大柳塔煤礦多煤層開采覆巖變形破壞模擬研究

師修昌 孟召平 楊 圣 張紀星

(1.中國礦業大學(北京)地球科學與測繪工程學院，北京100083;2.貴州有色地質工程勘察公司，貴州省 貴陽550005)

神東礦區位于我國西部晉陜蒙接壤地帶，是我國最主要的煤炭生產基地之一，探明煤炭儲量為2 236億t，約占全國總探明煤炭儲量的30%，含煤地層為中、下侏羅統延安組，煤炭資源賦存具有可采煤層數目多、埋藏淺、基巖薄、上覆厚松散沙層等特點［1］。淺埋煤層長壁開采引起地面塌陷、含水層的水資源疏漏和生態環境惡化等一系列礦山環境地質負效應［2］。近年來，神東礦區隨著各礦井年產量逐漸增加及開采強度不斷加大，淺部煤層開采殆盡，有些煤礦的開采是在已采煤層之下再行開采，這就形成多煤層開采問題，引起地下水繼續向下滲漏和地表二次塌陷。研究發現，對于近距離煤層重復開采，下部煤層采動覆巖破壞會波及上采空區覆巖甚至地表，工作面出現劇烈來壓、涌水潰沙等工程問題［3］。然而，對于一些遠距離煤層開采覆巖變形破壞及重復采動影響特征還沒有系統研究，如大柳塔煤礦一水平2－2煤層大部分采完，計劃開采二水平5－2煤層，煤層間距平均約150 m。因此，本研究采用物理模擬和數值模擬相結合的方法，對大柳塔煤礦2 個主采煤層采動覆巖垮落、裂隙發育及地面沉陷規律進行系統研究，對工作面安全開采設計、控制地表沉陷災害及水資源保護具有重要理論與實際意義。

1 研究區地質背景

大柳塔煤礦是神東煤炭集團所屬的一座特大型現代化礦井，地處西北內陸干旱半干旱地區的毛烏素沙漠東南緣，井田內煤炭資源賦存條件較好，煤層埋藏淺且以中厚—厚煤層為主，含煤地層傾角平緩，適合機械化長壁式大規模開發。延安組內有可采煤層9 層，主要可采煤層2 層(2－2煤，5－2煤)。煤層上覆基巖主要由粉砂巖、砂巖和泥巖組成，多屬于中等冒落型頂板，根據鉆孔資料統計，2－2煤層埋深為30.6～133.3 m，淺埋深、薄基巖在分布面積上所占比例較大;5－2煤層埋深為162.9 ～280.0 m，屬于中等埋深煤層，其與2－2煤層間巖層厚度為126.6 ～168.6 m。目前1－2煤和2－2煤大部分采完，計劃開采5－2煤。井田兩面臨近地表河谷，地表水主要為烏蘭木倫河和勃牛川河;主要地下含水層為第四系松散含水層和中侏羅統裂隙潛水含水層，是地表植被賴以生存和人民生活用水的寶貴水源。

根據大柳塔礦鉆孔資料，選擇有代表意義J60#鉆孔區域地層作為相似模擬試驗的地質原型，對巖層分層特性作了合并均勻化處理，建立反映煤層頂底板條件的工程地質模型。

2 相似模擬研究

2.1 相似模擬試驗設計

采用相似材料模擬試驗，研究大柳塔煤礦多煤層開采后巖體應力與位移變化規律及頂板巖層冒裂帶高度。制作模型的相似材料選用細砂、碳酸鈣、石膏及水，并進行相似材料配比以達到力學相似要求(見表1)，模型鋪設時撒云母粉作為分層弱面。平面模型架尺寸為4.2 m ×0.25 m ×2.0 m(長×寬×高)，模型幾何、時間、容重和泊松比相似常數按試驗要求選擇，應力及強度相似常數根據相似定理進行確定，本次試驗選取的相似常數:幾何相似比αl=1∶ 150，容重比αγ=1∶ 1.5，強度及應力比ασ=αl*αγ=1∶225，時間比

試驗過程中，模型兩邊各留75 cm 的邊界，以消除邊界效應。模型中2－2煤采高2.8 cm，5－2煤采高4.4 cm，模型中煤層每次開挖5 cm，通過在相似模型內部布置位移基點和應力傳感器，記錄煤層回采過程中上覆巖層移動變形與應力變化等。

表1 原型與模型材料參數及配比Table 1 Mixing ratios and parameters of prototype and model materials

2.2 試驗結果分析

(1)采動覆巖垮落與裂隙發育。試驗結果表明，2－2煤工作面推進45 m(以下尺寸均為原型值)時老頂初次垮落，周期來壓平均步距為15 m，主關鍵層破斷前頂板垮落表現為普通工作面來壓特征，此階段覆巖未發生整體性垮落。當煤層開采145 m 時，強度較高的粉砂巖(主關鍵層)破斷，采動裂隙導通貫穿上覆基巖。此后工作面推進過程中，頂板巖層沿煤壁全厚切落，直接波及地表，周期形成近似平行的貫通基巖裂隙，裂隙發育情況見圖1。2－2煤覆巖采動變形破壞已不存在傳統的“三帶”，而呈“兩帶”結構:冒落帶高度11.7 m，約為采高的2.8 倍;裂隙帶直達地表，達到80.8 m 高度，包括采動覆巖垮落上行裂隙和地表拉伸下行裂隙。

圖1 2 －2煤開采225 m 時頂板破壞情況Fig.1 Failure states of coal roof 2 －2 at 225 m

采動覆巖裂隙貫穿上覆基巖直達地表，裂隙發育區域形成上覆含水層水體的優勢滲流通道，為定量描述采動裂隙的發育程度和分布特征，以裂隙密度(條/m)表示裂隙的發展過程，根據試驗數據，繪出破斷裂隙密度沿走向的發展過程(見圖2)。

圖2 覆巖破斷裂隙密度沿走向分布規律Fig.2 Distribution law of overburden broken fissures density along the direction of the working face

從圖2 可以看出覆巖破斷裂隙沿走向的發生、發展分為3 個階段:①開切眼到頂板初次來壓前(距切眼0 ～45 m)，在此階段，采動作用破壞了頂板巖層原巖應力狀態，開始由彈性變形向塑性變形、破壞發展，破斷裂隙開始發育，頂板初次來壓時裂隙密度達到最大;②頂板初次來壓后周期性礦壓顯現的正常回采期，隨上覆巖層不斷垮落，破斷裂隙向較高層位發展，同時由于采空區垮落巖塊被重新壓實，破斷裂隙密度迅速減小;③工作面附近，頂板巖層垮落不充分，覆巖破斷裂隙分布的密度較大。因此，在走向方向上，覆巖采動裂隙發育特征為在采空區中部形成裂隙壓實閉合區，采空區兩側形成裂隙貫通發育區。

繼2－2煤開采后，再回采5－2煤層，隨著工作面推進，直接頂巖梁兩端及巖梁中下部首先出現拉破壞，隨著推進距離的增大，直接頂初次垮落，工作面推進至60 m 時，老頂初次來壓，與上部未垮落巖層形成較大的離層裂縫(圖3(a));此后隨著工作面推進，老頂周期性發生破斷，平均斷裂步距約為20 m。同時，隨著采空區面積的擴大，頂板巖層斷裂帶高度增大，最大離層裂縫也隨之升高，但離層裂縫量逐漸減小。當工作面推進300 m 時，開切眼和工作面上方的覆巖破斷裂隙率先貫通中間巖層，連通2－2煤采空區(圖3(b));而5－2煤采空區中部覆巖破斷裂隙發育高度較斷裂帶邊界要低，離層裂縫在自重應力及上覆荷載的作用下逐漸閉合。

從圖4 中可以看出，5－2煤的整個采動影響區形態大致以采區垂向中心線對稱，大部分斷裂發生在采空區邊緣的上方，呈雁行排列，形成梯形斷裂，冒裂帶高度表現為兩邊高中間低，其分布形態呈馬鞍形。5－2煤長壁采區邊緣冒裂帶達148 m，發育至2－2煤采空區內部與之連通，最大裂采比＞22.4。大量現場觀測表明［4-6］，神東礦區侏羅系煤層開采導水裂隙帶高度發育異常，裂采比達24 ～30，現場試驗結果驗證了模擬結果的正確性。顯然，大柳塔礦各煤層一旦開采，其覆巖采動裂隙帶將連通不同開采水平的采空區及含水層，形成工作面涌水的直接通道，引發工作面涌水量增加，甚至會引發突水。

圖3 不同開采距離時5 －2煤層頂板破壞情況Fig.3 Failure states of coal roof 5 －2 under different extraction distances

圖4 煤層開采結束后覆巖破壞情況Fig.4 Overburden failure states when the end of coal extraction

(2)采空區地表移動變形規律。地表產生垂直和水平位移是煤層開采后，其上覆巖層的移動變形自下而上逐步傳遞到地表的結果。2－2煤開采結束后，地表下沉曲線的形態呈盆狀分布，最大下沉量為2.25 m，其位置大致位于采空區中央之正上方。5－2煤開采結束后，地表下沉曲線由平緩變為凹陷狀，下沉值明顯增大，最大下沉值為5.46 m(圖5(a))。

地表移動盆地內各點的水平移動方向都指向采空區中心。水平移動曲線分為2 個區段:開切眼至最大下沉點為正水平移動區，挺采線至最大下沉點為負水平移動區，有正方向和負方向2 個極值。2－2煤開采結束后，地表的最大正、負水平位移分別為+18.1 cm(120 m 處)、－17.3 cm(360 m 處);5－2煤開采結束后，地表的最大正、負水平位移分別為+ 38.1 cm(120 m 處)、－36.3 cmm(360 m 處)，見圖5(b)。

圖5 模型開挖后地表垂直和水平位移Fig.5 Vertical displacement and horizontal displacement of surface after model excavated

5－2煤重復開采后，地表移動盆地范圍擴大，地表下沉和水平移動也明顯增大，表明5－2煤長壁開采對上部采空區覆巖及地表造成了較大的擾動。地表移動變形加劇的原因分析認為:5－2煤采動時，由于2－2煤采空區覆巖已經經歷過冒落、彎曲、離層和下沉等移動變形，巖層的原始結構遭到破壞，巖層強度減弱，其移動變形依附于下伏巖層，當5－2煤采動上覆巖層移動變形向上傳遞至頂部時，2－2煤覆巖就隨之再次發生移動變形;2－2煤采空區覆巖內的空隙、離層裂縫在重復采動的作用下逐漸閉合而變成現實的下沉，從而加劇了巖層和地表的移動與變形。同時，重復采動時，2－2煤冒裂帶巖體進一步破碎，地表拉伸裂縫寬度和深度都有所增大。

3 數值模擬

3.1 計算模型建立

為了進一步分析大柳塔遠距離多煤層開采覆巖變形破壞及地面沉陷規律，對應相似模型中煤巖層結構和巖石力學參數，應用FLAC3D軟件進行數值模擬計算。根據工作面的實際開采條件，計算模型的大小確定為500 m×300 m×281.3 m(長×寬×高)，模擬采用Coulomb－Mohr 力學模型，邊界條件確定如下:模型前后和左右四側施加水平方向的約束，即x 和y方向的水平位移為零，只允許邊界節點沿垂直方向移動;模型底部為固定邊界，即底部邊界節點水平位移、垂直位移均為零;模型頂部為自由邊界條件。模型共由102 000個單元和109 089個節點組成。

3.2 模擬結果分析

FLAC3D數值模擬的過程實行分布開挖，考慮邊界對采煤工作面開采的影響，模擬開挖部分左右、前后兩側都留50 m 的邊界保護煤柱。2－2煤設計采高4.2 m，工作面斜長200 m，工作面推進400 m。5－2煤開采考慮不同工況下的采動影響:采高固定為6.6 m時，工作面斜長分別為200 m、180 m、170 m、160 m、140 m;斜長固定為180 m，采高分別為6.6 m、5.5 m、4.4 m、3.3 m。工作面每次推進長度為10 m，模擬過程中煤層開采將開挖范圍的實單元變成空單元。

(1)采動覆巖主應力分布。隨著工作面推進，上覆巖層彎曲、斷裂、垮落，并伴隨出現拉壓應力集中和壓應力降低等應力傳遞和釋放現象。采空區上方巖體受力狀態按最大主應力和最小主應力的大小、方向及性質進行分析，以5－2煤工作面上覆巖層為研究對象(見圖6)。

圖6 采動覆巖內主應力分布Fig.6 Distribution of principal stress in overlying strata during coal extraction

雙向拉應力區:σ1＞0 ，σ3＞0 ，主要分布于采空區冒落帶巖層內，當拉應力超過巖體極限抗拉強度時，巖層斷裂、垮落，應力釋放轉移(a 區);

拉壓應力區:σ1＞0 ，σ3＜0 ，分布在冒落帶外圍巖層及正曲率區巖層中，巖層所受某一方向的拉(壓)應力高于抗拉(壓)強度而產生剪切裂隙、拉張裂隙(2a、2b 區);

壓應力區:σ1＜0 ，σ3＜0 ，包括采空區正上方巖體壓應力區(3a)、采區兩側煤柱頂板巖層支承壓力區(3b)以及未受采動影響的原巖應力區。采區上方巖體中最大主應力σ1為順層方向，此區域巖層易產生離層裂隙;支承壓力區頂板中σ1為豎直方向，此區域應力集中，易產生塑性變形和剪切破壞。

冒裂帶一般位于采動覆巖雙向拉應力區和拉壓應力區，其破壞形式以拉張破壞和剪切破壞為主，主應力的大小和巖體性質控制著冒裂帶的發育高度，采動裂隙的張開度、密度和貫通性。

(2)采動引起地表下沉計算。數值計算了5－2煤不同工作面斜長和采厚條件下采動引起的地表下沉值，并與2－2煤開采地表下沉作對比。比較不同工作面斜長條件下的地表下沉曲線(見圖7)，從圖可以看出，從工作面斜長140 ～200 m 的5 種模型中，地表最大下沉值分別為3.48 m、3.89 m、4.20 m、4.50 m、5.20 m，地表下沉值隨著5－2煤工作面斜長的減小而降低，即采用短壁開采可以減小地面沉陷。

圖7 不同工作面斜長地表下沉曲線Fig.7 Surface subsidence curve at different mining widths

比較5－2煤不同采厚條件下的地表下沉曲線(見圖8)，工作面斜長180 m 條件下采厚3.3 ～6.6 m 的4 種模型中，地表最大下沉值分別為3.09 m、3.52 m、4.02 m、4.51 m，地表下沉值隨著采厚的減小而降低，即采用限高開采可以有效減小地表下沉。

圖8 不同采厚地表下沉曲線Fig.8 Surface subsidence curve at different mining height

在采煤方法一定的條件下，開采空間的大小決定著巖層與地表移動變形。開采空間的大小主要由工作面斜長及采厚來衡量，開采空間越大，工作面周圍的支承壓力越大，從而頂板的變形破壞越嚴重，冒裂帶發育就越高，地表沉陷越大。因此，在諸如有多煤層開采、突水危險、地面塌陷嚴重的地區適當地減小工作面斜長或采厚可以防止災害事故的發生。另外，不同的采煤方法對工作面覆巖冒裂帶發育起著控制作用，采用礦壓顯現不劇烈的采煤方法，可以減輕工作面頂板的破壞程度，尤其在大柳塔近水體下多煤層開采，采用短壁工作面開采、條帶開采或充填開采可以實現保水采煤。

4 結 論

(1)大柳塔淺部2－2煤覆巖關鍵承載層垮落后，頂板基巖會發生直達地表的整體切落現象，5－2煤一次采全高長壁開采形成的冒落裂隙帶可連通2－2煤采空區，形成導水通道，容易引發工作面突水。

(2)覆巖采動裂隙的發展有3 個階段:開切眼到老頂初次來壓前、頂板周期性來壓的正常回采期、回采工作面控頂期;裂隙分布在采空區中部形成裂隙壓實閉合區，采空區兩側形成裂隙貫通發育區。

(3)采空區上覆巖體依據主應力分布可劃分為雙向拉應力區、拉壓應力區和壓應力區3 個區，主應力狀態對采動裂隙的形成、發育起著控制作用;冒裂帶的破壞形式以拉張破壞和剪切破壞為主。

(4)采動覆巖變形破壞不僅與頂板巖性有關，還受開采空間、采煤方法等因素控制，要減輕下部煤層對上部采空區覆巖及地表的擾動，生產實踐中可采取選用合理采煤方法、減小工作面斜長及采厚等措施，模擬試驗結果對礦井安全生產具有一定的指導意義。

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