采动地裂缝是煤矿区典型的非线性力学灾害形式[1]，是煤炭井工开采后采空区上覆岩层移动与表土层形变耦合的结果，其形成过程是一个复杂的岩土力学过程，地裂缝的宽度、深度与有无第四纪松散层及其厚度、物理力学性质和临界变形值大小密切相关[2]。地裂缝可对土地生态[3-5]以及建(构)筑设施[6-8]、交通线路[9-10]与堤防设施[11-12]等岩土工程设施造成不同程度的破坏，并引发次生矿山地质灾害，诱发一系列社会问题，严重威胁人民生命财产安全和矿区可持续发展。随着我国经济发展和煤炭资源大规模开发与战略西移，采动地裂缝问题更加突出[13]，如榆神府煤矿区高强度开采使地裂缝等地质灾害广泛发育，自1993年以来，在94.47 km2采煤沉陷区内分布有地裂缝1802条(组)，造成严重的水土流失、滑坡等地质灾害，若地裂缝与井下回采空间贯通将严重威胁矿井生产安全[8]。据可查文献，我国学者自20世纪90年代开始关注煤矿区采动地裂缝问题[2-3,11]，针对不同矿区复杂采矿地质条件下采动地裂缝的形成机理开展大量研究并取得了一定成果[13-16]，近年来热度不减[13,15,17-19]，可见采动地裂缝问题的危害性、复杂性与重要性。关于地裂缝问题，国外多关注地震裂缝、火山裂缝、构造蠕变裂缝以及石油、天然气、地下水等开(抽)采所引起的地裂缝地质灾害[20-22]，而煤矿区采动地裂缝形成机理研究鲜有报道;有鉴于此，笔者在总结我国煤矿区采动地裂缝形成机理研究进展的基础上，根据其受力形成条件进行分类，对不同力学成因类型采动地裂缝形成机理研究进展进行梳理，分析了不同影响因素并归纳相关研究方法，进而讨论了有关科学问题，最后提出今后的研究方向与待解决的问题，以期为煤矿区采动损害控制、土地生态减损开采等提供理论参考。
1 采动地裂缝的形成与分类
1.1 采动地裂缝的形成过程
煤炭井工开采引起岩土体应力发生变化，导致岩层破断与移动以及表土层形变，地表非均匀沉陷是岩层破断与表土层形变耦合的结果[23-24]。因此，根据已有研究[17,25]将采动地裂缝的形成过程简化为岩层破断与移动、地表土体形变两个阶段:
(1)岩层破断与移动阶段。
当采空区形成后，采空区覆岩原始应力平衡状态打破，出现应力集中现象，煤层直接顶和基本顶逐渐产生向下的弯曲变形。随着采空区面积不断扩大，当集中应力超过岩石的强度时，岩层进入变形、破断的不平衡状态，当采空区面积足够大时，覆岩移动与变形传递至地表，即受采动影响产生的力学不平衡状态扩展至表土层[2-3]，该过程表现为岩层破断后形成的裂隙(缝)由下而上不断在岩层中扩展[26-27]。
(2)地表土体形变阶段。
表土层各点受力状态改变后，其原始应力平衡状态破坏，引起地表各点非均匀沉陷和移动变形，当表土层受到的应力超过其极限强度，非连续变形超过表土层极限变形，土体沿着原有裂隙发生非连续破坏，形成地裂缝[3,27]。受力方式不同，产生破裂的极限强度也不一样，其中以拉张力最易使岩层和土体破裂，剪切力次之[20]。岩土体中的应力与形变随着工作面不断推进而变化(图1)[28]。
图1 采动岩土体内主应力分区[28]
Fig.1 Principal stress distribution in rock and soil mass disturbed by mining[28]
分析认为，采动地裂缝形成过程的实质是采矿引起的力学作用过程在不同介质中的具体体现[20]，在不同采矿地质条件下可能有所差异[29-31]，如开采工艺[32-35]、岩层[36-37]与松散层[38-40]物理力学性质的不同可能导致采动地裂缝的几何性状特征(宽度、深度、剖面形态等)有所差异[5,41-43]，复杂地质条件[44-45]尤其是地质断层[16,46-47]也影响地裂缝的形成。分析表明，采动地裂缝的形成不是一个孤立的力学事件，而是一个复杂的岩土力学时空演变过程。
1.2 采动地裂缝的类型
由于研究目的与角度不同，地裂缝目前有3种常见的分类方法:形态分类法、力学分类法和成因分类法[20-21];根据采动地裂缝力学成因、分布状态[20-22]，主要有以下分类:
(1)力学成因。可分为张性、压性、扭性3类地裂缝[20]:① 张性地裂缝主要发育在拉伸应力区，部分分布在剪切应力区，根据其形态主要有拉伸型[2-3,5,40]、塌陷型[10,13]、滑动型[14,17,25]、切落型[29,31]、抽冒型[41];② 压性地裂缝较少出现，一般在压缩变形较大区域出现，表现为鼓起开裂或凹陷，可称为“挤压型”[21];③ 扭性地裂缝[20]主要在采空区边界拐角区域，常与开采边界斜交且成带出现，呈雁列式或多字形排列，有时还呈格子状或菱块状。
(2)分布状态。一般分为动态裂缝、边缘裂缝两类[3-6]:① 动态裂缝在回采工作面上方，随工作面的推进而不断向前推移，一般在采后一段时间内闭合[3,5]，在采矿驱动力作用下具有“自修复”特征;② 边缘裂缝分布在开采边界上方，形成后可长期留存地表，当相邻工作面回采或人工充填、或经较长时间自然营力作用才能闭合[5,8,22]，在无人为扰动条件下具有“自然修复”特征。
2 采动地裂缝形成机理研究进展
通过梳理分析煤矿区采动地裂缝形成机理相关文献发现，现有研究多集中在拉伸型、滑动型、切落型、塌陷型等类型。尽管地裂缝的形态相似，但其力学成因各异，大多数地裂缝是多个因素综合作用的结果，以其中某一因素为主导，地裂缝的分类原则应以其形成的主导因素为主[21]。进一步分析认为，切落型与塌陷型地裂缝本质上主要受岩土层剪切应力作用而形成，故将塌陷型归属为切落型地裂缝。因此，笔者主要归纳分析拉伸型、滑动型、切落型3类采动地裂缝形成机理的研究进展，其中拉伸型、切落型地裂缝相关研究较多。
2.1 拉伸型采动地裂缝
2.1.1 理论推导与定性分析
从实测资料切入，通过理论推导来分析采动地裂缝的形成过程是常用的方法。胡振琪等[5]基于实测资料建立了风沙区动态地裂缝发育周期T与采动过程耦合的数学模型:
T=2H0(1/tan δ+1/tan Φ)/V
(1)
式中，Φ为最大下沉速度滞后角;δ为动态裂缝超前角;H0为煤层埋深(采深)，m;V为平均开采速度，m/d。
该研究定量分析了动态地裂缝两个“开裂—闭合”过程，揭示了动态地裂缝快速闭合的自修复特征;王云广等[39]从地表水平变形变化的角度推算出土体变形“拉伸—压缩”的转变过程，定性分析了动态地裂缝单一“开裂—闭合”过程的自修复特征。上述研究均从数学计算的角度来分析拉伸型地裂缝的形成过程，未涉及岩层破断及厚风积沙层力学特性的研究。
图2 超充分采动主断面拉伸区和压缩区分布[39]
Fig.2 Tensile and compression zone of supercritical mining[39]
郭文兵等[6]在研究厚湿陷黄土层采动地裂缝形成机理时认为，湿陷性黄土结构性差，力学强度较低，抗拉伸变形能力弱，且土层中垂直裂隙发育程度高并形成弱面阻滞了土层中移动变形传递，裂隙在采动拉伸应力作用下扩张，形成拉伸型地裂缝，并指出地裂缝与基本顶的周期破断有关，但该研究未深入结合湿陷性黄土物理力学性质及移动变形程度分析地裂缝形成条件，缺乏地裂缝形成过程与基本顶破断距关系的定量研究;余学义等[9]认为，上位岩层(与土层相邻)与湿陷性黄土的物理力学特性不同，在力的传递作用下，采动过程中岩层移动变形使得岩层与黄土层的接触面存在摩擦力，对土体形成拉应力作用，当该拉应力超过土体的极限抗拉强度时，土体发生拉伸破坏并沿着弱面方向扩展，沟通土体结构中的原生裂隙，形成拉伸型地裂缝。对于湿陷性黄土，当基岩顶界面水平变形超过4～5 mm/m时，可沟通土体中的垂直裂隙(图3，设工作面推进至B位置，推进速度为V，时间为t，拐点偏移距为d，主要影响半径为r，时间影响系数c，则此时地表最大压缩位置在Vt-d-0.4r/c位置，地表最大拉伸在Vt-d+0.4r/c位置，地裂缝约在超前工作面l位置附近出现)。
图3 地裂缝、岩层水平变形与工作面位置[9]
Fig.3 Antitheses chart of surface crack,overburden level deformation and working face position[9]
该研究定性分析了湿陷性黄土层拉伸型地裂缝的形成过程，尤其是上位岩层与土层接触面间摩擦力的产生及其对黄土层的拉伸作用，指出拉伸型地裂缝的形成主要取决于黄土中垂直裂隙发育程度、基岩顶面拉伸变形破坏程度，且当摩擦力达到一定值时，土体应是从岩层与土层接触面开始沿着原生弱面开裂形成地裂缝，这与从地表开裂的传统观点是不同的;此外，应用概率积分法实现了上位基岩顶界面最大水平变形的定量计算。
徐乃忠等[31]得到了与文献[9]一致的观点，更为细观的发现是，采空区上方同一层位不同区域的厚硬岩层下沉差相对较小，导致岩体内部以拉应力为主，竖直裂隙发育、裂隙扩展岩层破断后下沉较均一，传播至最浅部基岩后，表土层与基岩面存在摩擦力作用，这较为清晰地指明了岩层与土层接触面间摩擦力的来源(图4)。
图4 沉陷区拉应力引起地裂缝[31]
Fig.4 Surface cracks caused by tensile stress[31]
李文平等[11]认为，由于土的黏聚力值大小较内摩擦角φ值对裂缝的发育深度影响大，虽然砂土层比黏土层更易形成拉伸型地裂缝，但黏土河堤中采动地裂缝的发育深度一般较砂土层中裂缝大;李亮[12]进一步认为，当地表土强度大、抗变形能力强时，形成的地裂缝深度、宽度等特征较大，各裂缝的间距大、密度小;当土体强度弱、抗变形能力差时，地裂缝深度、宽度等特征较小，但裂缝密度大、间距小;这表明拉伸型采动地裂缝的形成及其性状特征与表土层物理力学性质密切相关。
分析认为:① 土体物理力学性质、土体与基岩接触面的摩擦力在地裂缝形成过程中具有重要作用，土体力学特性对地裂缝的形成、性状特征影响较大;② 目前对于土体与基岩面间摩擦力的大小与土体裂隙开裂程度方面的量化研究较少，如在给定地质采矿条件下，摩擦力在何种强度时能引起土体从岩层与土体接触面开裂，其力学平衡条件是什么？目前多为定性分析，还未有可靠的力学模型予以揭示。
2.1.2 实验模拟与理论分析
实验模拟受到的约束条件较少，可方便的对岩土体形变过程进行再现。杨帆等[19]通过数值模拟发现，地裂缝远离采空区一侧地表移动变形值均减小，最大变形位于地裂缝处，通过比较地裂缝两侧水平移动变形变化趋势，定性表明地裂缝形成过程具有集中变形和减小开采影响传播范围的特征，但缺乏此类特征的量化评价及不同松散层介质条件下的差异分析;王来贵等[30]利用数值模拟发现，当覆岩抗拉强度与工作面推进距离一定时，地裂缝数量随开采深度增加而减少，当采深达到一定值，地表未形成地裂缝，这表明在采深增加到一定程度后，岩层断裂的影响作用不大，即深部开采条件下地裂缝多因松散层受拉伸变形所致，也间接表明在浅埋深开采条件下，采动区覆岩断裂与地裂缝形成更为密切;何荣等[18]认为关键层破断导致大采高浅部开采时地裂缝的形成，因煤层上覆岩层岩性较软，且松散层较厚，关键层破断后的拉应力受到削弱，表土层受拉伸形成密集分布、无台阶发育的拉伸型地裂缝，这表明关键层破断不一定引起切落型地裂缝，当松基比较大时，较厚的松散层可消化部分非均匀沉陷，弱化关键层对地表沉陷的影响。
吴侃等[42]通过物理模拟认为，地裂缝首先从地表开裂并在纵向方向扩展(不会从某一深度处开始产生)，且沿各个土层最大变形位置发育;进而提出了综合考虑土体力学特性和开采扰动作用下的地裂缝极限发育深度计算方法[43]，理论计算值与现场实测值相符，也使实验结果具有理论支持，该研究弥补了仅考虑土体物理力学特性或开采扰动的片面性。
尹士献等[40]认为，当采动引起的最大主变形超过湿陷性黄土极限抗拉变形值时形成地裂缝，应用概率积分法推导出最大主变形计算式;高超等[51]将开采沉陷三维力学问题简化为二维平面应力应变问题，认为当最小主应力(土体的黏聚力)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，采动土体单元趋于破坏并形成地裂缝，但该研究是充分采动条件前提下的理论推导，不适用于非充分采动情形。此外，以二维平面应力应变视角解决三维力学过程问题有待商榷。
分析认为:① 实验模拟能够再现岩层移动变形及松散层变形过程，尤其是数值模型中的立体剖面可反映岩土体应力应变的位移场、形变场的演变特征，具有较强的直观性和时空感，但实验模拟较难进行量化研究;理论推导与实验模拟的耦合可更好应用于地裂缝研究;② 经典土力学认为土体破坏是剪切破坏，其常用的强度理论即为莫尔—库仑理论，但其对拉应力区段进行了过度简化[43]，而拉伸型采动地裂缝多由拉应力引起，因而应用莫尔—库仑理论研究土体拉伸破坏本质上并不适宜。探讨更为合适或优化的强度理论应为未来研究的方向之一，文献[43]应用统一强度理论作出了有益探索。
2.2 滑动型采动地裂缝
滑动型采动地裂缝是在类似沟谷地形下开采时，采动引起地表坡体的滑移且发生局部破断而形成[25]，其形成过程受采矿地质条件尤其是地貌地形影响较大。
刘辉等[14]基于采动坡体的力学模型和土质坡体圆弧形条分法原理建立了黄土沟壑区滑动型采动地裂缝形成条件的力学模型，但其精度受到开采沉陷参数精度、条块划分的大小、采动坡体应力分布、条块坡角等因素的影响;其中，开采沉陷参数的精度由实测数据确定较为可靠;圆弧形条块划分时块度越小精度越高，但计算量也较大，如何兼顾模型精度和计算量是应用该模型时需考虑的问题;采动附加应力和坡体自身重力均对模型影响较大，如何权衡两者的影响也是需考虑的因素。后续研究[17]利用UDEC数值模拟分别研究地表沟谷坡度、沟谷位置对滑动型地裂缝的影响，建立了滑动型地裂缝动态发育模型、沟谷坡度模型、沟谷位置模型，但采动地裂缝(图5)受薄基岩浅埋深采矿地质条件、沟壑地形地貌、岩土体物理力学性质等多因素耦合影响，该研究仅针对工作面位于沟谷正下方条件下的滑动型地裂缝形成机理及沟谷坡度与位置两个因素对地裂缝的影响模型开展研究，简化了实际条件，缺乏多因素耦合的力学模型构建，该研究虽有突破但其适用性不强，开展多因素耦合的正交模拟实验可在一定程度上弥补上述不足。
图5 滑动型地裂缝剖面[17]
Fig.5 Profile of sliding crack[17]
刘栋林等[35]利用UDEC模拟分析了山区滑动型采动地裂缝形成机理，并对比了上、下坡开采产生的地裂缝性状特征差异，其实质是推进方向改变会引起不同的采动附加应力，且应力作用的坡体位置也有差异。在特定地质条件下，该研究仅考虑了推进方向的影响，未充分考虑推进速度、采高等采矿因素对地裂缝的耦合影响，研究结果不足以全面客观反映山区滑动型采动地裂缝形成机理;史文兵等[41]利用FLAC3D模拟分析山体斜坡受重复采动后应力变化情况，在假定斜坡岩土体材料符合莫尔—库仑强度准则前提下利用3DEC模拟分析斜坡岩体结构及重复采动对斜坡裂缝形成的影响，分析了山区滑动型采动地裂缝形成机理;然而，FLAC3D主要模拟岩土体连续变形行为，不发生离散变形特征;3DEC则主要描述三维空间离散介质的力学行为，模拟岩土体非连续变形的离散特征，两者用于同一研究对象的力学状态研究是否兼容？研究结果能否反映同一力学行为本质，并未给出相关说明。
康建荣等[25]认为，当采空区覆岩断裂垮落过程传递到地表后，在地表形成剧烈的不均衡移动，产生水平和垂直拉应力，分别在水平、垂直方向将地表土体拉开，形成山区滑动型地裂缝，但该研究未对土体开裂过程做进一步研究，也未考虑山区坡度影响;韩奎峰等[49]按照矢量分解与合成法求取主断面上等坡度的坡段移动变形值，与表土层开裂的力学临界变形值相比，给出滑动型地裂缝形成判据，但其仅分析了等坡度坡段上裂缝形成机理，不适用于地表突变性移动变形情形，特别在地貌地形变化较大的区域局限性较明显，虽然在工作面边界和凸形地表区域增加坡段数可提高该方法预测精度，但计算量较大，实际可操作性不强。
张峰[16]针对滑动型地裂缝异常扩展现象认为，工作面区域受控于逆断层的断裂构造结构，受逆断层影响，上覆岩层断裂构造十分发育，使得岩层变得较为破碎，局部采动影响传播规律发生改变，导致断层破碎带区域岩层移动范围扩大，地表随之滑动致使地裂缝异常扩展，但该研究仅根据地质与实测资料进行了定性分析，缺乏异常扩展成因的力学模型构建与地裂缝分布范围的定量预测。
分析认为:① 滑动型采动地裂缝的形成与采空区地表的地貌地形密切相关，尤其是山区地表更易形成滑动型采动地裂缝;② 已有研究利用数学力学理论建立岩层断裂力学模型进而给出地裂缝形成的力学判据，但未注重模型的实际可操作性;③ 根据数值模拟分析地裂缝形成机理时，未充分考虑多因素耦合影响，此外，选择的本构模型是否合适，不同数值软件是否兼容，强度破坏准则是否适用于研究对象等往往缺乏相关说明;④ 地质构造常常是地裂缝异常扩展的深层致因，在开采方案设计中加强特殊地质构造采动损害定量预测十分必要。
2.3 切落型采动地裂缝
切落型采动地裂缝(也称“塌陷型”[10])由控制地表沉陷的坚硬岩层或关键层破断引发采空区上覆岩土体剪切破坏形成，对地表破坏较为严重，具有宽度与台阶落差大等特征。
(1)我国黄土区尤其是湿陷性黄土有切落型采动地裂缝发育，汤伏全等[7]在假定土体单元发生破坏前土体单元土骨架的应力—应变关系符合线弹性本构关系的前提下，认为开采沉陷变形与作用于土骨架上附加应力之间的关系符合线弹性本构方程，进而根据莫尔-库仑理论得出土体单元破坏的临界拉伸变形值随单元体距地表深度增加而线性变化，从而认为在超前工作面的竖直剖面上，地表水平变形总大于黄土层深部，地表总先于深部达到剪切破坏的极限平衡状态，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，土体分割为块体结构，而基岩非均匀沉陷使黄土块体之间发生错动，形成切落型地裂缝，但并未给出线弹性本构关系及假设前提条件的适用性说明。
刘辉等[10]基于薄板理论的基本顶“O-X”破断原理并结合关键层理论，分析了黄土沟壑区(局部有风积沙存在)浅埋煤层开采塌陷型采动地裂缝形成机理(图6)。
图6 塌陷型地裂缝井上下对照[10]
Fig.6 Comparison on surface and underground of collapsing ground fissures[10]
该研究分析了采动过程中基本顶以上关键层存在与否时，单一关键层对塌陷型裂缝的影响，并给出了相应的力学破断模型，认为浅埋煤层开采中基本顶破断将引起覆岩整体垮落形成塌陷型裂缝，这表明关键层对塌陷型裂缝形成的控制作用，但该研究未涉及多关键层或复合关键层对地裂缝影响的相关研究。
刁乃勤[34]针对巨厚覆盖层下特厚煤层开采切落型地裂缝认为，采动过程中裂隙带上方基岩被整体压断，将压断过程简化为两端固支梁发生破坏的力学模型，整体断裂带破坏符合最大拉应力和最大剪应力理论，岩梁中间和两端等主要破坏截面发生张拉和剪切破坏，上位岩土层随整体断裂带切冒下沉形成切落型地裂缝，但并未考虑采空区上下山边界的支撑作用，这将影响力学模型的应用效果。
(2)厚风积沙松散层薄基岩高强度开采区切落型采动地裂缝发育较多，余学义等[29]认为此类裂缝受覆岩中关键层的控制，关键层的破断与结构失稳导致裂缝的形成，防止该类裂缝形成的关键是保证关键层结构稳定;王鹏等[33]也认为该地质采矿条件下动态地裂缝(台阶状)是覆岩呈整体切落向下移动、覆岩破坏在松散层中整体移动直至地表所致;黄庆享等[38]基于实验模拟认为，采后覆岩移动直接波及地表厚砂土层，同时发现了地表厚砂土层初次垮落的“拱梁”(图7(a))和周期垮落的“弧形岩柱”结构，建立厚砂土层“拱梁”结构的数学模型(图7(b))，给出厚砂土层破裂判据和地裂缝形成位置，揭示了切落型地裂缝形成机理。
图7 “拱梁”结构及其数学模型[38]
Fig.7 “Arch beam” and its mathematical model[38]
(3)当覆岩厚度、强度较大或松散层较薄时，岩层对地表沉陷影响较大，易形成切落型地裂缝。胡青峰等[4]认为厚硬基岩薄松散层条件下，基岩对地裂缝与台阶下沉起主导控制作用，采动应力存在于基岩中和基岩与松散层接触面，在该接触面处形成地裂缝与台阶下沉，而松散层较薄未起到减缓作用，实测发现地裂缝间距与直接顶周期破断距一致，直接顶周期破断引起切落型地裂缝形成，但该研究未涉及地裂缝形成过程的力学推导及基岩与松散层接触面应力作用定量分析;徐乃忠等[31]认为沉陷主控制关键层达到极限挠度时发生破断，由于破断岩梁两侧覆岩下沉差较大，如开切眼及煤壁侧岩层仅有少量下沉，而采空区覆岩相对两侧下沉较大，甚至整体切落，传播至岩土体后土体单元因竖直剪应变破坏形成切落型地裂缝(图8)，同时根据概率积分法原理，利用胡克定律与剪应变理论给出切落型地裂缝形成判据，然而概率积分法并不能揭示开采沉陷过程的力学行为本质，因而该判据能否客观反映切落型地裂缝力学形成过程值得进一步研究。
图8 工作面中部地表剪切型裂缝[31]
Fig.8 Central of working face surface cracks caused by shear stress[31]
刘文生等[36]通过数值模拟分析晓南矿大型地裂缝形成机理，认为采动影响向上发展至火成岩下方，导致火成岩局部边缘以悬臂梁形式悬空进而导致上表面所受拉应力超过抗拉强度发生拉裂，火成岩沿拉裂处发生断裂并引起松散层塌陷形成地裂缝，同时基于简支梁与悬臂梁理论分别构建了火成岩正下方力学模型与初次断裂判据(式(2))、火成岩边缘区力学模型及周期断裂判据(式(3))[15]。
(2)
(3)
式中，L1max为火成岩初次断裂距，m;L2max为周期破断距，m;d为火成岩厚度，m;δτ为火成岩上部岩层均布荷载，N/m2;γi为火成岩及其覆岩的容重，N/m3;hi为岩层厚度，m。
该研究分析了FLAC3D与概率积分法开采沉陷三维立体图的差异，这再次表明概率积分法既没反映复杂岩层介质的实际，也未体现开采沉陷动态力学过程，且利用FLAC3D研究厚硬火成岩的断裂块体非连续破坏本质上并不适宜。
杨帆等[37]利用数值模拟认为，火成岩对上覆岩土体移动变形起控制作用，当其所受应力超过极限强度发生断裂破坏后，表土层处于塑性区并受到剪切破坏，形成切落型地裂缝;根据均匀层状火成岩体的空间位置，应用平衡拱—梁理论建立了火成岩体断裂的悬臂梁、固支梁力学模型，揭示了地裂缝形成的力学机理。上述研究虽建立地裂缝形成的理论模型，但其有效性缺乏实测结果验证;此外，当采空区较大时，悬空的火成岩体应为“托板”结构，以梁—拱平衡理论建立悬臂梁—固支梁的力学结构模型来解释“托板”断裂有待商榷。
分析认为，切落型采动地裂缝的形成与岩层尤其是关键层破断引起岩土体剪切破坏密切相关。已有研究多利用梁板破断等力学理论来构建采空区上覆岩层破断的力学模型，但多基于一定的简化假设条件，可能与实际采矿地质条件存在差异，有时偏差较大，在选取数学或力学理论时应注意是否与研究对象的力学行为和结构相符;此外，数值模拟往往能够在复杂岩土介质条件下表现出独特优势，但应注意数值模拟软件的适用性。
3 采动地裂缝的影响因素与研究方法
3.1 采动地裂缝的影响因素
不同类型地裂缝的形成过程虽有共性，但在复杂地质采矿条件下也有差异。地裂缝不仅受松散层物理力学特性影响，还受到岩层结构与岩性、采矿工艺、煤层赋存条件和地形地貌等地质采矿因素的耦合影响[3,5,22]。此外，断层等特殊地质构造也有一定影响[16,44-46,52]。
3.1.1 松散层对地裂缝的影响
采动地裂缝的形成及特征与有无第四纪松散层密切相关[2]，其形成的临界变形值受土体物理力学特性影响较大，不同物理力学性质的土体，即使受到相同采动附加应力作用，其应力应变关系也有差异，导致地裂缝类型与成因各异;此外，植被根系对地裂缝有一定影响。
刘守华等[47]通过离心土工模拟试验认为，地裂缝类型及其大小与上覆土质相关，如同为黏土时，塑性指数高、黏性大的黏土受基岩破断影响形成宽度较大的地裂缝，释放应力后地裂缝难闭合;陶海亮等[50]认为，砂壤土黏聚力较小，导致砂壤土采动地裂缝的临界变形值小于黏土，受黏聚力和内摩擦角共同影响，砂壤土地裂缝极限发育深度大于黏土地裂缝，此外，植被根系增强了浅层土抗拉强度，导致地裂缝浅层宽度较小，竖向发育呈束口状。
此外，风沙区地表赋存较厚风积沙，具有高孔隙度和半流动性的特征，力学强度差，地裂缝具有较强自修复特征[5]。在华北黄土区尤其是湿陷性黄土区，土体结构疏松压缩系数大，水浸湿后土体胶结力减弱，且垂直裂隙发育程度高易形成弱面，土体抗拉伸变形能力较弱[6,9]。
3.1.2 岩层结构与岩性对地裂缝的影响
当表土层较薄或覆岩中有坚硬岩层(如关键层破断块度较大)时，岩层结构与岩性对地表沉陷影响较大，表土层将不足以消化岩层破断与移动引起的非均匀沉陷而形成地裂缝。
许家林等[23-24]发现地表下沉速度随关键层的破断呈周期性变化，地表下沉不一致时，土体将因拉伸应力形成地裂缝。王来贵等[30]利用数值模拟发现，覆岩抗拉强度越小，地表越容易形成地裂缝，当抗拉强度为0.4 MPa时，地裂缝与覆岩裂隙贯通。此外，基岩表面的粗糙度对上覆土层影响较大，表面粗糙时土层将产生明显的裂隙[47]，易形成地裂缝。李春意等[48]认为，巨厚砾岩层(关键层)破断后由于上覆松散层较薄(仅20 m)，岩土体剪切破坏易引起台阶状地裂缝。
3.1.3 开采工艺对地裂缝的影响
工作面开采尺寸、开采速度、工作面布置方式及顶板管理方法等采矿因素对采空区上覆岩土体移动与变形有较大影响，不同开采工艺条件下，基采比、宽深比等参数可能发生变化并对地裂缝产生较大影响。
一些新开采技术与理念不断涌现，超大工作面(开采尺寸大、开采速度快、采出率高等)技术得到大规模应用[5,8,10,53]，引起的地裂缝形成机理及分布特征有其特殊性[27,29,38]。此外，切顶卸压自动成巷无煤柱开采技术[54]、深地煤炭资源流态化开采理论与技术[55]等新开采技术与理念引起的非连续变形问题值得关注。
3.1.4 煤层赋存条件和地形地貌的影响
煤层赋存条件(煤层厚度、倾角、埋深等参数)和地形地貌一般较为复杂，使得不同矿区采动地裂缝形成机理具有差异性。
当采深与采厚比值(深厚比)较小(小于30)时，地表将形成明显的地裂缝[2]，是地裂缝形成的主要因素[32]。王来贵等[56]通过数值模拟发现，急倾斜煤层开采最大拉应力集中在地表，地表优先于采空区破裂。急倾斜煤层开采地表和采空区破裂的顺序与水平、倾斜时的破坏顺序相反。煤层倾角很缓或水平时，采空区先破裂，地表才破裂形成地裂缝，表明煤层倾角对地裂缝形成的应力—应变路径影响较大。
在山区、沟壑区等矿区地下采煤时，坡体采动地裂缝由于附加应力作用，在相同煤层赋存及开采条件下，相对于平原矿区采动地裂缝较为发育，且其性状特征存在差异。诸多研究(山区[25,35,41,49]、沟壑区[14,17])表明，受地形微地貌等因素影响，在采动附加应力影响下，山区及沟壑区更易形成滑动型采动地裂缝。
3.1.5 断层等特殊地质构造的影响
较大的地质构造在采动应力影响下可引起地裂缝形成，而断层对地裂缝影响较大。断层是地壳岩层因受力达到一定强度而发生破裂，并沿破裂面有明显相对移动的地质构造[2]。断层破碎带处岩层的力学强度远低于周围岩层，使得断层露头处成为岩层变形集中的部位[16]，在采动应力作用下靠近采空区一侧沿着断层面滑动，变形值大于远离采空区的一侧，这种非连续性破坏向上发展至地表导致断层在地表露头处形成地裂缝甚至明显的下沉台阶。
吴作启[44]认为当断层倾角大于20°、落差大于10 m时，断层对采空区有明显影响;在垂直断层走向的剖面上根据断层倾角和基岩移动角间3种相对关系分析了断层对地裂缝的影响。文献[50]进一步认为断层面的产状、采厚、断层露头与开采边界的相对位置、断层落差等是影响地裂缝形成的重要因素;郭文兵等[46]认为断层加快了地裂缝的形成过程，其延展方向受断层走向方向控制，表土层厚度、断层破碎带充填物力学性质等也有一定影响。
邓喀中等[52]认为岩体节理对岩土体移动影响较大，节理倾角增大时地表下沉、水平移动失去对称性;但还未有岩体节理对地裂缝影响效应的相关报道。
3.2 采动地裂缝形成机理的研究方法
学者们针对不同类型采动地裂缝形成过程的差异，从不同视角提出了多种研究方法。
3.2.1 现场实测
现场实测方法多为应用相关仪器设备在地表及岩土体内部对采动地裂缝形成过程中性状特征或岩层裂隙进行现场观测。胡振琪等[5]实测了动态地裂缝性状发育特征，并以石灰浆体为示踪剂灌注裂缝，实地开挖后观测裂缝地下发育形态;李亮等[12]也以石灰作为示踪剂探测地裂缝发育深度;朱卫兵等[24]采用钻孔原位监测岩层破断与地表同步移动变形关系;张玉军等[26]利用钻孔冲洗液法和钻孔彩色电视系统探测采动覆岩裂隙发育高度。
分析认为，现场实测能较为直观地了解岩土体内裂隙演变情况，观测结果可作为理论分析、实验模拟的验证依据，有助于地裂缝形成机理研究，但实测地点的选取需根据采矿地质条件综合考虑确定，此外，野外工程费用有时较大，还需一定人力、物力且对仪器设备有一定要求。
3.2.2 数值模拟
由于矿区岩土体的复杂性，数值模拟显示了独特的优越性。常用软件有UDEC[17,35],FLAC3D[19,36-37]等。王来贵等[30,56]利用可描述拉张破裂的有限元方法模拟了地裂缝形成过程;刘爱军等[32]利用2D-Block离散元软件分别模拟了不同采厚、松散层厚度和采动充分程度与地裂缝形成的关系。需要说明的是，应根据矿区岩土体力学性质及破坏形式来选择数值模拟方法，如西部厚风积沙层薄基岩浅埋煤层高强度开采非连续变形破坏较为严重，利用块体离散元数值方法研究岩土体破坏较为适宜。
数值模拟既直观又经济、快捷，便于模拟采动过程中岩土体变形情况，易于分析某一地质采矿因素对地裂缝形成的影响，应用成功的关键在于对岩性的认识和计算模型的选取，确定本构关系、边界条件及赋存条件尚有局限性。
3.2.3 相似材料模拟
相似材料模拟的实质是:根据相似原理将矿山岩层以一定比例缩小，用相似材料制成模型。然后在模型中模拟煤层开采，观测模型中岩层移动和破坏情况，据此分析、推测实际岩土层发生的破坏情况[2]，研究过程较为直观。
李亮[12]、吴侃等[42-43]通过相似材料模拟，均认为地裂缝首先从地表开裂，不会从某一深度处开始形成，且沿竖直方向的发育深度有限，存在极限深度;范钢伟等[27]观察到岩层破断后岩块反转与岩层裂隙、地裂缝发育的关系;黄庆享等[38]发现，厚砂土层地裂缝与岩层裂隙的贯通形成切落型地裂缝。尽管相似材料模拟可定量观测，也能考虑岩体的非均质、非连续和非均匀性，但主要满足几何相似、力学参数相似，不能满足现场地应力、结构面、时间效应等完全相似;此外，相似材料及其参数不易更改，模型制作费时、费力且三维建模费用较高。
3.2.4 理论推导与分析
采动地裂缝的力学过程较为复杂，已有研究多以一定的简化假设条件为前提，将岩层破断后的结构和形态假定为一定的力学结构，根据岩层控制理论、岩石力学、材料力学、弹性力学、塑性力学、土力学等理论，以及岩层破断失稳与土体极限平衡条件，推导地裂缝形成的判据。如刘辉等[10]根据薄板理论并结合关键层理论分析了塌陷型地裂缝形成机理。
分析认为，没有哪一种方法堪称理想，未来采动地裂缝形成机理研究，应充分结合现场监测、数值模拟与物理模拟、理论推导分析等技术手段与方法，各方法所取得的研究结果应相互验证，才能使研究结果更具说服力。
4 讨 论
归纳分析目前采动地裂缝形成机理研究不难发现，近年来相关研究不断增加且有了一定突破，但其形成过程受多种地质采矿因素影响，因而地裂缝的类型不一、成因机制各异且较为复杂。因此，笔者认为仍有一些研究问题值得进一步思考与重视:
(1)岩层与松散层土体间应力-应变演化机制有待进一步研究。针对岩土层间应力-应变机制，目前存在两种不同认识:一种认为地裂缝首先从地表开裂，在应力作用下沿着土体裂隙逐渐向下扩展发育形成地裂缝，并存在极限发育深度[7,12,42-43];二是认为岩层与松散层力学性质不同，上位岩层(与松散层相邻)与松散层的接触面在摩擦力作用下产生集中应力，在土体中形成破裂面并沿土层的垂直裂隙发育扩展，并进一步沟通土层结构的垂直裂隙，向上传递形成采动地裂缝[9]，该类研究表明基岩与土层接触面间摩擦力对地裂缝形成影响较大[4,29,47]。分析认为，限于现有研究技术手段，还不能对地裂缝形成过程中岩土体应力-应变演化机制给出立体、全面的认知，因而已有研究可能存在片面性，对于地裂缝形成过程中岩土体间应力-应变演化机制不宜一概而论，这主要取决于岩土体接触面中摩擦力的大小以及上覆土体物理力学特性:① 当摩擦力较大而土体物理力学特性较弱时，土体往往从岩土体接触面开裂形成地裂缝;② 当摩擦力较弱而土体物理力学特性较强时，土体从地表开裂形成地裂缝;③ 当摩擦力与土体力学强度相当时，土体可能从岩土体接触面和地表两个应力-应变路径发生破坏形成地裂缝，此时地表破坏程度较大;④ 地裂缝开裂的应力-应变路径应存在不同路径间的某种转变机制，即摩擦力与土体力学强度相比情形下，地裂缝开裂路径如何从地表开裂转向从基岩与土体接触面开裂，或是从两个路径同时开裂。目前该类研究仅有定性认识，缺乏定量研究，尤其是岩土体接触面摩擦力作用机制及对上覆土体破坏程度的定量研究，亟需进一步开展不同类型岩土体应力—应变演化机制的实验模拟以及理论分析研究。
(2)动态地裂缝可能存在多个“开裂—闭合”力学过程，其形成机理并未得到关注。原位动态监测表明，风沙区高强度开采条件下动态地裂缝存在两个“开裂—闭合”的M形发育周期[5]，这与开采沉陷学中动态地裂缝单一“开裂—闭合”发育周期不同[2-3]。
笔者认为，动态地裂缝M形“开裂—闭合”发育周期存在力学合理性，有研究[25]表明，下层位岩层的若干次断裂引起上层位岩层的一次断裂，导致部分岩层移动变形具有跳跃式变化特征;此外，实验及实测研究[23]表明，主关键层破断引起上覆岩土层运动的周期性跳跃变化，进而引起地表下沉速度明显增大和周期性变化，地表下沉速度随关键层的破断呈现多波峰值[24]，这表明地表任一点动态下沉过程受关键层周期破断而呈周期性变化;在风沙区浅埋深薄基岩高强度开采条件下，关键层的破断与运移对地表沉陷影响较大，而地裂缝多由表土层移动变形超过土体力学强度形成，风积沙层力学强度较差，其开裂—闭合过程往往直观反映了关键层破断及破断岩块的回转铰合过程，因而在快速推进条件下，关键层断裂与回转铰合运动将快速传递至风积沙层，引起地表下沉速度的跳跃性变化，使得地表水平变形以及曲率变形出现波动，进而导致表土层应力发生变化，当采动应力超过土体强度时土体开裂形成地裂缝，而应力的跳跃性变化可引起土体开裂—闭合过程的重复出现，表征为动态地裂缝M形乃至多个“开裂—闭合”过程。
目前未有相关动态地裂缝多周期发育的力学解释。对此，笔者认为应开展以下研究:① 在地表移动变形及地裂缝性状特征演变同步监测中，缩小监测周期，对重点监测裂缝，可在1 d或更小时间尺度下进行监测，避免漏测活跃期地表移动变形及地裂缝性状特征演变资料;② 在实验模拟中，进一步缩小时间尺度影响效应，开展岩层尤其是上位岩层与表土层移动变形同步协调性的定量研究，还应特别关注上位岩层的移动变形变化情况;③ 对岩层与表土层接触面摩擦力动态变化进行定量研究，并与土体破坏极限强度对比分析;④ 动态地裂缝多周期发育机理较为复杂，应改进现有观测方法并综合利用现场实测、物理与数值模拟等技术手段，运用岩层控制理论与岩土力学理论开展理论分析并相互验证。
(3)采动地裂缝是岩层破断与表土层形变耦合的结果，而岩层与松散层土体一般具有层状结构。因此，学者们常根据岩层控制理论、相关数学、力学理论对不同地质采矿条件下地裂缝形成机理开展大量理论分析，构建了不同的数学力学模型。然而各层介质的物理力学性质往往具有明显差异，岩土体事实上是复杂的“层、块、散体”结构，而已有研究多基于一定的简化假设条件，与实际情况并不相符:① 多数研究采用的概率积分法，其理论依据是随机介质理论，但该理论的本构方程尚为未知，不能将应力应变统一研究，未反映开采沉陷“应力平衡—采矿扰动—应力再平衡”的力学行为本质，因而并不能从力学机理上解释岩层移动与地表沉陷;② 莫尔-库仑强度理论对拉应力区段进行了过度简化，原本用以研究土体剪切破坏，因而应用该理论研究土体拉伸破坏本质上并不适宜;③ 采空区上覆岩土体是由非连续介质与连续介质组成的，两种介质力学行为存在本质差异，在地裂缝形成机理中较少有研究考虑到这种本质差异造成的耦合作用;④ 一些研究常利用多种抽象的力学理论模型，模型间是否存在冲突？是否结合实际验证？往往未给出相关说明。因此，进一步开展严谨的理论研究尤为必要。
(4)在利用物理与数值模拟开展地裂缝研究中也存在一些问题:① 研究中往往对复杂地质采矿条件进行过度简化，但地质体往往含有大量节理裂隙、断层弱面等，这是造成岩土体非连续性、非均匀性和各向异性的本源，也是岩体材料与完整岩块的本质区别，但实验测试确定的岩石物理力学参数却是依据完整岩块，测试参数按一定比例折减后用于实验，折减比例按经验估算存在模糊性[57]，使得人们对岩性的认识出现偏差进而造成实验误差;② 一种数值模拟方法往往含有多种本构模型，计算模型的选择将直接影响研究结果，此外，尚未有数值模拟方法顾及非连续介质与连续介质的本质差异及其耦合效应，边界及赋存条件的确定也有局限性。尽管物理模拟能够考虑岩体的非均质、非连续和非均匀性，也仅能满足几何与力学参数相似，不能满足现场地应力、结构面、时间效应等完全相似，且其材料与参数较难改变;③ 一些研究同时采用基于连续介质与离散介质的两种或多种数值模拟方法，不同方法间在表达力学行为本质上是否存在冲突？所得模拟结果是否存在差异？并未给予阐释。
(5)西部生态脆弱矿区浅部开采及中东部矿区深部开采地裂缝形成机理需要重视:① 西部矿区厚风积沙层浅埋深薄基岩高强度开采条件下地裂缝的形成机理有其特殊性，浅埋深条件下岩土体破坏程度不一定小，有时反而更加严重[58]，目前尚无成熟的力学模型给予合理解释;② 深部岩体所处应力环境较为复杂，具有更复杂的应力场、强流变性和脆延转化等非线性力学特征，浅部开采岩层控制与地表移动变形理论可能不适用于深部开采[55,57,59]，且深部开采所受地质采矿因素更多，故深部开采地裂缝形成机理研究难度增大;③ 同一矿区浅部开采转向深部开采中，岩土体应力环境发生变化，复杂采动应力条件下地裂缝形成机理可能存在本质差异，产生的地裂缝类型可能发生变化，其转变机制究竟是什么？何种应力条件引起哪类地裂缝的形成？目前尚无相关研究。
5 结论与展望
分析认为，当前的研究成果可在一定程度上揭示采动地裂缝形成机理，但从研究进展的分析与讨论以及未来我国能源开发战略转移、煤炭开采技术变革方面，有如下认识:
(1)不同岩土层介质间应力—应变演化机制是采动地裂缝形成过程的核心。大量研究表明基岩与松散层接触面间的摩擦力对土体形变有明显作用，但土体受应力作用后应力-应变机制尚有不明之处，需深入开展岩土体接触面摩擦力作用机制及其对上覆土体破坏程度的定量研究。
(2)动态地裂缝“M”形或多个“开裂—闭合”形成过程存在力学合理性。需进一步改进现有监测方法，研发新的动态地裂缝监测装置，在不影响岩土体物理特性的同时尽量避免现场环境干扰，监测地裂缝性状演变特征及岩土体形变特征，综合运用多技术手段开展研究。
(3)采动地裂缝受复杂地质采矿条件的影响，现有研究多基于一定的力学简化假设条件进行数学与力学推导，而未考虑多因素耦合影响效应，尤其未考虑到岩土体中非连续介质与连续介质的耦合影响，所采用的数学与力学理论有时并未能反映开采沉陷岩土体力学行为本质。因此，建立顾及多因素耦合影响效应的力学模型并与实测结果验证更具说服力。
(4)采动地裂缝形成机理的数值模拟研究方法较多，它们的广泛应用能够起到一定作用，但每种方法都有其力学理论的限制，未来应综合利用现场实测、数值模拟、物理模拟、理论分析等多技术手段，可以尽量规避应用单一技术手段的部分缺陷，也可增加实验和理论分析结果与现场实际的吻合性，但应注意技术方法之间的兼容性和力学理论的一致性。
(5)深部开采及西部生态脆弱矿区高强度开采条件下，采动地裂缝形成机理可能与传统开采方式下有所不同;浅部开采向深部开采转变条件下，地裂缝的类型将发生变化，其力学转变机制尚未引起重视;新开采技术的应用可能引起岩土体不同介质间应力应变演化机制的改变。上述问题值得未来研究关注。
(6)采动地裂缝形成机理的实质是采矿驱动力引起的岩土体非线性变形，对矿区岩土工程设施及土地生态安全等造成严重威胁。深入开展采动地裂缝形成机理研究，进而采取针对性的防治措施，有助于实现矿区土地生态损伤分区差异化修复[60-61]，这对于矿区采动损害控制以及土地复垦与生态修复等具有重要意义。
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