（1）开采初期强制放顶对地表无影响，工作面“见方”时，各边界处的裂缝发育情况类似，“见方”后，关键层按循环爆破步距（20 m）的3倍周期垮落，两侧顺槽上方的地裂缝也按60 m“跳跃式”发育。（2）工作面正上方裂缝宽度及高差始终小于其它3处开采边界的裂缝，且闭合速度每隔一个放顶步距发生一次改变至最终完全闭合。（3）深（采深）厚（采厚）比较小，表土层薄造成对地表破坏最严重的边界不可自修复大裂缝，且裂隙带直达地表，绝大多数主裂缝处于采场边界内，裂缝闭合周期更短，约9d。浅埋薄表土层特厚煤层强制放顶条件下主要地裂缝演化规律实测
作者：王朋飞1 ， 牛一帆1 ， 陈可夯2 ， 张建利2 ， 高梦男3 ， 余 洋4, 5单位：1. 太原理工大学 矿业工程学院;2. 河南能源鹤煤公司 生产技术部;3. 内蒙古蒙泰不连沟煤业有限责任公司;4. 中国地质环境监测院;5. 自然资源部矿山生态效应与系统修复重点实验室黄河流域是我国重要的生态屏障。黄河流域 也是我国煤炭主要生产区，如宁东、神东、晋北、陕北等基地。山西地处黄河流域，是我国的煤炭大省，资 源赋存丰富，且多为优质煤炭资源。但山西大部处于 黄土高原，降水少，气候干旱，生态环境极为脆弱，生 态保护与煤炭开采矛盾突出。地下煤炭开采造成一系列生态破坏，矿区乃至周边水资源流失、地下水位大范围和大幅度疏降，地表构筑物损毁，植被衰退，荒漠化进程加快。目前，黄河 流域地表水开发利用率超 80%，山西、陕西境内的多 条支流出现严重断流。采空区也埋下巨大的安全隐患，例如，2014−10−24，乌鲁木齐市一煤矿发生采空区 垮落，16 人遇难、11人受伤。2016−04−19 凌晨北京 房山区发生采空区塌陷引起的 2.7 级地震。2020− 05−08 榆林市府谷县老虎沟煤矿 (停产煤矿) 发生 2.6 级塌陷地震，周边采空区地表出现不同程度裂缝，周边土山山崖出现轻微坍塌。2020−12−23，山东济宁市 曲阜市星村煤矿采空区塌陷造成 2.4 级地震。地裂缝是地下开采造成的主要地表破坏形式之 一。胡振琪等发现工作面正上方地裂缝不断发育和自修复，开采边界裂缝无法自修复;神东矿区地表动 态裂缝一般自动闭合周期为 18 d 左右，扩大均匀沉陷 区可减轻开采影响。王新静等发现超大工作面开 采动态地裂缝能快速闭合，均匀沉陷区更有利于自修 复。徐祝贺等发现神东浅埋高强度开采工作面中部 地表裂缝发育经历宽度增大—减小—稳定—再增大— 再减小阶段。胡青峰等发现大同塔山侏罗系煤层遗 留煤柱采空区在受到下组煤开采扰动时，覆岩沉陷形成“四带”。卞正富等将风积沙区超大工作面开采生态环境破坏过程划分为岩层破断、地表沉降、地表 动植物生境变化与土地利用变化以及矿区生态系统 随时间推移演替等 4 个过程。 戴华阳得出上湾矿 12401 工作面主裂缝发育周期约 14 d。侯恩科等揭 示了采动地表裂缝的平面展布规律、动态发育规律及 其与工作面生产进度之间的关系。赵毅鑫等提出 了基于无人机红外遥感及图像边缘检测技术的地裂 缝识别方法。钱鸣高等认为开采引起的地表沉陷 是覆岩主关键层破断块体互相咬合的结构曲线和表土层散体 (或黄土) 运动相互作用的结果。地层沉积过程中，受沉积物质、沉积条件和时间等因素影响，煤层之上常出现坚硬顶板的情况，我国许多矿区，例如大同、西山、晋城、焦坪、徐州西部、 朔州等矿区均存在这种情况。坚硬顶板悬顶时间长， 不易垮落，容易造成大面积来压、暴风等隐患。 例如，2016−03−23同煤安平矿5号煤层 8117 综采工作面，采空区大面积未垮顶板突然冒落，形成暴风，造 成 19 人死亡。2020−12−16 榆林市榆阳区金鸡滩 镇煤矿工作面大面积顶板来压垮落造成 2.6 级地震， 路面出现落差约 0.25 m、宽度约 0.12 m 的裂缝。坚硬顶板条件下开采岩移方面，胡守平等研究 发现大同“两硬”浅埋深煤层开采地表塌陷具有整体 一次性切冒特征, 且具有明显的滞后性和突发性, 塌 陷过程时间短、破坏性大、难以预测预防。侯志鹰等研究亦认为残留煤柱情况下的坚硬顶板滞后型 一次性切冒塌陷的滞后期很难有规律可循。余学义等研究认为基岩中存在大厚度坚硬岩层, 在一定范围内开采时，地表基本不动。赵通等研究发现厚硬 岩层厚度影响破断块体尺寸和力学结构形成，提出厚硬岩层下煤层开采岩层分区控制的原则和方法。 山西五家沟煤矿直接顶和基本顶均为坚硬砂岩，出现推进 50 m 以上仍不垮落的情况，特别是回采初 期。顶板突然大面积垮落时，不仅对支架造成强烈冲 击性载荷，同时采空区内有害气体瞬间挤出，可导致 工作面瓦斯超限，甚至形成破坏性飓风，严重威胁矿井安全。为此，五家沟矿成功应用爆破强制放顶技术 并取得良好卸压效果。但其地裂缝方面目前尚未研 究，坚硬顶板人工强制放顶条件下的地裂缝发育规律 更鲜见报道。如文献所述，目前煤岩层结构及采动 裂隙演化规律方面还是初步的，有关作用机理仍不清楚，分析预测方法还不完善，特别是与现代开采方法 的关系分析不够，煤岩层结构及煤炭规模开采覆岩采动裂隙演化规律需要更深入的研究。为此，笔者结合五家沟矿对浅埋特厚煤层薄表土层坚硬顶板强制放顶条件下地裂缝演化规律进行实测研究，以期为相似 条件下的地表裂缝和环境修复提供借鉴和指导。黄河流域是我国重要的生态屏障，也是我国重要煤炭基地集中区，生态保护与煤炭开采矛 盾在此处异常突出。晋北煤炭基地具有典型浅埋薄表土层特厚煤层坚硬顶板的埋藏条件普遍采用 强制放顶技术进行煤炭资源生产，但鲜见相关地理及技术条件下的地表主要裂缝演化规律研究， 地表主要裂缝的产生制约着此类矿井生态保护与煤炭开采协同发展。为此，针对该条件下地裂缝 的演化规律进行了实测研究，得到:（1）主要裂缝产生于开采边界，表现为先张拉、后上下错动且 裂缝上部与下部脱离、上台阶下方会出现空洞。（2）工作面“见方”时，开采各边界主要裂缝发育情况类似，“见方”后，关键层按循环爆破步距 (20 m) 的 3 倍周期垮落，两侧巷道上方地表主要裂缝 也按 60 m“跳跃式”发育。（3）工作面正上方主要裂缝宽度及高差始终小于其他 3 处开采边界的主 要裂缝，且闭合速度每隔一个放顶步距发生一次改变。（4）深 (采深) 厚 (采厚) 比较小、表土层薄时 易造成对地表破坏最严重的边界不可自修复大裂缝，且裂隙带直达地表，绝大多数主要裂缝处于 采场边界内，裂缝闭合周期更短，约 9 d。（5）110和N00工法及错层位等无煤柱开采技术可扩大均 匀沉陷区范围，缓解边界台阶裂缝损害，有利于源头治理和节省成本。图 1 矿井位置
图 2 钻孔柱状
图 3 工作面布置 (煤厚等值线)
图 4 测量仪器
图 5 观测范围计算
图 6 观测范围与方案
图 7 宽度大于 5 cm 裂缝时空分布
图 8 裂缝尺寸与工作面推进距离关系
图 9 微小裂隙
图 10 开切眼上方主裂缝发育过程
图 11 Z4 裂缝尺寸与工作面推进距离关系
图 12 开切眼上方主裂缝发育机理示意
图 13 采空区中部不断张拉又闭合的裂缝
图 14 地堑裂缝
图 15 15102 工作面初采顶板悬露示意
图 16 15102 工作面正常推采期间顶板悬露示意
图 17 数值模型
图 18 不同推进距离下覆岩运移与裂缝发育分析结果
图 19 不同推进距离下裂缝发育位移矢量
王朋飞，男，1988年4月生，河南濮阳人，中共党员，博士，副教授，硕士生导师，中国科协“青年人才托举工程”被托举人（2020），中国科协智库青年人才（2022），山西省“三晋英才”青年优秀人才（2019），Shock and Vibration学术编辑和编委。中国矿业大学（北京）采矿工程与美国南伊利诺伊大学岩石力学联合培养博士。主持国家自然科学基金项目2项（面上、青年各一项），省部级基金项目3项，横向课题10余项。获省部级二等以上奖励5项，发表SCI/EI论文20余篇，授权国内外发明专利20余项，出版专著2部。第38届国际采矿岩层控制大会同声传译。研究生全英文授课和本科生双语授课教师。
研究方向
矿山压力与岩层控制、矿区生态环境保护
主要成果
提出采空区与煤岩体采动应力协同演化理论，揭示了工作面形态对覆岩运移及采动应力分布的影响，发现了非常规弧形工作面底板岩体的劣化和塑性区发育规律，探究了采空区积水条件下相邻工作面间之间连同底板在内的煤柱的稳定性，提出了垮落带上方关键层下沉量及其下方采空区矸石压缩量的计算方法，发现煤层开采后实体围岩应力最集中区并非位于煤层中，而是位于采空区两侧覆岩中；开发了FLAC3D建模接口软件构建随机分布网格，研究了垮落角对采动煤岩应力分布规律的影响机理；发现了煤柱（体）极限平衡区宽度并非定值，而是自煤层顶面至底面逐渐增大的现象。
来源：
王朋飞，牛一帆，陈可夯，等. 浅埋薄表土层特厚煤层强制放顶条件下主要地裂缝演化规律实测[J]. 煤炭学报，2023，48(10):3674−3687.
责任编辑：宫在芹
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