少。因此本文以羊场湾煤矿Y110207工作面为研究对象, 利用无人机遥感技术及FLAC^3D有限差分软件进行采煤诱发地表裂缝的发育规律及形成机理研究。

1.   工作面概况

Y110207工作面位于羊场湾煤矿一号井北部, 地形稍有起伏, 地表被风积沙、黄土覆盖。采用走向长壁综合机械化开采, 全部跨落法管理顶板, 于2014年7月开始回采, 2014年12月回采结束。工作面走向长1096m, 倾向长约200m, 采高5.6m。开采侏罗系二号煤层, 煤层埋深80.8~142.8m, 平均埋深约100m, 平均倾角10°, 属浅埋深缓倾斜煤层。松散层厚度约为20m, 上覆基岩厚度在60.8~122.8m之间。基本顶以粉砂岩、细砂岩为主, 夹少量中砂岩、泥岩薄层, 平均厚度为75m。直接顶岩性为粉砂岩, 夹少量泥岩, 厚度约为4m。

2.   研究方法

2.1   无人机遥感调查

与传统人工观测、卫星遥感、三维激光扫描、InSAR等调查监测方法相比, 无人机遥感具有成本低、效率高、精度较高、机动灵活等优点, 且已被多次应用于地面塌陷调查中。周文生等^[19]利用高分辨率无人机遥感影像, 研究了羊场湾煤矿地面塌陷类型及其分布特征。张启元等^[20]通过无人机遥感影像, 解译了青藏高原大通矿区采空区塌陷信息, 并建立一套适合该地区的操作技术流程。侯恩科等^[21]将无人机遥感技术应用在采煤地面塌陷监测中, 成功获取了地面塌陷特征、分布规律等信息。本文采用无人机遥感技术与现场实测相结合的方法, 调查研究区内地表裂缝发育规律及展布特征。

2.1.1   无人机调查平台

本次采用的飞行平台为MD4-1000四旋翼低空无人机, 搭载高性能A7R相机(图 1), 具有操作稳定、坚固耐用、高精度、大容量性能等特点, 并适用于恶劣环境条件。该相机配备3640万有效像素和3700万最大像素的全画幅CMOS传感器, 传感器尺寸为35.9mm×24mm, 续航能力为340张, 分辨率是7360×4912像素, 像元大小为4.88μm, 采用35mm定焦。无人机各项指数见表 1。

图  1  MD4-1000无人机

Figure  1.  MD4-1000 unmanned aerial vehicle

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表  1  MD4-1000四旋翼低空无人机指数

Table  1.  MD4-1000 four indexes of the UAV

性能指标	参数
爬升速率	7.5m/s
最大功率	1000W
飞行时间	＜50min/电池
飞行半径	5000m
遥控距离	5000m
巡航速度	15.0m/s
机身自重	2650g
任务载荷	2000g(最大)
飞行高度	1000m
抗风能力	＜12m/s

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2.1.2   航线设计

无人机航线设计需根据研究区范围, 确定航拍区域、航高、航向、重叠率等内容。根据实际工作面情况, 走向上调查范围为采空区内距切眼约300m的位置至停采线外围150m;倾向上分别由两侧顺槽向外扩大100m(图 3)。共设计飞行2个架次, 航高设定为150m, 航向沿走向布置, 航向和旁向重叠率设置为60%和50% (图 2)。

图  2  航线设计图

Figure  2.  Route map

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图  3  航拍范围

Figure  3.  Aerial range

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2.1.3   数据采集

2016年8月, 按照上述设计的航线对该工作面进行航拍调查, 总共获得89张地表照片, 经过专业软件的校正拼合, 获得整个航拍范围内的地表照片, 用于解译地面塌陷。

2.2   有限差分软件模拟

有限差分软件可以较好地模拟材料在达到弹性极限后的塑性破坏、应力应变三维力学特点^[22]。FLAC^3D软件特别适用于分析采煤过程中上覆岩层失稳破坏过程及模拟大变形问题。因此, 本文采用该软件模拟采煤诱发的地面塌陷形成过程, 分析其形成机理。

3.   地面塌陷特征及分布规律

3.1   地面塌陷特征

利用人工解译的方法对航拍结果进行后期处理, 得到Y110207工作面地表裂缝分布图, 结合野外调查可知, 该工作面地面塌陷类型主要为地表沉陷、地表裂缝、塌陷槽。塌陷槽发育在工作面风巷外围, 宽度约为4m, 深度达十几米, 长度延伸长; 地表裂缝极发育, 宽度在10~ 100cm之间, 长度均大于5m, 且发育部分塌陷型裂缝, 错台高度一般在15cm左右, 整体呈直线型或弧型。

3.2   分布规律

该工作面地表裂缝主要分为2类:一类为平行切眼裂缝, 该类裂缝发育在工作面内部, 大致呈平行排列, 间隔出现, 2条裂缝之间相距10~120m, 弯曲方向程度朝向切眼; 另一类是平行顺槽裂缝, 一般发育在工作面两侧顺槽外围, 少数可展布于工作面内部。该处平行顺槽裂缝以"裂缝带"的形式发育在工作面两侧顺槽内外。上山方向(浅部)最外围平行顺槽裂缝至顺槽的距离为37m。下山方向(深部)最外围平行顺槽裂缝至顺槽的距离为54m。弯曲方向朝向采空区(图 4)。

图  4  Y110207工作面地表裂缝展布

Figure  4.  Surface cracks distribution map of Y110207 working face

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4.   地面塌陷形成机理

4.1   模型的建立

根据羊场湾煤矿Y110207工作面钻孔揭露的地层、岩性资料, 结合该矿区的岩石力学实验参数, 对其进行相应的优化, 建立该工作面的FLAC^3D模型(图 5)。岩石力学参数见表 2。

图  5  Y110207工作面FlAC3D模型

Figure  5.  FlAC3D model of Y110207 working face

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表  2  岩石力学参数

Table  2.  Rock mechanical parameter table

岩性	自重密度/(g·cm3)	体积模量/GPa	切变模量/GPa	粘结力/MPa	内摩檫角/°	抗拉强度/MPa
松散层	1780	2.1	0.4	0.9	28	0.6
粉砂岩	2600	3.0	1.1	1.2	33	0.8
中砂岩	2650	4.6	1.2	1.0	35	1.1
粉砂岩	2600	3.3	1.8	1.3	33	0.8
细砂岩	2750	6.4	2.2	2.0	40	1.0
粉砂岩	2600	3.3	2.5	1.3	33	0.8
砂岩	2900	4.6	1.7	2.0	40	1.3
煤层	2030	2.2	1.0	1.1	31	0.6
底板砂岩	2860	3.9	3.3	3.5	35	1.0

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模型尺寸800m×800m×230m, 煤层厚度5.0m, 煤层埋深在80~145m之间, 平均埋深为100m, 模型采宽200m, 沿着走向开采。总共开采长度为400m, 每次挖取20m, 共开挖20步。

4.2   地面塌陷形成机理分析

4.2.1   覆岩移动破坏特征

煤层开采后, 地下形成采空区导致上覆岩层发生移动变形, 造成地面下沉及地表开裂。通过对模型进行剖面解析, 得到覆岩竖向位移云图、应力云图、塑性破坏分区图。从图 6可以看出, 煤层采出后, 采空区上方岩层在其自重应力作用下开始下沉。最大下沉位移接近3000mm, 位移量向四周逐渐递减。地表最大下沉值为2662mm。采空区煤柱侧处于受压状态, 最大竖向压力为8MPa, 且同一深度下越靠近采空区煤柱其应力分量越大, 造成上覆岩层的"整块"切落。随着工作面不断推进, 上覆岩层逐渐形成垮落带和裂缝带。

图  6  覆岩竖向位移及竖向应力云图

Figure  6.  Vertical displacement and vertical stress nephogram of overlying strata

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通过地表中心走向剖面的塑性破坏区分析得知, 随着煤层的开采, 采空区上方至地表的覆岩塑性破坏分为2种类型, 采空区35m范围内的覆岩竖向应力分量为正值, 受拉应力产生拉张破坏, 对应图 7-A中覆岩中部的2a区域; 采空区上方35m以上至地表范围内的岩层竖向应力分量为负值, 受压应力, 产生明显的剪切破坏, 裂缝带上行裂缝发育至地表, 对应图 7-A中的3b区域。采空区左、右两侧至煤壁处为压拉转化区, 受力状态为压应力逐渐转化为拉应力, 塑性破坏由剪切破坏变为拉张破坏, 对应图 7-A中的4c区域。采空区两侧煤壁附近未采区, 其上近地表覆岩遭受拉应力破坏, 对应图 7-A中的地表两侧2a区域, 且当区域的拉应力超过覆盖层应力极限时, 地表开始发育裂缝。

图  7  覆岩及地表破坏分区

A—走向；B—倾向

Figure  7.  Destructive zoning map of overlying strata and ground

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倾向上覆岩移动出现不对称性。下山方向(深部)的卸压范围大于上山方向(浅部), 塑性破坏较轻, 对应图 7-B中的1b区域。采空区两侧地表的2a区域受拉应力作用, 为平行顺槽裂缝强烈发育区; 倾向上裂缝带亦发育至地表, 但由于工作面内部受到来自两侧的相对挤压力, 导致该区域内平行顺槽裂缝不易发育(图 7-B)。

4.2.2   地表沉陷分析

地表沉陷盆地平面上总体近似呈"O"型(图 8、图 9)。最大下沉点位于采空区中部偏下山方向, 下沉量向四周逐渐递减。从图 9可以看出, 走向地表下沉曲线呈均匀、对称分布, 最大下沉点位于采空区中部, 下沉值为2662mm。切眼及停采线附近下沉曲率变化大, 为裂缝强发育区, 对应图 7中的地表 2a区。由于煤层小角度倾斜导致倾向地表下沉曲线略呈非均匀、不对称分布, 最大下沉点出现在采空区中部偏下山方向, 最大下沉值为2662mm。两侧顺槽附近地表下沉曲率变化大, 平行顺槽裂缝强烈发育。

图  8  地表下沉云图

Figure  8.  The map of land subsidence

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图  9  地表下沉曲线

A—走向地表下沉曲线；B—倾向地表下沉曲线

Figure  9.  Land subsidence curve

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4.2.3   水平移动变形分析

地表在走向水平应力方向的切眼及停采线附近表现为拉应力, 采空区中间为挤压应力。拉张应力值达到了0.5MPa, 超过了地表松散层的抗拉强度。走向地表水平移动曲线呈均匀、对称分布。最大水平移动点位于切眼及停采线附近, 移动值为570mm(图 10)。由于煤层倾斜导致地表倾向水平移动略呈不均匀、非对称分布。最大水平移动变形出现在工作面顺槽附近, 移动变形值为516mm, 倾向上两侧顺槽拉张水平应力值达0.2MPa, 超过地表松散层应力值。走向、倾向应力值大于地表松散层抗拉强度是裂缝发育的应力条件(图 11)。

图  10  地表走向水平应力云图及位移曲线

Figure  10.  Horizontal movement map of parallel mining direction on the surface

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图  11  地表倾向水平应力云图及位移曲线

Figure  11.  Horizontal movement map of vertical mining direction on the surface

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4.2.4   模型验证

一般情况下, 当地表覆盖层的水平拉伸变形超过其临界水平变形值时, 会造成地表开裂产生裂缝。通常塑性比较大的粘土, 地表拉伸变形超过6~ 10mm/m时地表产生裂缝; 若为塑性较小的砂质粘土、粘土质砂, 地表拉伸变形超过2~3mm/m时产生裂缝^[23]。

结合工作面实际地表覆盖层类型, 选取6mm/ m作为临界水平移动变形值。随着工作面不断推进, 平行切眼裂缝出现在切眼内外50m和停采线内外50m的范围内; 上山方向平行顺槽裂缝发育在顺槽外围25m的范围内; 下山方向平行顺槽裂缝发育在其顺槽外围50m的范围内(图 12)。裂缝的发育范围基本与下沉曲线变化值较大的位置一致, 与野外实际调查结果基本一致, 证明数值模拟结果可信。

图  12  地表裂缝发育范围

Figure  12.  Development range of surface cracks

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采空区中部为裂缝带导通区, 岩石内部上行裂缝与地表下行裂缝在此范围内贯通, 易形成错台。

5.   结论

(1) 根据无人机地表裂缝解译结果, 结合野外调查发现, 浅埋煤层开采造成的地面塌陷极严重, 地表裂缝极发育、塌陷槽局部发育; 平行切眼裂缝间隔性展布于整个工作面内, 间隔距离在10~120m之间, 局部范围裂缝有错台; 平行顺槽裂缝发育在工作面两侧顺槽外围, 上山方向裂缝带宽37m, 下山方向裂缝带宽54m。裂缝长度长、宽度大, 整体向采空区中部弯曲。

(2) 通过上覆岩层移动破坏模拟结果分析, 将上覆岩层的应力变化分为压应力区、拉应力区、压-拉转化区, 分别对应剪切破坏、拉张破坏及剪-拉破坏。

(3) 根据数值模拟结果, 分析认为, 采煤造成的上覆岩层移动破坏是地面塌陷发育的主要诱因。采煤导致采空区中部岩层发生弯曲、破断, 发育上行裂缝。采空区两端煤柱侧基岩在压应力的作用下被"整块"切落。当扰动传递至地表后, 地表移动变形值超过覆盖层抗拉强度且地表水平移动值超过其水平移动临界值时, 裂缝开始发育。地表下沉曲线中曲率变化最大的位置为地表裂缝的强发育区。由于埋深浅覆岩内部裂缝带发育至地表, 裂缝贯通, 形成错台。