《工程科学学报》录用稿，htps:/doi.org/10.13374/i,issn2095-9389.2021.06.29.001©北京科技大学2020 榆神府矿区采煤地表裂缝发育规律及特征 谢晓深12)，侯恩科12)四，冯栋12)，从通3》，侯鹏飞12)，陈秋计4)，王建 文5)，李民峰6)，谢永利) 1).西安科技大学地质与环境学院，陕西，西安710054： 2)陕西省煤炭绿色开发地质保障重点实验室，陕西，西安710054： 3)中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西西安710077： 4).西安科技大学测绘科学与技术学院，陕西西安，710054： 5)陕煤集团柠条塔矿业有限公司，陕西神木719300： 6).陕西浦鑫矿业有限责任公司，陕西府谷719400： 7).陕西小保当矿业有限公司，陕西，榆林719302) ☒通信作者，E-mail:houek@xusL.ed山.cn 终出版稿 摘要：榆神府矿区是陕北一个重要的原煤产地，煤炭开发利用规模 强度高，但区内生态环境脆弱，采煤诱发 的矿山地质环境问题尤为显著。为全面掌握榆神府矿区采煤地表裂缝“静”、“动”态发育规律、揭示其形成机理， 以榆神府矿区的安山煤矿、柠条塔煤矿和小保当一号先的典型作面为对象开展研究。研究结果表明：①地表裂缝 分为台阶型、挤压隆起型、滑动型和拉张型4种类型以及“塌陷槽”、“平行并列”2种组合方式。②榆神府矿区地 表裂缝平面展布规律具有相对统一性，而地表裂缝表现特征具有差异性，且与采深采厚比呈负相关关系：③极浅 埋煤层开采、浅埋煤层开采以及中深埋煤层开采地表裂缝分别具有滞后回采位置1.0m、超前回采位置8.5血和滞后回 采位置30.14细的动态扩展规律，且地表裂缝滞后距与采深采厚比之间存在多项式的函数关系：④边界裂缝和面内 正向坡裂缝具有“只开不合”的活动特征面内逆向坡裂缝具有“先开后合”的活动特征，面内平坦区裂缝则具有 “先开后合再开”和“先开后合艺两种裂缝活动特征，平均活动时间3.7~7.0d:裂缝“先开后合再开”的活动 受覆岩运移控制，“只开不合和先开后合”的裂缝活动受地表移动变形控制，而斜坡裂缝活动机理则与坡体滑 移密切相关。研究成果可为榆神府矿区地表裂缝治理和生态修复提供指导。 关键词：煤炭开采：地表裂缝：发育规律：形成机理：榆神府矿区 中图分类号： 文献标识码 Study on the Development Law and Characteristics of Surface cracks caused by coal mining in Yushenfu Mining area XIE Xiaoshen!2),HOU Enke!2).FENG Dong2,CONG Tong3,HOU Pengfei2).CHEN Qiuji,WANG Jiamwen.LI Minfeng,XIE Yongli? 1)School of Geology and Environment,Xi'an University of Science and Technology,Xi'an 710054,China; 收稿日期：修回日期： 基金项目：国家自然科学基金项目(42177174)；陕西煤业化工集团科研计划项目(2018MHKJ-B-J-24);中央引 导地方科技创新专项项目(2020ZY-JC-03);陕西联合基金资助项目(2021LM-09） 作者简介：谢晓深(1992-)，男，安徽萧县人，博士研究生，主要从事矿区生态环境保护方面的科研工作，E mail 957184158@qq.com-
榆神府矿区采煤地表裂缝发育规律及特征 谢晓深 1,2)，侯恩科 1,2) ，冯栋 1,2)，从通 3)，侯鹏飞 1,2)，陈秋计 4)，王建 文 5)，李民峰 6)，谢永利 7) 1）.西安科技大学 地质与环境学院，陕西，西安 710054； 2）.陕西省煤炭绿色开发地质保障重点实验室，陕西，西安 710054； 3）.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077； 4）.西安科技大学 测绘科学与技术学院，陕西 西安，710054； 5）.陕煤集团柠条塔矿业有限公司，陕西 神木 719300； 6）.陕西涌鑫矿业有限责任公司，陕西 府谷 719400； 7）.陕西小保当矿业有限公司，陕西，榆林 719302） 通信作者，E-mail: houek@xust.edu.cn 摘 要：榆神府矿区是陕北一个重要的原煤产地，煤炭开发利用规模大、强度高，但区内生态环境脆弱，采煤诱发 的矿山地质环境问题尤为显著。为全面掌握榆神府矿区采煤地表裂缝“静”、“动”态发育规律、揭示其形成机理， 以榆神府矿区的安山煤矿、柠条塔煤矿和小保当一号井的典型工作面为对象开展研究。研究结果表明：① 地表裂缝 分为台阶型、挤压隆起型、滑动型和拉张型 4 种类型以及“塌陷槽”、“平行并列”2 种组合方式。② 榆神府矿区地 表裂缝平面展布规律具有相对统一性，而地表裂缝表现特征具有差异性，且与采深采厚比呈负相关关系；③ 极浅 埋煤层开采、浅埋煤层开采以及中深埋煤层开采地表裂缝分别具有滞后回采位置 1.0m、超前回采位置 8.5m 和滞后回 采位置 30.14m 的动态扩展规律，且地表裂缝滞后距与采深采厚比之间存在多项式的函数关系；④ 边界裂缝和面内 正向坡裂缝具有“只开不合”的活动特征，面内逆向坡裂缝具有“先开后合”的活动特征，面内平坦区裂缝则具有 “先开后合再开”和“先开后合”两种裂缝活动特征，平均活动时间 3.7～7.0 d；裂缝“先开后合再开”的活动 受覆岩运移控制，“只开不合”和“先开后合”的裂缝活动受地表移动变形控制，而斜坡裂缝活动机理则与坡体滑 移密切相关。研究成果可为榆神府矿区地表裂缝治理和生态修复提供指导。 关键词：煤炭开采；地表裂缝；发育规律；形成机理；榆神府矿区 中图分类号： 文献标识码 Study on the Development Law and Characteristics of Surface cracks caused by coal mining in Yushenfu Mining area XIE Xiaoshen1,2) ,HOU Enke1,2), FENG Dong1,2), CONG Tong3), HOU Pengfei1,2), CHEN Qiuji4), WANG Jianwen5),LI Minfeng6), XIE Yongli7) 1) School of Geology and Environment, Xi’an University of Science and Technology, Xi’an 710054, China; 收稿日期： 修回日期： 基金项目：国家自然科学基金项目（42177174）；陕西煤业化工集团科研计划项目（2018MHKJ-B-J-24）；中央引 导地方科技创新专项项目（2020ZY-JC-03）；陕西联合基金资助项目（2021JLM-09） 作者简介：谢晓深（1992-），男，安徽萧县人，博士研究生，主要从事矿区生态环境保护方面的科研工作，Email：957184158@qq.com。 《工程科学学报》录用稿，https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2021.06.29.001 ©北京科技大学 2020 录用稿件，非最终出版稿
2)Shaanxi Provincial Key Laboratory of Geological Support for Coal Green Exploitation Xi'an 710054 China; 3)Xi'an Research Institute,China Coal Technology and Engineering Group Corp,Xi'an 710077,China;; 4)College of Mapping Science and Technology,Xi'an University of Science and Technology,Xi'an 710054,China;. 5)Shenmu Ningtiaota Coal Mining Company Ltd,Shenmu,Shaanxi 719300,China; 6)Shaanxi Yongxin Mining Limited Liability Company,Fugu Shaanxi 719400,China; 7)Shaanxi Xiaobaodang Mining Corporation Limited,Yu Lin Shaanxi 719302,China A BSTRCT:Yushenfu mining area with large scale and high intensity is an important raw coal producing area in northern Shaanxi.,but the fragile ecological environment makes the mine geological environment problems caused by coal mining particularly significant.In order to grasp the development law of surface cracks and reveal the formation mechanism caused by coal mining in Yushenfu mining area,the typical working faces of Anshan Coal Mine,Caragana Tower Coal Mine and 1 Coal Mine of Xiaobaodang in Yushenfu Mining area were taken as the research object to carry out the study.The results show that:the surface cracks can be divided into four types:step type,extrusion uplift type,sliding type and tension type,as well as two combination modes of collapse trough and parallel.The spatial distribution law of surface cracks in Yushenfu mining area is relatively unified,the performance characteristics of surface cracks are different, and has a negative correlation with the ratio of mining depth to mining thickness.The surface cracks induced by very shallow coal seam mining,shallow coal seam mining and medium-deep coal seam mining have the dynamic law of lagging mining position 1.0m,advanced mining position 8.5m and lagging mining position 30.14m,respectively and the relationship between the lag distance of surface cracks and the ratio of mining depth to mining thickness is a function of polynomials.The characteristic of width of boundary cracks and forward slope cracks in working face was increasing until stable.Different from the boundary cracks,the characteristic of width of the reverse slope cracks was increases first and then decreases,and the width of the cracks in the flat area in working face increases first,then decreases,and then increases.The average activity time was 3.7 to 7.0 days.The crack with the activity of "opening first and then closing"is controlled by the dynamic evolution of overlying rock structure,and the fracture with the activity of"only opening and then closing"and "opening first and then closing"were controlled by surface dynamic evolution,However,the activity mechanism of slope fracture is closely related to slope slip.The research results can provide theoretical guidance for surface crack control and ecological restoration in Yushenfu mining area. Keywrds:Coal Mining.Surface crak Development aw Formation mechanism:Yushenfu mining area 煤矿区生态环境保护和提升是近年来研究的重点和热点)，而地表裂缝作为煤矿区最常见的 一种矿山地质灾害，逐渐成为通内外学者的研究焦点闪。采煤诱发的地表裂缝是覆岩运移和土体 变形的耦合作用结果人其发生发育特征与采煤工艺、开采地质条件以及开采参数等密切相关。目前， 在地表裂缝发育规律和形成机理方面取得了一定的研究成果。胡振琪等揭示了风积沙区采煤地表 裂缝超期发育和“型动态发育特征：徐祝贺等圆研究了浅埋大采高工作面开采对地表损伤的影 响，揭示了双洞期+双稳定”的地表裂缝动态发育规律：戴华阳等揭示了神东矿区浅埋高强度 开采工作面地表裂缝全生命周期活动特点：侯恩科等山利用无人机遥感影像成功获取了中埋深煤 层开采地表裂缝平面展布特征，并对比了卫星遥感影像和无人机遥感影像在裂缝识别中的优缺点： Zhou Dawei等2阐述了地表裂缝“M”型活动特征机理，其认为覆岩双关键层不同时序破断是控 制地表裂缝发生“M”型活动的关键：王云广等从地表水平变形的角度推算出了土体变形“拉 伸-压缩”定性分析了地表裂缝“开裂-闭合”的活动过程：陈超等总结了我国地表裂缝形成机理 现状，分别阐述了不同类型裂缝的形成机理，并指出了研究方向。 榆神府矿区是陕北一个重要的原煤产地，煤炭资源储量丰富、含煤面积约27140k,煤层赋存 稳定，地质构造相对简单，适宜规模化机械开采。近年来，榆神府矿区开采规模和强度越来越大， 但该区地质环境脆弱，煤层开采地质条件变化较大、由南向北开采深度逐渐减小，且整体地貌由风
2) Shaanxi Provincial Key Laboratory of Geological Support for Coal Green Exploitation Xi’an 710054 China; 3) Xi’an Research Institute，China Coal Technology and Engineering Group Corp， Xi’an 710077，China;; 4) College of Mapping Science and Technology, Xi′an University of Science and Technology，Xi′an 710054，China;. 5) Shenmu Ningtiaota Coal Mining Company Ltd， Shenmu, Shaanxi 719300，China; 6) Shaanxi Yongxin Mining Limited Liability Company, Fugu Shaanxi 719400,China; 7) Shaanxi Xiaobaodang Mining Corporation Limited, Yu Lin Shaanxi 719302, China; ABSTRCT: Yushenfu mining area with large scale and high intensity is an important raw coal producing area in northern Shaanxi., but the fragile ecological environment makes the mine geological environment problems caused by coal mining particularly significant. In order to grasp the development law of surface cracks and reveal the formation mechanism caused by coal mining in Yushenfu mining area, the typical working faces of Anshan Coal Mine, Caragana Tower Coal Mine and 1# Coal Mine of Xiaobaodang in Yushenfu Mining area were taken as the research object to carry out the study. The results show that: the surface cracks can be divided into four types: step type, extrusion uplift type, sliding type and tension type, as well as two combination modes of collapse trough and parallel. The spatial distribution law of surface cracks in Yushenfu mining area is relatively unified, the performance characteristics of surface cracks are different, and has a negative correlation with the ratio of mining depth to mining thickness. The surface cracks induced by very shallow coal seam mining, shallow coal seam mining and medium-deep coal seam mining have the dynamic law of lagging mining position 1.0m, advanced mining position 8.5m and lagging mining position 30.14m, respectively and the relationship between the lag distance of surface cracks and the ratio of mining depth to mining thickness is a function of polynomials. The characteristic of width of boundary cracks and forward slope cracks in working face was increasing until stable. Different from the boundary cracks, the characteristic of width of the reverse slope cracks was increases first and then decreases, and the width of the cracks in the flat area in working face increases first, then decreases, and then increases. The average activity time was 3.7 to 7.0 days. The crack with the activity of "opening first and then closing" is controlled by the dynamic evolution of overlying rock structure, and the fracture with the activity of "only opening and then closing" and "opening first and then closing" were controlled by surface dynamic evolution，However，the activity mechanism of slope fracture is closely related to slope slip. The research results can provide theoretical guidance for surface crack control and ecological restoration in Yushenfu mining area. Keywords: Coal Mining; Surface cracks; Development law; Formation mechanism; Yushenfu mining area 煤矿区生态环境保护和提升是近年来研究的重点和热点[1-3]，而地表裂缝作为煤矿区最常见的 一种矿山地质灾害，逐渐成为了国内外学者的研究焦点[4’5]。采煤诱发的地表裂缝是覆岩运移和土体 变形的耦合作用结果，其发生发育特征与采煤工艺、开采地质条件以及开采参数等密切相关[6]。目前， 在地表裂缝发育规律和形成机理方面取得了一定的研究成果。胡振琪等[7]揭示了风积沙区采煤地表 裂缝超期发育和“M”型动态发育特征；徐祝贺等[8]研究了浅埋大采高工作面开采对地表损伤的影 响，揭示了“双周期+双稳定”的地表裂缝动态发育规律；戴华阳等[9]揭示了神东矿区浅埋高强度 开采工作面地表裂缝全生命周期活动特点；侯恩科等[10’11]利用无人机遥感影像成功获取了中埋深煤 层开采地表裂缝平面展布特征，并对比了卫星遥感影像和无人机遥感影像在裂缝识别中的优缺点 ； Zhou Dawei 等[12]阐述了地表裂缝“M”型活动特征机理，其认为覆岩双关键层不同时序破断是控 制地表裂缝发生“M”型活动的关键；王云广等[13]从地表水平变形的角度推算出了土体变形“拉 伸-压缩”定性分析了地表裂缝“开裂-闭合”的活动过程；陈超等[14]总结了我国地表裂缝形成机理 现状，分别阐述了不同类型裂缝的形成机理，并指出了研究方向。 榆神府矿区是陕北一个重要的原煤产地，煤炭资源储量丰富、含煤面积约 27140km2，煤层赋存 稳定，地质构造相对简单，适宜规模化机械开采[15]。近年来，榆神府矿区开采规模和强度越来越大， 但该区地质环境脆弱，煤层开采地质条件变化较大、由南向北开采深度逐渐减小，且整体地貌由风 录用稿件，非最终出版稿
沙滩地转变为黄土沟壑，致使采煤引起的矿山地质灾害相对显著，尤其是地表裂缝对区内生态环 境和人居环境造成了巨大影响。因此，采煤地表裂缝成为了榆神府矿区塌陷治理和生态修复的重 点关注对象。范立民等在研究西部高强度采煤区地质灾害时，利用分维思想揭示了矿区内典型综 采工作面上方地表裂缝展布规律：侯恩科等以榆神府矿区内黄土沟壑区浅埋煤层开采诱发的地表 裂缝为研究对象，揭示了不同位置地表裂缝的动态发育规律。王双明等揭示了风沙滩地区中深埋 开采地表裂缝对表生环境的影响，介绍了地表裂缝发育类型和扩展规律：刘辉等2利用薄板理论揭 示了西部黄土沟壑区塌陷型裂缝的形成机理，认为关键层是控制塌陷型裂缝滞后发育的关键：黄 庆享等通过构建数值模拟和相似材料模拟实验，揭示了近距离浅埋煤层群错距开采“应力场”、 “裂隙场”和“地表位移场”的三场耦合演化特征，阐述了裂缝发育规律的形成机理。郭文兵等四 总结了西部高强度开采矿区开采沉陷特征，并提出了防控思路。 以上成果为采煤地表裂缝发育规律和形成机理深入研究奠定了理论和技术基础。但对榆神府矿 区不同开采地质条件下的采煤地表裂缝发有规律、动态扩展规律、裂缝活动演论规健及形成机制的 集成性研究较少，缺乏对地表裂缝动态发育及裂缝活动机理的探讨。为全面揭示榆神府矿区不同开 采地质条件下地表裂缝发育规律，阐明地表裂缝动态扩展和裂缝活动机制， 继而为煤矿区地表裂 缝治理和生态修复提供科学指导，笔者以极浅埋煤层开采、浅埋煤层开采和中深埋煤层开采的典型 工作面为背景开展了关于地表裂缝的综合研究。 1研究区典型工作面开采概况 由北向南分别选取了安山煤矿、柠条塔煤矿和小保当干井（图1）的5个典型开采工作面作 为调查对象，对比研究不同开采地质条件下采煤地表裂缝发有规律，动态扩展和裂缝活动规律， 探讨地表裂缝的治理模式。其中，125203工作面位矛通煤矿是极浅埋煤层开采的典型工作面，工 作面尺寸为3152×270m,开采52煤层，开采厚度2,0mX最小开采深度20m,位于工作面过菜沟段， 平均推采速度为11.5m/d,一次性采全高，地表起伏多变为典型的黄土沟壑地貌。S1230、N1212和 S12002工作面为柠条塔煤矿浅埋煤层综采工作面，开采尺寸分别为 4993×324m,1965×170m、3956×344m,开采22煤层，开采厚度分别为6.5m、4.8m和4.1m,平均开 采深度为181m、178m和191m,平均推采速度分别为9.0m/d、8.0m/d和9.0m/d,一次性采全高， 全部垮落法管理顶板：N1212工作面位于黄土沟壑区，S1230和S12002工作面位于风沙滩地区。 112201工作面为小保当煤矿气煤欲首采面，工作面尺寸为4560×350m,开采22煤层，采厚为 5.8m/d,平均采深302m/d,平均推采速度12.8m/d,一次性采全高，全部垮落法管理顶板，地貌 为风沙滩地。工作面参数见表风 N 录用 Boundary of coal mine Anshan coal min Loess gully Boundary of Yushenfu mining area Ningtiaota coal mine Loess gully Aeolian area 1#coal mine of Xiaobaodang Acolian area 0102030km 图1研究区位置及地貌
沙滩地转变为黄土沟壑，致使采煤引起的矿山地质灾害相对显著，尤其是地表裂缝对区内生态环 境和人居环境造成了巨大影响[16]。因此，采煤地表裂缝成为了榆神府矿区塌陷治理和生态修复的重 点关注对象。范立民等[17]在研究西部高强度采煤区地质灾害时，利用分维思想揭示了矿区内典型综 采工作面上方地表裂缝展布规律；侯恩科等[18]以榆神府矿区内黄土沟壑区浅埋煤层开采诱发的地表 裂缝为研究对象，揭示了不同位置地表裂缝的动态发育规律。王双明等[19]揭示了风沙滩地区中深埋 开采地表裂缝对表生环境的影响，介绍了地表裂缝发育类型和扩展规律；刘辉等[20]利用薄板理论揭 示了西部黄土沟壑区塌陷型裂缝的形成机理，认为关键层是控制塌陷型裂缝滞后发育的关键；黄 庆享等[21]通过构建数值模拟和相似材料模拟实验，揭示了近距离浅埋煤层群错距开采“应力场”、 “裂隙场”和“地表位移场”的三场耦合演化特征，阐述了裂缝发育规律的形成机理。郭文兵等[22] 总结了西部高强度开采矿区开采沉陷特征，并提出了防控思路。 以上成果为采煤地表裂缝发育规律和形成机理深入研究奠定了理论和技术基础。但对榆神府矿 区不同开采地质条件下的采煤地表裂缝发育规律、动态扩展规律、裂缝活动演化规律及形成机制的 集成性研究较少，缺乏对地表裂缝动态发育及裂缝活动机理的探讨。为全面揭示榆神府矿区不同开 采地质条件下地表裂缝发育规律，阐明地表裂缝动态扩展和裂缝活动机制，继而为煤矿区地表裂 缝治理和生态修复提供科学指导，笔者以极浅埋煤层开采、浅埋煤层开采和中深埋煤层开采的典型 工作面为背景开展了关于地表裂缝的综合研究。 1 研究区典型工作面开采概况 由北向南分别选取了安山煤矿、柠条塔煤矿和小保当一号井（图 1）的 5 个典型开采工作面作 为调查对象，对比研究不同开采地质条件下采煤地表裂缝发育规律，动态扩展和裂缝活动规律， 探讨地表裂缝的治理模式。其中，125203 工作面位于安山煤矿是极浅埋煤层开采的典型工作面，工 作面尺寸为 3152×270m，开采 5 -2煤层，开采厚度 2.0m，最小开采深度 20m，位于工作面过菜沟段， 平均推采速度为 11.5m/d，一次性采全高，地表起伏多变为典型的黄土沟壑地貌。S1230、N1212 和 S12002 工 作 面 为 柠 条 塔 煤 矿 浅 埋 煤 层 综 采 工 作 面 ， 开 采 尺 寸 分 别 为 4993×324m，1965×170m、3956×344m，开采 2 -2煤层，开采厚度分别为 6.5m、4.8m 和 4.1m，平均开 采深度为 181m、178m 和 191m，平均推采速度分别为 9.0m/d、8.0 m/d 和 9.0 m/d，一次性采全高， 全部垮落法管理顶板；N1212 工作面位于黄土沟壑区，S1230 和 S12002 工作面位于风沙滩地区 。 112201 工作面为小保当煤矿一号煤矿首采面，工作面尺寸为 4560×350m，开采 2 -2煤层，采厚为 5.8 m/d，平均采深 302 m/d，平均推采速度 12.8m/d，一次性采全高，全部垮落法管理顶板，地貌 为风沙滩地。工作面参数见表 1。 图 1 研究区位置及地貌 录用稿件，非最终出版稿
Fig.1 Location and geomorphology of the study area 表1典型工作面开采参数表 Table.1 Parameters of typic working faces Working Mining Coal Mining speed/ Length x Width Mining depth/m Mining method Geomorphology faces thickness/m seam (m*d-1) 20 trench 125203 3152×270m 2.0 N 11.5 Long wall coal mining Loess gully bottom) S1230 4993×324m 6.5 181 2 9.0 Long wall coal mining Aeolian beach N1212 1965×170m 4.8 178 8.0 Long wall coal mining Loess gully S12002 3956×344m 4.1 191 22 9.0 Long wall coal mining Aeolian beach 112201 4560x350m 5.8 302 2 12.8 Long wall coal mining Aeolian beach 2采煤地表裂缝发育特征及规律 2.1采煤地表裂缝静态发育规律 （1)地表裂缝类型及组合形式 裂缝调查结果显示：榆神府矿区内主要发育4种类型的地表裂缝， 分别是台阶型、挤压隆起型、 滑动型和拉张型裂缝。裂缝之间存在2种组合形式。 台阶型裂缝：形似“阶梯”，分为上、下台阶两部分两台阶之间存在落差，一般情况下台阶 朝向采空区（图2(a)),于黄土沟壑采区内大面积分， 风沙滩地工作面开采边界上方局部发 育。 挤压隆起型裂缝：是地表受挤压作用形成的隆起具有一定的隆起高度，受地形影响明显， 主要分布在沟壑山间平台或者下坡面、坡脚位置（图②b)),风沙滩地区基本不发育。 滑动型裂缝：一般是采动过程中地表坡体①均匀下沉和坡体滑移共同造成的，一般具有滑移 面，主要分布在黄土沟壑采煤区内。滑动型裂缝又分为“滑动I型”和“滑动Ⅱ型”两种，其中 “滑动I型”一般发育在与回采方向相反的逆向坡体上，坡体滑移明显、裂缝宽度较大（图 2(℃))：“滑动Ⅱ型”一般发育在与回采方向相同的正向坡体上，高位区坡体在下沉和滑移的 双重作用下“斜切”入低位坡体内，形成裂缝，一般裂缝宽度较小，具有“台阶”特征，朝向与 回采方向相反（图2(d))。Y 拉张型裂缝：是地表受友向拉张力形成的，裂缝两侧无台阶、无落差，一般呈直线状和弧状， 一定条件下会出现“集群发育现象（图2（©）、图2(f))。主要发育于地形平坦区，柠条塔煤 矿S1230工作面、S12002下作面以及小保当一号井112201工作面采空区上方。 采煤地表裂缝的两种组合形式分别是“塌陷槽”和“平行并列组合式”。塌陷槽是由两条朝向 相反的台阶状裂缝构成、形似槽状，两裂缝之间的为塌陷槽宽度，多发育于开采边界上方地表（图 2(g)）:平彷并列组合即相邻两条裂缝以近似平行的形式间隔分布，一般为面内地表裂缝的组 合方式，且两条击裂缝之间间隔距离与基本顶周期来压步距基本一致（图2(）)。 e
Fig.1 Location and geomorphology of the study area 表 1 典型工作面开采参数表 Table.1 Parameters of typic working faces Working faces Length × Width Mining thickness/m Mining depth/m Coal seam Mining speed/ （m*d-1） Mining method Geomorphology 125203 3152×270m 2.0 20（trench bottom） 5 -2 11.5 Long wall coal mining Loess gully S1230 4993×324m 6.5 181 2 -2 9.0 Long wall coal mining Aeolian beach N1212 1965×170m 4.8 178 2 -2 8.0 Long wall coal mining Loess gully S12002 3956×344m 4.1 191 2 -2 9.0 Long wall coal mining Aeolian beach 112201 4560×350m 5.8 302 2 -2 12.8 Long wall coal mining Aeolian beach 2 采煤地表裂缝发育特征及规律 2.1 采煤地表裂缝静态发育规律 （1）地表裂缝类型及组合形式 裂缝调查结果显示：榆神府矿区内主要发育 4 种类型的地表裂缝，分别是台阶型、挤压隆起型、 滑动型和拉张型裂缝。裂缝之间存在 2 种组合形式。 台阶型裂缝：形似“阶梯”，分为上、下台阶两部分，两台阶之间存在落差，一般情况下台阶 朝向采空区（图 2（a）），于黄土沟壑采区内大面积分布，风沙滩地工作面开采边界上方局部发 育。 挤压隆起型裂缝：是地表受挤压作用形成的隆起，具有一定的隆起高度，受地形影响明显， 主要分布在沟壑山间平台或者下坡面、坡脚位置（图 2（b）），风沙滩地区基本不发育。 滑动型裂缝：一般是采动过程中地表坡体不均匀下沉和坡体滑移共同造成的，一般具有滑移 面，主要分布在黄土沟壑采煤区内。滑动型裂缝又分为“滑动 I 型”和“滑动 II 型”两种，其中 “滑动 I 型”一般发育在与回采方向相反的逆向坡体上，坡体滑移明显、裂缝宽度较大（图 2（c））；“滑动 II 型”一般发育在与回采方向相同的正向坡体上，高位区坡体在下沉和滑移的 双重作用下“斜切”入低位坡体内，形成裂缝，一般裂缝宽度较小，具有“台阶”特征，朝向与 回采方向相反（图 2（d））。 拉张型裂缝：是地表受反向拉张力形成的，裂缝两侧无台阶、无落差，一般呈直线状和弧状， 一定条件下会出现“集群”发育现象（图 2（e）、图 2（f））。主要发育于地形平坦区，柠条塔煤 矿 S1230 工作面、S12002 工作面以及小保当一号井 112201 工作面采空区上方。 采煤地表裂缝的两种组合形式分别是“塌陷槽”和“平行并列组合式”。塌陷槽是由两条朝向 相反的台阶状裂缝构成、形似槽状，两裂缝之间的为塌陷槽宽度，多发育于开采边界上方地表（图 2（g））；平行并列组合即相邻两条裂缝以近似平行的形式间隔分布，一般为面内地表裂缝的组 合方式，且两条录用稿件，非最终出版稿 主裂缝之间间隔距离与基本顶周期来压步距基本一致（图 2（h））
图2地表裂缝类型及组合形式.(a)台阶状裂缝：(b)挤压隆起：(c)滑动裂缝I型：(d)滑动裂缝Ⅱ型：(e)拉张裂缝：() “集群”发育；(g)塌陷槽，(h)平行并列组合 Fig.2 Type and combination form of Surface crack.(a)Step crack;(b)Extrusion swell;(c)Sliding crack I;(d)Sliding crack II;(e)Tensile crack;(g)Collapse trough;(h)Parallel cracks (2)地表裂缝平面展布规律 榆神府矿区采煤地表裂缝平面展布具有以下规律特点：①地表裂缝围绕采空区在地表上方的 投影范围分布，且大于采空区范围：②按照地表裂缝与工作面之间的位置关系发为边界裂缝和 面内裂缝，边界裂缝围绕工作面开采边界（切眼、巷道以及停采线）附近分布面伪裂缝则是平行 并列的组合方式分布在采空区上方地表，相邻裂缝具有间隔：③地表裂缝平面展布范围、裂缝间距 会随着工作面开采条件、工艺等因素的改变发生改变。裂缝平面展布如图3所示。 Surface cracks in Direction of coal mining 图3地表裂缝平面展布示意图 Fig.3 Distribution map of surface cracks (3)地表裂缝发育特征 对调查得到的地表裂缝表征信息进行统计分析，图4是地表裂缝宽度占比和落差占比柱状图。 从图4(a)中可以看出，随着采深采厚比的增大，地表裂缝表现特征逐渐减弱，其中20cm的裂缝宽度占比 逐渐降低，当采深采厚比达到2时，地表基本不发育10cm宽度以上的裂缝。从图4(b)裂缝落差 统计数据也表明了“随采深采厚比增大，地表裂缝整体表现特征减弱”这一静态发育规律。 100 ■20cm 40 0 18 20 .00 30 10 27 37 46 52 10 27 37 33 6 Raito of depth to thickness of coal seam Ratio of depth to thickness of coal seam 图4地表裂缝特征.(a)裂缝宽度占比：(b)裂缝落差高度占比 Fig.4 Characteristics of surface cracks.(a)the proportion of cracks with different widths,(b)the proportion of cracks with different heights 分析认为：榆神府矿区采煤地表裂缝静态发育规律具有相对统一性和差异性，其中，地表裂
图 2 地表裂缝类型及组合形式. (a)台阶状裂缝; (b)挤压隆起; (c)滑动裂缝 I 型; (d)滑动裂缝 II 型; (e) 拉张裂缝; (f) “集群”发育; (g)塌陷槽; (h) 平行并列组合 Fig.2 Type and combination form of Surface crack. (a) Step crack; (b) Extrusion swell; (c) Sliding crack I; (d) Sliding crack II; (e) Tensile crack; (g) Collapse trough; (h) Parallel cracks （2）地表裂缝平面展布规律 榆神府矿区采煤地表裂缝平面展布具有以下规律特点：① 地表裂缝围绕采空区在地表上方的 投影范围分布，且大于采空区范围；② 按照地表裂缝与工作面之间的位置关系可分为边界裂缝和 面内裂缝，边界裂缝围绕工作面开采边界（切眼、巷道以及停采线）附近分布，面内裂缝则是平行 并列的组合方式分布在采空区上方地表，相邻裂缝具有间隔；③ 地表裂缝平面展布范围、裂缝间距 会随着工作面开采条件、工艺等因素的改变发生改变。裂缝平面展布如图 3 所示。 图 3 地表裂缝平面展布示意图 Fig.3 Distribution map of surface cracks （3）地表裂缝发育特征 对调查得到的地表裂缝表征信息进行统计分析，图 4 是地表裂缝宽度占比和落差占比柱状图。 从图 4（a）中可以看出，随着采深采厚比的增大，地表裂缝表现特征逐渐减弱，其中20cm 的裂缝宽度占比 逐渐降低，当采深采厚比达到 52 时，地表基本不发育 10cm 宽度以上的裂缝。从图 4（b）裂缝落差 统计数据也表明了“随采深采厚比增大，地表裂缝整体表现特征减弱”这一静态发育规律。 图 4 地表裂缝特征. (a)裂缝宽度占比; (b)裂缝落差高度占比 Fig.4 Characteristics of surface cracks. (a) the proportion of cracks with different widths; (b) the proportion of cracks with different heights 分析认为：榆神府矿区采煤地表裂缝静态发育规律具有相对统一性和差异性，其中，地表裂 录用稿件，非最终出版稿
缝平面展布具有相对统一性，边界裂缝基本都是围绕采空区边界呈“O”型圈分布，不会随着开采 地质条件的变化而发生大的改变，面内裂缝则是以平行组合形式展布。地表裂缝“静态”发育规律 的差异性主要表现在表征量随开采地质条件的改变，包括裂缝类型、组合形式、宽度以及落差高度 等。 2.2采煤地表裂缝动态发育规律 地表裂缝动态发育规律主要包括地表裂缝动态展布和活动两方面。前者注重描述裂缝产生位置 与工作面回采位置之间的耦合关系，后者则是注重地表裂缝随回采展现的活动特征。本次以安山煤 矿125203工作面、柠条塔N1212工作面和小保当一号井112201工作面为地表裂缝动态发育规律调 查区，采用“多重标记-定点测量”的方法对回采产生的地表裂缝位置及表征量（宽度、落差高度 等)进行测量，数据如表3所示。 表2地表裂缝动态发育特征数据 Table.2 Data of dynamic development characteristics of surface crack Dynamic distribution Ratio of Activity characteristics characteristics Working depth to Variation characteristics c kwidth/activity time face thicknes Lag distance/ Lag angle/ surface cracks on surface cracks on surface cracks on flat marginal cracks reverse slope positive slope area increase-decrease increase-decrease- 125203 10 1.00 87.10 -stable/3.0 d increase-stable./3.7d increase -decrea increase-decrease- Increase until stable N1212 以 -8.50 -87.20 stable /5.0c table/7.0 d stable/6.0d 7.0d increase-decrease- Increase until stable 112201 52 30.14 84.10 stable/7.8d 7.0d 注：正值代表滞后、负值代表超前 （1)地表裂缝动态展布规律 工作面走向中线上地表裂缝会随着回采不断向前发育，且最前端新生裂缝与工作面回采位置 有一定的对应关系。地表裂缝随工作面回采有3种动态展布形式，分别是重合回采位置扩展、超前 回采位置发育和滞后回采位置发育，如图5所示。由表3可以看出，125203工作面上走向中心线最 前端新生地表裂缝与测量左作面回采位置的平面间距-5.7m~3.69m(正值代表超前、负值代表滞 后)，平均为-1.0m,平均滞后角87.1°，基本属于重合回采位置扩展。N1212工作面内裂缝超前扩 展，超前距7~15m,人平8m,超前裂缝角为87.2°，呈高角度超前回采位置扩展：112201工作 面地表被风沙覆盖◇地形相对平坦无起伏。工作面走向中心线上地表裂缝滞后回采位置扩展，滞后 距10.11-59.36m, 平均滞后距30.14m,滞后角为84.1°，呈较高角度滞后回采位置扩展。 Original topographic line Lag distance Leading distance Surtace Cracks cracks ork g elop working 图5地表裂缝动态展布示意图
缝平面展布具有相对统一性，边界裂缝基本都是围绕采空区边界呈“O”型圈分布，不会随着开采 地质条件的变化而发生大的改变，面内裂缝则是以平行组合形式展布。地表裂缝“静态”发育规律 的差异性主要表现在表征量随开采地质条件的改变，包括裂缝类型、组合形式、宽度以及落差高度 等。 2.2 采煤地表裂缝动态发育规律 地表裂缝动态发育规律主要包括地表裂缝动态展布和活动两方面。前者注重描述裂缝产生位置 与工作面回采位置之间的耦合关系，后者则是注重地表裂缝随回采展现的活动特征。本次以安山煤 矿 125203 工作面、柠条塔 N1212 工作面和小保当一号井 112201 工作面为地表裂缝动态发育规律调 查区，采用“多重标记-定点测量”的方法对回采产生的地表裂缝位置及表征量（宽度、落差高度 等）进行测量，数据如表 3 所示。 表 2 地表裂缝动态发育特征数据 Table.2 Data of dynamic development characteristics of surface cracks Working face Ratio of depth to thicknes s Dynamic distribution characteristics Activity characteristics of surface cracks Lag distance / m Lag angle / ° Variation characteristics of crack width / activity time surface cracks on reverse slope surface cracks on positive slope surface cracks on flat area marginal cracks 125203 10 1.00 87.10 increase – decrease – stable /3.0 d Increase until stable /4.0 d increase – decrease – increase – stable. /3.7d / N1212 37 -8.50 -87.20 increase – decrease – stable /5.0 d Increase until stable /7.0 d increase – decrease – stable /6.0d Increase until stable /7.0d 112201 52 30.14 84.10 / / increase – decrease – stable /7.8d Increase until stable /7.0d 注：正值代表滞后、负值代表超前 （1）地表裂缝动态展布规律 工作面走向中线上地表裂缝会随着回采不断向前发育，且最前端新生裂缝与工作面回采位置 有一定的对应关系。地表裂缝随工作面回采有 3 种动态展布形式，分别是重合回采位置扩展、超前 回采位置发育和滞后回采位置发育，如图 5 所示。由表 3 可以看出，125203 工作面上走向中心线最 前端新生地表裂缝与测量日工作面回采位置的平面间距-5.7m～3.69m（正值代表超前、负值代表滞 后），平均为-1.0m，平均滞后角 87.1°，基本属于重合回采位置扩展。N1212 工作面内裂缝超前扩 展，超前距 7～15m，平均 8.5m，超前裂缝角为 87.2°，呈高角度超前回采位置扩展；112201 工作 面地表被风沙覆盖，地形相对平坦无起伏。工作面走向中心线上地表裂缝滞后回采位置扩展，滞后 距 10.11～59.36m，平均滞后距 30.14m，滞后角为 84.1°，呈较高角度滞后回采位置扩展。 图 5 地表裂缝动态展布示意图 录用稿件，非最终出版稿
Fig.5 Dynamic expansion map of surface cracks 图6是地表裂缝滞后距与采深采厚比之间的关系曲线。从图中可以看出，地表裂缝滞后距与采 深采厚比之间满足多项式关系，函数表达式为 y=0.0697x2-3.6283x+30.311'定性表明随着 采深采厚比的增加，地表裂缝由重合回采位置发育逐渐变为至滞后回采位置发育。 400 300 y=0.0697x-3.6283x+30311 R:-=0995 200 100 唇 0.0 10、 20 30 0 -100 -200 Raito of depth to thickness ofcoal seam FigRelationship between lag distance of suface depth thickness ratio (2)地表裂缝活动规律 选取工作面内正向坡（坡向与回采方向相同） 反向坡裂缝（坡向与回采方向相反）、平坦区 裂缝以及顺槽外边界裂缝进行活动监测。 反向坡裂缝随回采表现出“先开后合”的活动特征，即回采过程中地表裂缝宽度“先增大一 再减小一后稳定”，裂缝活动时间3.0~5.0d,随采深采厚比增大而增大，如图7()所示。 正向坡裂缝随回采表现出“只开不合”的活动规律，即回采过程中地表裂缝宽度持续增大至 稳定，裂缝活动时间约4.0~7.0d,一般情况下，采深采厚比越大，裂缝活动时间越长，且与坡体 坡角、坡高等因素有关。此外，活动稳定后裂缝宽度约为裂缝初始开裂宽度的2倍，如图7(b)所 示。 y 面内平坦区域处的裂缝随回采表现出两种不同的活动特征，一种是“先开后合再开”型活动， 即裂缝宽度随回采表现出“先增关一再减小一再增大一稳定”的活动特征，主要发育于125203工 作面内，裂缝活动时间约入稳定后裂缝宽度大于初始开裂宽度，一般为最大开裂宽度的12。 另一种是“先开后合火的活动特征，即裂缝宽度随回采呈现出先增大后减小然后稳定的变化特征， 主要发生在N1212个作面和1i2201工作面内，裂缝平均活动时间约6.0~7.8d,活动时间与采深采 厚比基本呈正相关关系，如图7(c)所示。 发育在工作面顺槽附近的边界裂缝只呈现出“只开不合”的活动规律，裂缝宽度随回采持续 增大至稳定，严活动时间7.0d,活动规律与拉应力作用下的地表拉伸变形有关，如图7()所 示
Fig.5 Dynamic expansion map of surface cracks 图 6 是地表裂缝滞后距与采深采厚比之间的关系曲线。从图中可以看出，地表裂缝滞后距与采 深采厚比之间满足多项式关系，函数表达式为 2 y x x 0.0697 3.6283 30.311，定性表明随着 采深采厚比的增加，地表裂缝由重合回采位置发育逐渐变为至滞后回采位置发育。 图 6 地表裂缝滞后距与采深采厚比关系 Fig.6 Relationship between lag distance of surface fractures and mining depth thickness ratio （2）地表裂缝活动规律 选取工作面内正向坡（坡向与回采方向相同）、反向坡裂缝（坡向与回采方向相反）、平坦区 裂缝以及顺槽外边界裂缝进行活动监测。 反向坡裂缝随回采表现出“先开后合”的活动特征，即回采过程中地表裂缝宽度“先增大— 再减小—后稳定”，裂缝活动时间 3.0～5.0 d，随采深采厚比增大而增大，如图 7（a）所示。 正向坡裂缝随回采表现出“只开不合”的活动规律，即回采过程中地表裂缝宽度持续增大至 稳定，裂缝活动时间约 4.0～7.0 d，一般情况下，采深采厚比越大，裂缝活动时间越长，且与坡体 坡角、坡高等因素有关。此外，活动稳定后裂缝宽度约为裂缝初始开裂宽度的 2 倍，如图 7（b）所 示。 面内平坦区域处的裂缝随回采表现出两种不同的活动特征，一种是“先开后合再开”型活动， 即裂缝宽度随回采表现出“先增大—再减小—再增大—稳定”的活动特征，主要发育于 125203 工 作面内，裂缝活动时间约 3.7 d，稳定后裂缝宽度大于初始开裂宽度，一般为最大开裂宽度的 1/2。 另一种是“先开后合”的活动特征，即裂缝宽度随回采呈现出先增大后减小然后稳定的变化特征 ， 主要发生在 N1212 工作面和 112201 工作面内，裂缝平均活动时间约 6.0～7.8 d，活动时间与采深采 厚比基本呈正相关关系，如图 7（c）所示。 发育在工作面顺槽附近的边界裂缝只呈现出“只开不合”的活动规律，裂缝宽度随回采持续 增大至稳定，平均活动时间 7.0 d，活动规律与拉应力作用下的地表拉伸变形有关，如图 7（d）所 示。 录用稿件，非最终出版稿
45 14 0.4 (b) 0 0 0 0 12 0.3 Local magnification 105 Local magnification 10 02 0 2 8 0.1 0 1520 6 3d 9d 0 5d 7d 9d 4 0 0 0 10 -125208wo品g4 -o-125203 working face 5 -o-N1212 working face -o-N1212 working face 0009 0- 0 3d 5d 7d 9d d 3d 5d 7d 9d 8 8 (c) (④ -o-125203 working face 7 56 -o-N1212 working face 6 -o-112201 working face 5 rorking face 别路.之口0 4 0 3d 5d 9d 7d 9d 缝：(c)面内平坦区裂缝：(d顺槽边界裂缝 Fig.7 Activity curve of Surface Cracks.(a)Cracks in slope opposite to the direction of mining:(b)Cracks in slope with a same direction as the direction of mining:(c)Cracks develop in flat area in working face:(d)Marginal cracks 3采煤地表裂缝动态发育机理 3.1采煤地表裂缝动态发育主控因素分析 地表裂缝形成及动态发育与覆岩破断及地表土体的移动变形密切相关。由覆岩裂隙直接发育 至地表形成的地表裂缝和与覆岩裂隙贯通的地表裂缝受覆岩和地表岩土体双重控制，裂缝动态发 育过程相对复杂。而发育在地表岩上体内部未与覆岩裂隙贯通的地表裂缝仅受地表岩土体移动变形 的控制，其动态演化相对简典。因此，确定地表裂缝动态发育的主控因素是揭示其机理的前提。 以往研究表明，陕北煤区裂采比在18~28之间，一般情况下榆神府矿区裂采比取值为 271。结合工作面开采参数t算得出，安山煤矿125203工作面、柠条塔煤矿N1212工作面和小保当 一号井112201工作面覆卷“两带”发育高度分别为54.0m、129.6m和156.6m,其中125203工作面 沟底区域剩余岩土原度为-34.0m,即覆岩裂隙直接导通地表。N1212工作面覆岩“两带”切穿基岩 层发育至土内破坏了土体结构，但未导通至地表，剩余岩土厚度(“两带”发有顶界至地表 的厚度)为484m。112201工作面覆岩“两带”未切穿基岩层，地表裂缝于表土层中发育，不与覆 岩裂隙贯通，剩余厚度为145.4m(表3)。因此，确定125203工作面沟底平坦区地表裂缝是覆岩裂 隙直接导通地表形成的，其动态发育受覆岩运移的知己控制：N1212工作面和112201工作面地表 裂缝是由地表岩土体移动变形产生，其动态发育受地表岩土体的移动变形控制。地表裂缝形成机理 示意如图8所示。 表3工作面覆岩“两带”高度 Table.3 Height of"two zone" Working Height of "Two Average mining Average bedrock Remaining geotechnical faces z0ne”/m depth/m thickness/m thickness/m
图 7 地表裂缝活动曲线. (a)面内反向坡裂缝; (b)面内正向坡裂缝; (c)面内平坦区裂缝; (d)顺槽边界裂缝 Fig.7 Activity curve of Surface Cracks. (a) Cracks in slope opposite to the direction of mining; (b) Cracks in slope with a same direction as the direction of mining; (c) Cracks develop in flat area in working face; (d) Marginal cracks 3 采煤地表裂缝动态发育机理 3.1 采煤地表裂缝动态发育主控因素分析 地表裂缝形成及动态发育与覆岩破断及地表土体的移动变形密切相关[6]。由覆岩裂隙直接发育 至地表形成的地表裂缝和与覆岩裂隙贯通的地表裂缝受覆岩和地表岩土体双重控制，裂缝动态发 育过程相对复杂。而发育在地表岩土体内部未与覆岩裂隙贯通的地表裂缝仅受地表岩土体移动变形 的控制，其动态演化相对简单。因此，确定地表裂缝动态发育的主控因素是揭示其机理的前提。 以往研究表明，陕北煤矿区裂采比在 18～28 之间，一般情况下榆神府矿区裂采比取值为 27[16]。结合工作面开采参数计算得出，安山煤矿 125203 工作面、柠条塔煤矿 N1212 工作面和小保当 一号井 112201 工作面覆岩“两带”发育高度分别为 54.0 m、129.6m 和 156.6m，其中 125203 工作面 沟底区域剩余岩土厚度为-34.0m，即覆岩裂隙直接导通地表。N1212 工作面覆岩“两带”切穿基岩 层发育至土层内，破坏了土体结构，但未导通至地表，剩余岩土厚度（“两带”发育顶界至地表 的厚度）为 48.4m。112201 工作面覆岩“两带”未切穿基岩层，地表裂缝于表土层中发育，不与覆 岩裂隙贯通，剩余厚度为 145.4m（表 3）。因此，确定 125203 工作面沟底平坦区地表裂缝是覆岩裂 隙直接导通地表形成的，其动态发育受覆岩运移的知己控制；N1212 工作面和 112201 工作面地表 裂缝是由地表岩土体移动变形产生，其动态发育受地表岩土体的移动变形控制。地表裂缝形成机理 示意如图 8 所示。 表 3 工作面覆岩“两带”高度 Table.3 Height of “two zone” Working faces Height of “Two zone”/m Average mining depth/m Average bedrock thickness /m Remaining geotechnical thickness /m 录用稿件，非最终出版稿
20.0 trench 125203 54.0 19.0(沟底) -34.00 bottom) N1212 129.6 178.0 85.0 48.4 112201 156.6 302.00 215.0 145.4 Original topographic line Surface cracks 125203 working face N1212 working face 11220 图8地表裂缝形成机理示意图 Fig.8 Model diagram of formation mechanism ofsurfae e crac 3.2采煤地表裂缝动态发育机理 (1)面内地表裂缝动态发育机理 从采煤地表裂缝成因及动态发育主控因素分析内容可知，一125203工作面地表裂缝是覆岩裂隙 导通地表形成的，地表裂缝活动受覆岩运移直接挖制，地，裂缝重合回采位置发育也间接说明了 这一点。在结合前人研究的基础上⑧2324，笔者构建25203工作面（极浅埋煤层开采）地表裂缝 动态演化模型（图9）。从图中可以看出，随着工作面弃采覆岩不断向前发生移动破坏，岩块不断 发生开裂。当工作面回采至块体2下方，块续2发生断裂形成斜台阶岩梁结构并在与块体3的连接 处形成裂缝L2,且随工作面推进裂缝L2宽度增大：当工作面推进至块体3下方，块体3发生断裂 形成斜台阶岩梁，块体前端与块体4的连接处形成裂缝L,块体末端发生顺向转动，加之块体2发 生倒转，L2裂缝发生挤压，宽度减小甚至发生闭合。当工作面再次推采，块体4重复块体2和块体 3的运动，形成斜台阶岩梁，块体3发生倒转，裂缝L2再次张开宽度增大。随着工作面继续推采， 采空区被逐渐压实，块体2和块体3逐渐稳定，裂缝L2宽度不再变化。随工作面不断推进，后续岩 体不断重复块体2和块体3近 新地表裂缝不断向前发育，且重复“先开后合再开”的活动。 录用 Crack Inclined bench 、rock beam Rock 3 Surface Rock 2 Rock I Crack L Z☑Z☑ Inclined bench rock beam Crack Lz Crack L Rock 4 Surface Rock 3 Crack Ls Rock 2 Rock 1 ZZ☑ Inclined bench rock beam Crack L2 Crack L Rock 4 Surface Rock 3 Rock 2 Rock 1 Crack L ☑ 图9125203工作面面内地表裂缝动态发育模型
125203 54.0 20.0（trench bottom） 19.0（沟底） -34.00 N1212 129.6 178.0 85.0 48.4 112201 156.6 302.00 215.0 145.4 图 8 地表裂缝形成机理示意图 Fig.8 Model diagram of formation mechanism of surface cracks 3.2 采煤地表裂缝动态发育机理 （1）面内地表裂缝动态发育机理 从采煤地表裂缝成因及动态发育主控因素分析内容可知，125203 工作面地表裂缝是覆岩裂隙 导通地表形成的，地表裂缝活动受覆岩运移直接控制，地表裂缝重合回采位置发育也间接说明了 这一点。在结合前人研究的基础上[8’23’24]，笔者构建了 125203 工作面（极浅埋煤层开采）地表裂缝 动态演化模型（图 9）。从图中可以看出，随着工作面开采覆岩不断向前发生移动破坏，岩块不断 发生开裂。当工作面回采至块体 2 下方，块体 2 发生断裂形成斜台阶岩梁结构并在与块体 3 的连接 处形成裂缝 L2，且随工作面推进裂缝 L2宽度增大；当工作面推进至块体 3 下方，块体 3 发生断裂 形成斜台阶岩梁，块体前端与块体 4 的连接处形成裂缝 L3，块体末端发生顺向转动，加之块体 2 发 生倒转，L2裂缝发生挤压，宽度减小甚至发生闭合。当工作面再次推采，块体 4 重复块体 2 和块体 3 的运动，形成斜台阶岩梁，块体 3 发生倒转，裂缝 L2再次张开宽度增大。随着工作面继续推采， 采空区被逐渐压实，块体 2 和块体 3 逐渐稳定，裂缝 L2宽度不再变化。随工作面不断推进，后续岩 体不断重复块体 2 和块体 3 运动，新地表裂缝不断向前发育，且重复“先开后合再开”的活动。 图 9 125203 工作面面内地表裂缝动态发育模型 录用稿件，非最终出版稿
Fig.9 Dynamic evolution model of surface cracks in 125203 working face N1212工作面（浅埋煤层开采）和112201工作面开采（中深埋煤层开采）地表裂缝是表土拉 伸变形产生，不与覆岩裂隙沟通，直接受控于地表岩土体移动变形。在以往研究基础上构建了地 表裂缝活动模型（图10）。当工作面回采至位置I时，地表下沉处于“I”状态，并在下沉曲率达到 地表极限处形成地表裂缝C1。随着工作面推进至位置Ⅱ时，地表下沉处于“Ⅱ”状态，下沉盆地逐 渐扩大，地表水平移动和变形增大，C裂缝宽度逐渐增大至最大值：当工作面回采至位置Ⅲ时， C,裂缝处地表逐渐成为下沉盆地中央，地表由拉神变形逐渐转化压缩变形，C,裂缝宽度开始减小 甚至闭合，随着工作面不断推进，地表下沉趋于稳定，C:裂缝宽度不再发生变化。随工作面回采， 工作面上方地表不断发育新生的地表裂缝且重复C裂缝活动规律，裂缝宽度表现出“先增大后减 小”的变化特征。 Original topographic line Surface subsidence Crack C Surface subsidence Crack C Surface subsidence Crack C Crack C Location III Location风location 图10N1212工作面和112201候面地表裂缝动态发育模型 Fig.10 Dynamic evolution model of Surface cracks in N1212 working face and 110201 working face 以上构建的地表裂缝动态发育模型阐明工作面内平坦区域地表裂缝的活动机理，而发育在 面内斜坡位置的地表裂缝活动则与采动附加的坡体滑移有关的。通过对斜坡裂缝活动分析和以往研 究基础上1，构建了面内斜坡裂缝活动模型（图11），定性阐述了面内正向坡裂缝和反向坡裂缝 的活动机理。 以裂缝XL,为对象，阐述正尚坡裂缝活动机理。当工作面回采至A处，采空区上地表移动变形 超过岩土体极限，裂缝XL厌始出现：随着工作面不断回采，采空区中心发生前移，A-B上方岩土 体向下方发生滑移（滑移量入）坡体滑移会使裂缝XL处地表沿回采方向产生附加的水平位移 ()，致使裂缝X宽度特续增加。因此，正向坡裂缝出现“只开不合”的活动特征。 以裂缝XL,为府象，阐述反向坡裂缝活动机理。当工作面回采至D处时，其上方地表岩土体逆 回采方向移动，产生裂缝L3。随工作面回采，裂缝XL在逆回采方向水平移动和其下方岩土体滑 移作用下持续增人：作面回采至E位置时，其上方裂缝L,开始发有，D-E上方的岩土体发生逆 回采方向的滑移滑移量S)，产生附加水平位移(，)，致使裂缝XL受到挤压，宽度减小乃至 闭合。因此，反向坡裂缝出现“先开后合”的活动特征
Fig.9 Dynamic evolution model of surface cracks in 125203 working face N1212 工作面（浅埋煤层开采）和 112201 工作面开采（中深埋煤层开采）地表裂缝是表土拉 伸变形产生，不与覆岩裂隙沟通，直接受控于地表岩土体移动变形。在以往研究基础上[7]，构建了地 表裂缝活动模型（图 10）。当工作面回采至位置 I 时，地表下沉处于“I”状态，并在下沉曲率达到 地表极限处形成地表裂缝 C1。随着工作面推进至位置 II 时，地表下沉处于“II”状态，下沉盆地逐 渐扩大，地表水平移动和变形增大，C1裂缝宽度逐渐增大至最大值；当工作面回采至位置 III 时， C1裂缝处地表逐渐成为下沉盆地中央，地表由拉神变形逐渐转化压缩变形，C1裂缝宽度开始减小 甚至闭合，随着工作面不断推进，地表下沉趋于稳定，C1裂缝宽度不再发生变化。随工作面回采， 工作面上方地表不断发育新生的地表裂缝且重复 C1裂缝活动规律，裂缝宽度表现出“先增大后减 小”的变化特征。 图 10 N1212 工作面和 112201 工作面地表裂缝动态发育模型 Fig.10 Dynamic evolution model of Surface cracks in N1212 working face and 110201 working face 以上构建的地表裂缝动态发育模型阐明了工作面内平坦区域地表裂缝的活动机理，而发育在 面内斜坡位置的地表裂缝活动则与采动附加的坡体滑移有关的。通过对斜坡裂缝活动分析和以往研 究基础上[25]，构建了面内斜坡裂缝活动模型（图 11），定性阐述了面内正向坡裂缝和反向坡裂缝 的活动机理。 以裂缝 XL1为对象，阐述正向坡裂缝活动机理。当工作面回采至 A 处，采空区上地表移动变形 超过岩土体极限，裂缝 XL1开始出现；随着工作面不断回采，采空区中心发生前移，A-B 上方岩土 体向下方发生滑移（滑移量 S1），坡体滑移会使裂缝 XL1处地表沿回采方向产生附加的水平位移 （u1），致使裂缝 XL1 宽度持续增加。因此，正向坡裂缝出现“只开不合”的活动特征。 以裂缝 XL3为对象，阐述反向坡裂缝活动机理。当工作面回采至 D 处时，其上方地表岩土体逆 回采方向移动，产生裂缝 XL3。随工作面回采，裂缝 XL3在逆回采方向水平移动和其下方岩土体滑 移作用下持续增大；工作面回采至 E 位置时，其上方裂缝 XL4开始发育，D-E 上方的岩土体发生逆 回采方向的滑移（滑移量 S1），产生附加水平位移（u2），致使裂缝 XL3受到挤压，宽度减小乃至 闭合。因此，反录用稿件，非最终出版稿 向坡裂缝出现“先开后合”的活动特征