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第 33 卷第 11 期 辽宁工程技术大学学报（自然科学版） 2014 年 11 月 Vol.33 No.11 Journal of Liaoning Technical University（Natural Science） Nov. 2014 收稿日期2014-03-11 基金项目科技部第六批中国-南非联合研究计划资助项目（2012DFG71060）；国家自然科学基金资助项目（41272388）；陕西省教育专项 基金资助项目（12JK0800） 作者简介汤伏全（1966-），男，陕西 西安人，博士，教授，主要从事矿山测绘方面的研究. 本文编校朱艳华 文章编号 1008-0562201411-1466-05 doi10.3969/j.issn.1008-0562.2014.11.006 西部矿区巨厚黄土层开采裂缝机理 汤伏全，张 健 （西安科技大大学 测绘学院，陕西 西安 710054） 摘 要为研究中国西部黄土矿区地表开采裂缝的形成机理，采用理论分析和试验的方法，运用土力学原理，结 合开采沉陷理论， 探讨土体剪切破坏与黄土层采动裂缝的形成机理.将理论应用到彬长矿区 B40301 工作面进行验 证分析.研究结果表明采动黄土层下沉弯曲引起的土体水平变形，造成土体单元水平方向应力松弛，达到剪切 破坏的极限平衡状态；地表土层中的侧向水平应力近似为零，当存在克服土体凝聚力或抗拉强度的拉伸应变时， 地表将会产生裂缝；推算出开采裂缝产生的临界深度预算公式，及地表产生裂缝的临界水平变形值计算公式. 关键词地表裂缝；黄土矿区；移动变形；沉陷 中图分类号TD 32 文献标志码A ation mechanism of cracks caused by mining in western China thick loess mine area TANG Fuquan, ZHANG Jian （（Institute of Surveying and Mapping Science and Engineering, Xian University of Technology, Xi’an 710054, China）） Abstract In order to study the ation mechanism of surface cracks caused by mining in western China loess mine, by theoretical analysis and test , using soil mechanics, combined with mining subsidence theory, this paper researched the mechanism of soil shear failure and loess cracks caused by mining, and analyzed and verified the theory by applying it in the B40301 working face of Binchang mine. The study results show that the deation, due to loess subsidence bend, caused the soil unit horizontal stress relaxation and reached the limit equilibrium state of shear failure. Surface soil lateral horizontal stress is approximately zero. When there is a tensile strain that can overcome soil cohesion or tensile strength, the surface cracks appear. On this basis, this paper deduced the budget ula of the critical cracks depth,and the ula of surface cracks critical level deation values. Key words surface cracks; loess mine; movement and deation; subsidence 0 引 言 煤层开采引起的地表裂缝，是开采沉陷引起地 表破坏的重要、直观的表现形式，地表裂缝对建筑 物有着极大损害.对开采裂缝产生机理的研究有着 重要的科学和工程意义.近年来， 国内外学者在不同 程度上对地表裂缝进行研究，但对裂缝形成的具体 机理研究不够深入，没有形成系统的理论[1].特别是 西部黄土矿区，黄土层覆盖岩层形成了其特殊地质 条件，黄土层的物理力学特性既不同于岩层，也有 别于其它矿区的表土层.黄土层在基岩沉降影响下 产生开采沉陷变形的同时，因土体单元的饱和状态 与应力状态改变而产生明显的附加变形，这依然是 国内外学者没有解决的问题[2-3].对于黄土矿区采动 裂缝研究较为复杂，本文针对西部黄土矿区的土层 地质条件，根据土体极限平衡条件结合开采沉陷理 论，对黄土层采动裂缝与土体剪切破坏的形成机理 进行深入研究，并且得出裂缝开始产生的临界深度 计算方法，也就是裂缝的深度预测公式，以及产生 裂缝时所需要的临界水平变形值计算公式，并将其 应用到彬长矿区 B40301 工作面的工程实例，并进 行分析研究， 对理论的正确性和实用性进行了验证. 1 采动土体单元剪切破坏机理 依据黄土体强度理论[4-6]及其破坏的极限平 第 11 期 汤伏全，等西部矿区巨厚黄土层开采裂缝机理 1467 衡条件[7]，采动黄土层下沉弯曲产生的附加应力 导致土体单元体积变形，假定土体单元在变形达 到极限状态（即单元体产生剪切或拉伸破坏）之 前，单元中土骨架的应力-应变关系符合线弹性本 构关系[8-10]，则开采沉陷变形与作用于土骨架上的 附加应力之间的关系，可按本构方程式确定. 由于土体饱和特性只涉及强度参数变化，与应 力无关，所以本文讨论不区分饱和土与非饱和土体 的情况，饱和土体单元[11-12]的线弹性本构关系[4]为 w w w w w w 2 2 σ2 x xyz y yxz z zxy Δuμ ΔεΔΔσΔu EE ΔΔu μ ΔεΔΔσΔu EE ΔΔuμ ΔεΔΔΔu EE                    （） （ Δ ， （1） 式中，Δσx、Δσy、Δσz为采动附加应力，Pa；Δuw为 孔隙水压力增量，N；E 为土体单元压缩模量，Pa； μ 为泊松比. 土体单元在采动影响之前的原始应力状态下， 竖直方向主应力 σz和水平方向主应力 σx之间满足 关系为 zx       1 . 一般黄土层条件下，侧压力系数小于 1，竖直 应力 σxz大于水平应力 σx，水平应力 σx为小主应力. 开采引起的水平拉伸变形 εx越大，对应的小主应力 σx越小，它们之间的关系由土骨架的线弹性本构方 程式（1）确定.当小主应力减小到一定程度时，原 始应力状态处于稳定的土体变形将达到极限平衡 状态[7,13]，对应的水平拉伸变形临界值为 εxm，根据 土骨架的线弹性应力-应变关系式（1）及莫尔-库仑 极限平衡方程式[7]，可得 mm m 2oo m tan452tan 45 22 xxz x xz σμ σσ ε EE σσc             .（2） 将式（2）中的第 2 式代入第 1 式并顾及竖直 主应力公式[7]，可得 2 m 1- tan45 2 1 2tan 45 -. 2 xz μμ εHγ EE μ c E              － εxm为土体单元破坏对应的开采水平变形临界 值，土体中任一点的水平拉伸变形值 εx≥εxm时，该 处土体单元产生剪切破坏，否则仅产生连续的沉陷 变形. 在式 （3） 中定义土体单元剪切破坏特征因子 a、 b，即 2o o 1 tan45 2 1 2tan 45 2 μμ aγ EE μ bc E                 . 土体单元破坏的临界拉伸变形 εxm随单元体距 地表深度增加而线性变化，其关系式为 mxz εaHb. 当系数 a≥0 时， εxm随黄土层深度增大而变大， 其相互关系曲线见图 1.在地表（Hz0）位置，土体 剪切破坏极限状态的水平变形临界值为最小， εminb.当 εx≥εmin时，采动黄土层产生剪切破坏.若 土体单元内摩擦角值足够小时，系数 a 可能小于 0，变化规律与图 1 相反. 图 1 εxm与土层深度 Hz的关系 Fig.1 relationship between εxm and soil depth Hz 由于开采沉陷变形是一个随工作面推进不断 发展的动态过程，在超前工作面的竖直剖面上，地 表的水平变形总是大于黄土层深部，因此地表总是 先于深部达到剪切破坏的极限平衡状态，主断面上 土层剪切破裂发展过程见图 2. 剪切破裂面的发展深度，取决于任意深度处开 采动态水平变形 εx值是否满足 xz aHb≥. 采动土体单元剪切破坏面与大主应力 σz作用 面（水平面）的夹角为 （3） 辽宁工程技术大学学报（自然科学版） 第 33 卷 1468 45 2 f θ    . 当剪切破坏区在深度上从地表贯通至基岩面时， 黄土层将由连续弯曲变形变为整体结构的剪切破坏， 使黄土体分割为块体结构， 而基岩的不均匀沉陷使黄 土块体之间发生错动，引起地表裂缝和台阶. 图 2 工作面推进时黄土层剪切破坏发展过程 Fig.2 development process of loess layer shear failure when mining face moving forwards 2 采动黄土层地表裂缝的形成机理 采动地表裂缝是由于土层弯曲产生拉伸变形引 起的.由于地表土层中的侧向水平应力近似为 0， 当存 在克服土体凝聚力或抗拉强度的拉伸应变时， 地表将 会产生裂缝.地表以下的土层随着深度的增加， 土体自 重力侧向应力x也会增大.由于开采水平变形的存在， 导致应变松弛使土体的侧向水平应力减小.在深度 hm 达到某一临界位置时， 开采水平变形对应的附加应力 刚好克服土体单元的凝聚力或抗拉强度时， 采动土体 达到开裂临界状态.在深度 hm以下侧向水平应力大 于临界值，土层不再发生开裂. 根据土骨架的线弹性应力应变关系式（1）和 式（2）可得 1 zmx xm E      . 令 mx σc , mmz σγ h 代入上式并整理得地表采 动裂缝深度计算公式 m 1 x Eμ hεc μ γμ γ    ， （4） 式中，c 为土层凝聚力，Pa；E 为土层压缩模量， Pa；μ 为土层泊松比；γ 为土层密度，kg/m3.采动裂 缝深度取决于地表开采水平变形εx及土层的强度参 数与弹性参数.将上式取 hm0，可得地表产生裂缝 的临界水平变形值 εm， m 1μ εc E   . 对于无凝聚力的沙土或垂直节理发育的黄土，地表 基本不能承受水平拉伸变形.在开采沉陷动态发展 过程中，工作面推进边界上方地表产生的水平拉伸 变形 εx总是由小逐渐增大.当工作面前方某处 εxεm 时， 地表开始产生裂缝.当工作面继续推进到一定位 置时，裂缝处水平变形不断集中，逐渐达到动态过 程的最大值， 其深度也达到最大值.随着工作面的推 进，动态水平变形开始减小，裂缝宽度将有所减小 直至闭合. 3 工程实例应用 3.1 彬长矿区 B40301 工作面 B40301 工作面是彬长矿区某矿首采工作面， 地 表为黄土台塬及沟壑地形.该工作面开采 4煤层， 开 采宽度 150 m， 沿走向推进 800 m， 平均采厚 8.0 m. 为获得该矿区首采工作面开采沉陷规律，在工作面 走向布设了地表移动观测线[14-15].观测站地貌及测 线布设见图 3. 图 3 B40301 工作面地形及观测站布设 Fig.3 terrain of mining face B40301 and layout of observation site 地表 A1 ABCD 工作面采空区 基岩面 B1C1D1 f D2C2B2 C3 D3 D4 第 11 期 汤伏全，等西部矿区巨厚黄土层开采裂缝机理 1469 3.2 开采过程中的地表破坏 当工作面推进至 300 m 时，实测地表最大下沉 为 0.57 m， 地表开始出现开裂， 裂缝宽度为 2～3 cm. 随着工作面的推进，在超前开采工作面外边缘 140 m 范围内形成多条采动裂缝，而采空区上方的 一些裂缝则有所闭合.当工作面推进至停采线附近 时，地表最大下沉接近 2.0 m，移动盆地内地下水 位明显下降.在停采边界外形成宽度大于 10 cm 的 开采裂缝见图 4，同时附近砖瓦结构的民房也遭受 较严重的变形和破坏见图 5. 图 4 工作面上方的地表裂缝 Fig.4 ground subsidence crack above mining face 图 5 采动引起的房屋破坏 Fig.5 damage of houses caused by mining 3.3 彬长矿区 B40301 工作面地表采动裂缝分析 工作面推进至停采边界（位于 Z12测点上方） 两个月后，实测地表走向主断面上下沉量，并进行 工作面的最大移动变形计算，绘制水平变形值的曲 线，见图 6. 地表采动裂缝发育深度和黄土层浸水湿陷深 度主要取决于地表拉伸变形特征.根据该工作面地 表走向和倾向主断面上的最大拉伸变形值，由式 （4） 计算采动裂缝最大深度 hxm.走向方向上地表最 大拉伸变形 εxm4.14 mm/m，位置坐标 xm-50 m， 倾向方向上地表最大拉伸变形 εym5.39 mm/m，位 置坐标 ym-77 m. （a）走向水平变形 （b）倾向水平变形 图 6 水平变形 Fig.6 horizontal deation 根据研究区采样试验结果确定黄土层的压缩 模量 E8.8 MPa， 凝聚力 c25 kPa， 泊松比3 . 0u， 18 kPa/m，代入式（4）得 m m 8 81 0 3 0 004 140 0253 5 m 0 3 0 0180 3 0 018 8 81 0 3 0 005 40 0255.6 m. 0 3 0 0180 3 0 018 x y .. h... .... .. h.. ....       ； 地表产生裂缝的最小拉伸变形 0 1 2 mm/m x μ εc E    . 根据图 6 查得其位置坐标 x0-140 m， y0-142 m. 据此分别绘出走向主断面和倾向主断面上采动裂 缝深度，见图 7. 图 7 裂缝深度计算 Fig.7 crack depth calculation chart 上述分析从开采沉陷变形与土力学原理上揭示 了该工作面上方黄土层和地表采动破坏的形成机理， 合理解释了上述工作面地表变形破坏的实际情况， 估算与工作面的实际情况相符，证实了推论的正确 性和实用性. 4 结 论 （1）采动黄土层下沉弯曲引起土体水平变形， 导致土体单元达到剪切破坏的极限平衡状态.而采 动黄土层剪切破坏后，黄土层的整体性遭到破坏， 辽宁工程技术大学学报（自然科学版） 第 33 卷 1470 黄土层将分割成块体，以块体运动形式移动. （2）土层弯曲产生的拉伸变形导致采动裂缝 产生.地表水平应力近似为 0，地表以下逐渐增大， 当地下某深度的水平变形附加应力刚好克服土体 单元凝聚力或抗拉强度时，达到平衡的临界状态， 土层不再开裂. （3）开采裂缝的深度预算为 m 1 x Eμ hεc μγμγ   . （4）地表产生裂缝的临界水平变形值为 m 1 . μ εc E   （5）裂缝产生是随工作面推进变化的动态过 程，当工作面前方某处水平拉伸变形达到开裂的临 界值 εm， 地表裂缝开始产生.水平变形随工作面推进 而继续集中， 裂缝深度增大直至最大值.之后随工作 面推进，动态水平变形开始减小，裂缝宽度将有所 减小直至闭合. 由于各种地质条件的复杂性难以确定，特殊情 况下的分析研究尚不足，且此理论进行的应用次数 还比较少， 有待于进一步的深入探讨.在今后的工程 应用中，会将其进行进一步验证分析和研究，以期 得到更深一层的研究成果. 参考文献 [1] 郭讯,戴君武.采煤沉陷与断层相互作用引起地表建筑破坏特点分析 [J].辽宁工程技术大学学报自然科学版,2006,256851-854. Guo Xun,Dai Junwu.Analysis of building damage caused by interaction between faults and coal mining subsidence[J].Journal of Liaoning Technical UniversityNatural Science,2006,256851-854. [2] 康建荣.山区采动裂缝对地表移动变形的影响分析[J].岩石力学与工 程学报,2008,1159-64. Kang Jianrong.Analysis of effect of fissures caused by underground mining on ground movement and deation[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2008,1159-64. [3] 刘向峰,汪有刚,张志静.煤岩体裂隙集度演化理论模型[J].辽宁工程 技术大学学报自然科学版,2011,302161-163. Liu Xiangfeng,Wang Yougang,Zhang Zhijing.Crack density evolution model of rock and coal[J].Journal of Liaoning Technical University Natural Science,2011,302161-163. [4] Bauer E.Calibration of a comprehensive hypoplasic model for granular materids[J].Soils and Foundations,1966,36113-26. [5] 邵生俊,陶虎,许萍.黄土结构性力学特性研究与应用的探讨[J].岩土 力学,2011S242-50. Shao Shengjun,Tao Hu,Xu Ping.Discussion on research of mechanical characteristics of loess considering structural behavior and its application[J].Rock and Soil Mechanics,2011S242-50. [6] 王永炎,林在贯.中国黄土的结构特征及物理力学性质[M].北京科学 出版社,1990147-153. Wang Yongyan,Lin Zaiguan.The Structural Features and the Physical and Mechanical Features of Chinese Loess[M].BeijingScience Press, 1990147-153. [7] 杨进良,陈环.土力学[M].北京中国水利水电出版社,2009189-195. Yang Jinliang,Chen Huan.Soil Mechanics[M].BeijingChina Water Power Press,2009189-195. [8] 卢廷浩,刘祖德,陈国兴.高等土力学[M].北京机械工业出版社, 2006101-108. Lu Tinghao,Liu Zude,Chen Guoxing.Advanced Soil Mechanics[M]. BeijingMachinery Industry Press,2006101-108. [9] 费雷德隆德,拉哈尔佐.非饱和土力学[M].陈仲颐,张在明,陈愈炯,蒋 国澄,吴肖茗,石振华.北京中国建筑工业出版社,1997421-422. Fredlund,Rahardjo.Unsaturated Soil Mechanics[M].Chen Zhongyi, Zhang Zaiming,Chen Yujiong,Jiang Guocheng,Wu Xiaoming,Shi Zhenhua.BeijingChina ArchitectureBuilding Press,1997421-422. [10] 王国钦,肖树芳.土结构性本构模型研究现状综述[J].工程地质学 报,2006,145620-626. Wang Guoqin,Xiao Shufang.Review on current situation of soil structural constitutive models[J].Journal of Engineering Geology, 2006,145620-626. [11] Al shawaf T M,Powell G H.Variable modulus model for nonlinear analysis of soils[J].Procedure Symp on Application of Computer s in Engineering,1977 1423. [12] Desai C S,Shao C,Park I J.Disturbed state modeling of cyclic behavior of soils and interface in dynamic soils structure interaction[C]//Yuan Jianxin.9th Int.Conf.Computer s and Advances in Geomechanics. WuhanHolland AA Balkema Publishers,1997 319-322. [13] 沈珠江.理论土力学[M].北京中国水利水电出版社,2000. Shen Zhujiang.Theoretical Soil Mechanics[M].BeijingChina Water Power Press,2000. [14] 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,1991. He Guoqing,Yang Lun,Ling Gengdi,et al.Mining Subsidence Science[M]. XuzhouChina University of Mining and Technology Press,1991. [15] 余学义,张恩强.开采损害学[M].北京煤炭工业出版社,2004. Yu Xueyi,Zhang Enqiang.Mining Damage Science[M].BeijingChina Coal Industry Publishing House,2004.