西部煤炭集約化開采損傷傳導機理與源頭減損關鍵技術

李全生，郭俊廷，張 凱，閻躍觀，張 村，徐祝賀1,

(1. 煤炭開采水資源保護與利用國家重點實驗室，北京 102209；2. 中國礦業大學(北京) 能源與礦業學院，北京 100083；3. 北京低碳清潔能源研究院，北京 102211;4. 國家能源投資集團有限責任公司，北京 100011)

集約化開采是相對粗放開采而言，指集高素質人才、先進裝備、高水平管理等為一體，以節約、高效為目標的現代化開采方式，包含規模與效率2個方面。西部煤炭集約化開采實質是由新技術投入帶來的生產成本的降低、生產效率與煤炭產量以及管理水平的提高。西部礦區具有煤層埋藏淺、瓦斯涌出量較低、水文地質條件相對簡單等獨特賦存特征，給集約化開采提供了有利條件，奠定了我國西部能源“金三角”煤炭開發在國民經濟發展中的地位，為國家能源安全提供了保障[1]。同時，西部淺埋、高效開采也引起了覆巖含水層、地表建(構)筑設施或地表生態環境的損傷。為協調煤炭資源開發與礦區和諧可持續發展，我國科技工作者針對西部高強度開采進行了一系列研究，包括：① 地表移動變形規律；② 地表采動裂縫發育規律；③ 覆巖破壞形式與裂隙特征；④ 頂板結構及穩定性；⑤ 對水土植被的影響；⑥ 開采損傷預測預報；⑦ 開采損傷監測；⑧ 開采損害防治技術等。

西部高強度開采在覆巖與地表移動方面的研究，主要以現場實測或試驗模擬的方式開展，其中非連續變形發育、地表下沉速度快和地表移動持續時間短為其主要特征[2]。地表采動裂縫主要分布在采空區邊界對應地表位置附近，工作面上方地表以幾何特征動態變化的裂縫為主，因松散層性質差異，工作面中部地表裂縫一般在工作面推過一段距離后閉合，部分條件下不完全閉合[3-8]；且對裂縫附近土壤含水量、氮磷鉀含量、有機質含量及根際生物活性均產生影響，是造成生態損害的主要原因之一[9-11]。在覆巖破壞方面，著力解決采場礦壓和覆巖含水層的保護問題，主要圍繞“橫三區”、“豎三帶”理論開展覆巖破壞范圍和高度的相關研究，其中西部淺埋高強度開采，因開采深厚比與覆巖性質的差異，覆巖破壞以“兩帶”和“三帶”模式并存[12-15]，限于研究手段和探測技術水平，巖層分區僅為定性或經驗性判斷方法，缺少分區范圍的準確判定方法；針對采場礦壓顯現與巖層控制，有學者提出并研究了基本頂周期來壓的“短砌體梁”和“臺階巖梁”結構模型[16]。頂板結構穩定性也是圍繞解決安全生產開展的相關工作，如工作面壓架、片幫等問題[17-18]。頂板結構穩定性主要圍繞傳統砌體梁或臺階巖梁進行分析和研究，對于淺埋煤層開采頂板結構，許多學者進行了有益探索，提出了諸如關鍵塊理論、巖塊滑落失穩和回轉失穩以及基于突變理論的相關理論與判定方法[19-22]，對工作面安全控制與評價提供了理論依據。

此外，有學者對西部集約化開采礦區含水層影響、土壤參數及植被的影響也進行了研究。研究表明，開采引起含水層水位降低后，一定時間后基本恢復到采前水平[23-26]；沉陷區土壤含水量、氮磷鉀及有機質含量開采過程中會降低，采后12～18個月基本恢復至采前狀態；因采動影響的時間效應，在開采影響區內植被變化稍滯后于開采時間，從植被覆蓋度來看，開采影響區內植被蓋度會低于周邊未開采區域[26-27]，表明開采對植被產生了一定影響，具體影響程度和影響時間仍在進一步研究。為分析開采的影響情況，許多學者對覆巖導水裂隙及地表移動變形預測進行了研究，但因淺埋高強度開采覆巖破壞形式和地表移動狀態與其他開采條件的差異，致使預測機理認識不足，其預測方法尚需進一步研究。為準確進行開采損害的預測預警，開采損傷現場監測是其必要手段，目前覆巖損傷監測常用的有瞬變電磁法或大地電磁方法、地面鉆孔漏失液法、鉆孔電視監測法、微震監測分析法以及井下仰孔的相關觀測方法[28-29]，這些都是較為準確和可靠的研究方法，目前《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規范》中所用“三帶”計算方法來自實測統計成果。隨著現代監測技術的進步，除傳統的水準儀、全站儀監測外，針對不同監測條件和精度要求GNSS、InSAR、三維激光掃描和無人機變形監測均在礦區得到了普遍使用，并在監測方式上進行了集成應用，克服了單一儀器在監測精度或效率方面的不足，可更加準確地把握地表移動的基本規律[30]。許多學者利用上述研究結果，提出了一些高強度開采的損傷防治的技術途徑，如開采工藝選擇(綜采工藝、綜放工藝和分層開采工藝)、工藝參數優化(采高、工作面長度、采放比、支架阻力等)、長壁機械化快速推進、風積沙充填以及“短充長采”等技術思路[16，31-34]，對損害防治進行了積極有益的探索。

從研究內容看，目前主要集中在采場、覆巖、地表或地表的水土植被影響與規律的某一方面，缺乏從損傷源頭至地表影響整個過程的系統研究，尤其在損傷傳導機理方面，還需進行深入系統研究。從研究手段看，目前的單點監測，雖具有較高的可靠性和精度，但效率低，不適于大范圍開展，成本高也是一顯著弊端。非接觸、高效率、高精度的觀測方法應是發展趨勢。為此，筆者依托西部集約化開采損傷空天地一體化監測手段，對開采損傷傳導機理和減損技術進行研究，以期為開采減損提供技術支撐。

1 西部煤炭集約化開采損傷規律

1.1 研究區概況

神東上灣煤礦12401綜采工作面是1-2煤四盤區首采工作面，傾向長300 m，走向長5 255 m，采高8.6～8.8 m，地表標高+1 188～+1 300 m，底板標高+1 043～+1 066 m。地表為第四系風積沙覆蓋，部分區域為黏土，地形復雜，溝谷縱橫。煤層偽頂為泥巖，直接頂為灰白色細粒砂巖，基本頂為灰白色粉砂巖。

1.2 集約化開采覆巖移動特征

(1)通過高密度電法+覆巖鉆孔觀測+礦壓在線監測實現覆巖運移規律探測，測得上灣煤礦12401工作面初次來壓步距46.4 m，周期來壓步距9～26 m，平均來壓步距15 m(圖1)；垮落帶高度33 m，斷裂帶高度124 m。

圖1 上灣礦12401工作面礦壓分布Fig.1 Monitoring of rock pressure at 12401 panel in Shangwan Coal Mine

(2)西部煤炭現代高強度開采覆巖損傷嚴重，礦壓顯現強烈。與中低強度開采相比，周期來壓步距增大0.41～0.73倍，動載系數增加0.24～0.31倍。

1.3 集約化開采地表移動及裂縫發育規律

1.3.1上灣礦12401工作面地表移動特征

上灣煤礦實測結果表明，地表移動變形劇烈。地表水平變形最大實測值達126 mm/m(為建筑物最大損壞等級指標的10倍以上)，地表下沉速度(800 mm/d)為中低強度開采的3倍左右，地表移動周期為中低強度開采的1/3；水平移動系數和拐點偏移系數均明顯大于中低強度開采。

1.3.2上灣煤礦12401工作面地表裂縫發育規律

通過“無人機紅外遙感+探地雷達+實地測量”采動裂縫精細化識別方法實現采動影響區裂縫全周期、精細化監測與識別。隨工作面的推進，地表裂縫呈周期性的不斷向前發育，2組斷裂帶中的2個主裂縫間距約為130 m，且90%以上的裂縫發育深度在4 m以內。主裂縫經歷“產生—擴展—壓縮—穩定”發育過程；主裂縫不閉合，穩定后裂縫殘余寬度為裂縫最大寬度的37%左右(圖2)；沿工作面推進方向裂縫密度約2 212條/km。

圖2 實測裂縫寬度變化曲線Fig.2 Measured variation curves of crack width

1.3.3煤炭集約化開采地表移動規律

(1)地表移動劇烈，下沉量及下沉速度大。地表最大下沉6 m，最大下沉速度800 mm/d，下沉系數一般0.5～0.7，重復采動時一般大于0.7。

(2)地表移動持續時間短。移動延續時間一般為1.0H0(H0為平均采深，m)天左右。

(3)裂縫及臺階發育，周期性顯著。部分開采條件伴隨塌陷坑、臺階地塹。

(4)裂縫自修復程度受表土性質影響較大。風積沙區裂縫一般7～15 d會閉合；黏性土區裂縫達到最寬后一般會逐漸縮小，無人為干預時，主裂縫難以自然閉合。

(5)非連續變形對下沉影響小，但對水平移動影響大。非連續變形未改變地表下沉分布特征，但明顯改變了水平移動及水平變形分布狀況。

2 集約化開采損傷傳導特征與機理

2.1 采動損傷井上下關聯特征

高強度開采礦區覆巖損傷呈現下位基本頂破斷-上位關鍵層斷裂-地表主裂縫產生的周期性對應傳導關系。發現神東上灣煤礦12401工作面下位基本頂破斷距-上位關鍵層斷裂距-地表主裂縫間距呈“331”對應關系(圖3)，即3次下位基本頂的破斷回轉下沉造成1次上位主關鍵層破斷，3次上位主關鍵層的破斷運移形成1組地表主裂縫。

圖3 上灣礦基本頂-關鍵層-地表裂縫實測對應關系Fig.3 Measured correspondence between the basic roof of the Shangwan Coal Mine basic top-key layers-surface cracks

2.2 覆巖移動變形特征

圖4～6為以模擬速度5 m/d和15 m/d開采的覆巖損傷及傳遞結果。由圖4，5可知，集約化開采覆巖移動無論縱向或橫向均具有典型的階段性變形或破壞特征，這與二維梁拱模型及三維板殼模型運動破壞特征一致。當工作面推進135 m時，模型Ⅰ，Ⅱ基本頂均發生斷裂(圖4)，且模型Ⅰ覆巖移動高度為72 m，模型Ⅱ覆巖移動高度為56 m，較模型Ⅰ覆巖垮落高度降低22.2%；當模型Ⅰ，Ⅱ工作面分別推進255，285 m，2者覆巖移動高度均發育至地表。因開采速度的差異，覆巖破斷長度及工作面來壓存在差異，試驗及前期實測結果均表明，推進速度快周期來壓步距增大，動載系數也相應增大，但相同開采尺寸和采動影響未波及覆巖主要承載結構時，快速開采可減小開采影響的范圍和程度。

圖4 基本頂初次破斷覆巖破壞分布Fig.4 Distribution of overburden failure caused by primary breaking of basic roof

圖5 不同開采速度下覆巖損傷傳遞相似模擬結果Fig.5 Similar simulation results of overlying rock damage transfer at different mining speeds

由圖6可知，工作面自開切眼回采，直接頂隨采隨冒，開采速度對覆巖損傷的傳導影響不顯著；基本頂破斷后，相同開采尺寸下，模型Ⅰ覆巖移動影響高度大于模型Ⅱ，快速推進時，采空區垮落矸石未充分壓實，基本頂回轉角減小，上覆巖層移動高度在同樣開采尺寸時相對減小，減小量為20%～40%，這為快速開采條件下，覆巖結構穩定性控制和損傷傳遞控制提供了條件；但充分采動后，因覆巖最上層承載結構失穩，采動影響完全傳至地表，開采速度對覆巖的影響基本一致。因此，必須在工作面充分采動前實施控制措施，才能有效控制覆巖及地表的采動損傷程度。

圖6 覆巖移動高度隨工作面推進距離變化曲線Fig.6 Movement height curves of overburden with advance distance of working face

2.3 覆巖損傷傳導機理

相同地質與采礦條件下，在特定開采空間，采動引起損傷的總量為一定值，其中巖體的變形、斷裂、垮落均為損傷的表現形式，為此，筆者將覆巖“三帶”范圍巖體的移動變形均稱為損傷。

開采空間可引起的采動損傷總量，與巖層移動穩定后各層變形破壞耗散的損傷總量一致(因量級差異，本文忽略熱能消耗)。開采損傷傳至地面即為采動損傷能量傳遞的過程。以煤炭開采空間可引起的能量變化作為損傷能，根據煤層埋深所處的應變能計算，則每天采動損傷能Ed為

(1)

其中，K為煤體的體積模量，MPa；L為工作面長度，m；v為工作面的進尺，m/d；L為工作面長度，m；H為采高，m；εV為煤層原始地應力所造成的體積應變。由式(1)可知，采動損傷能與開采強度正相關，開采強度越大，對覆巖擾動越大，引起的損傷能越大。能量一般以波的形式由近及遠傳遞，在范圍擴張的同時，能量逐漸衰減耗散。因覆巖為非彈性體，在能量傳遞過程中發生塑性變形破壞，進一步消耗能量。因此，采用能量傳遞描述采動損傷傳導可較好反映覆巖破壞特征。圖5損傷傳遞模擬表明，隨開采推進距離的增加，采動損傷能傳遞范圍不斷擴大，但存在臨界損傷傳播距離，即損傷能量傳遞過程中不斷耗散，剩余損傷能不足以造成覆巖損傷的臨界能量值。此時，采動損傷形成的范圍稱為采動損傷場，同時，在采動損傷能向上傳遞過程中，越靠近工作面采動損傷能越大，造成覆巖損傷程度越大，從而形成典型的覆巖“三帶”特征。采動損傷場主要包含垮落帶及斷裂帶和彎曲下沉帶。采動損傷能臨界值可由式(2)計算，假設彎曲下沉帶內某一巖層的極限彈性體應變為εu，當應變超過εu時，巖體進入損傷區域。采動損傷能臨界值為

(2)

其中，E0為彎曲下沉帶內發生極限彈性應變巖體的彈性模量；Vm為巖體體積。采動損傷場耗散的能為EM-Eu，其中EM為煤礦開采造成的總采動損傷能。為量化采動損傷傳遞模型，筆者采用覆巖“三帶”分區特征構建了采動損傷分區耗散傳導模型。就損傷而言，僅斷裂帶與垮落帶歸為采動損傷場。但由于彎曲下沉帶同樣存在采動損傷能量(式(2))，故將覆巖“三帶”全部納入采動損傷分區傳導耗散模型中。

煤層開采造成的總損傷空間在經歷垮落帶、斷裂帶、彎曲下沉帶逐漸消耗，傳至地表后主要表現為地表下沉。通過對神東礦區13個工作面主斷面上采厚、垮落帶、斷裂帶、彎曲下沉帶高度與地表下沉系數回歸分析，得到地表下沉系數與其他因素間的關系：

(1-q)M=1.1e-1H1+4.2e-3H2+4.5e-3H3

(3)

其中，q為地表下沉系數；M為煤層采厚；H1為垮落帶高度；H2為斷裂帶與垮落帶法向高度差；H3為基巖面至斷裂帶頂界面厚度。

由式(3)可知，開采損傷傳遞結束，縱向上存在明顯的分區耗散特征，其中垮落帶耗散能量最大，而覆巖損傷的傳遞又是自下而上的逐步傳遞過程，因此，源頭減損是控制采動損傷的主要途徑。

3 源頭減損理念及關鍵技術

3.1 源頭減損理念

根據開采損傷傳導機理和式(3)開采空間與地表下沉、覆巖各帶范圍關系可知，開采引起的損傷程度由開采空間自下而上逐步衰減，典型特征為：① 越靠近開采空間下沉量越大，地表下沉量最小(含水厚松散層條件除外)，垮落帶下沉量最大；② 垮落帶至基巖面覆巖損傷程度逐步降低。

煤炭開采引起的覆巖和地表移動是礦區生態損傷的源頭。開采減損技術主要從開采方法或工藝、影響傳播方式、影響對象的抗損傷能力提升方面進行研究，提出了許多技術方法，如條帶開采技術、協調開采技術、充填開采技術、離層注漿充填及限厚開采等。隨著生產的發展，許多技術已不適用現代開采需求，有些技術可行，但成本代價太高，尤其對于當前集約化開采礦區，這些技術難以適應。為此，需要改變傳統觀念，從原來的控制損傷轉變為降低損傷程度，充分利用受護對象的抗開采擾動能力，協調開采損害與受護對象的保護矛盾問題。

3.2 集約化開采源頭減損關鍵技術

3.2.1開采工藝參數優化源頭減損技術

開采損傷的影響包含地質與開采2類因素，其中地質因素無法人為改變，因此，開采工藝參數優化是目前可采用的惟一減損途徑。常用的條帶開采、寬條帶開采、協調開采、對稱開采、全部充填開采、部分充填開采等均具有顯著的減損效果，但這些工藝方法存在采出率低或效率低的弊端，不符合集約化開采要求。

為滿足集約化開采要求，彌補僅靠經驗確定參數的不足，筆者以覆巖塑性破壞區總體積Vs占采動影響區覆巖體積Va的比例(損傷比)，作為開采損傷程度的評價指標。目前在工藝方面主要從開采的順序和時空布置方面進行減損，其中開采參數對減損效果的評價仍處于定性分析或經驗確定階段。

根據損傷傳導機理和集約化開采影響特征可知，工作面回采速度、面長以及采高等是集約化開采可以調節或優化的具體參數[19-20]，為量化開采參數對覆巖的損傷程度，筆者根據神東集約化生產工作面地質開采條件，采用數值分析方法，建立了煤炭開采工藝參數與覆巖損傷比關系，如圖7所示。

從圖7可知，開采損傷比隨工作面采高、推進速度及面長增加均呈“S”型增長。從圖7(a)可以看出，采高小于7.8 m、推進速度大于11.9 m/d(機械裝備水平限制，開采速度一般不超過18 m/d)及工作面長度在304 m以內是開采損傷增加幅度較小的范圍，超過這些范圍，開采損傷引起上覆巖層中主要控制層的破壞，導致損傷比大幅度增加。因開采損傷是由開采空間逐層向上傳遞的一個過程，為此，若控制開采對地表的損傷程度，需將損傷比控制在一個合理范圍內。

3.2.2覆巖承載結構穩定性維持減損技術

覆巖承載結構穩定性維持減損技術旨在維持采后覆巖中承載結構的穩定性，從而將巖層損傷控制在承載結構下方，阻止采動損傷向上傳遞，實現降低覆巖損傷范圍、保護水資源和地表生態的目的。

由數值模擬及相似模擬結果可知，覆巖結構位于斷裂帶和彎曲帶交界處，控制了采動損傷的傳遞。一般情況下，覆巖存在多層厚硬巖層，厚硬巖層在工作面推進過程中逐層變形和破斷。為便于減損設計，根據當前對覆巖結構的認識，分別按照壓力拱結構和梁板結構計算保持結構穩定所需支撐體尺寸的合理范圍，從而調整開采工序或構筑承載體。

最后通過比較L1和L2的計算結果，取其小者作為減損控制設計的具體參數，指導工作面尺寸選擇、人工構筑支撐體間距設計或工作面推進方向刀柱留設間距確定等。

3.2.3變形調控減損技術

變形調控減損技術旨在降低采動影響區內對變形敏感且下沉影響不大的地表附屬物位置的地表變形量，從而達到降低開采損害或控制開采損傷的目的，如地表植被、建/構筑設施的保護等。基本原理是利用超大工作面或拉壓變形疊加法控制整體變形量，增大小變形區域面積，減小大變形區域范圍。

超大工作面是在開采裝備及技術工藝成熟條件下的一種集約化減損開采方式，工作面長度一般為300～500 m，是常規工作面長度的3～4倍，相當于2～3倍工作面長度范圍內僅受到采動過程中的動態變形影響，采動影響范圍內大部分地表處于移動盆地的平底區域(理論上變形為0)，若工作面推進較快，工作面上方地表承受動態變形影響很小。超大工作面開采較常規開采可降低大變形區域50%以上。

當工作面無法實現超大開采時，可根據傳統協調開采方式，利用2次或多次開采對保護區拉壓變形疊加布置開采工作面和確定開采時間，通過首次開采控制保護區變形量，將拉/壓變形控制在保護對象允許范圍，二次采動影響時保護區拉伸變形范圍受壓縮變形，壓縮變形范圍受拉伸影響，從而降低總體開采影響程度。此外，在技術和管理條件允許時，也可根據動態預測結果，同時開采厚煤層(多煤層)的2個分層(煤層)，前后影響在同一時刻對保護區地表變形性質相反，總體疊加量不超過保護對象的允許變形值即可。

4 源頭減損技術實踐

神東礦區是西部典型的煤炭集約化生產礦區，在進行煤炭大規模、高強度開采的同時，為達到減輕上覆巖層及地表損傷程度，減弱地表生態損傷程度的目的，筆者提出基于工作面參數優化的生態損傷控制技術，并在上灣煤礦12402綜采工作面進行優化設計。

12402工作面是1-2煤四盤區第2個工作面，東側為尚未開采的12403綜采工作面，西側為12401綜采工作面采空區，南北兩側為井田邊界。綜采工作面沿傾向布置，設計走向長度300 m，推進長度5 271 m，采高8.8 m，該綜采工作面地面標高為+1 178～+1 314 m，煤層底板標高為+1 044.34～+1 067.40 m。偽頂為泥巖，抗壓強度11.3～13.2 MPa，普氏系數約1.32，堅固性較低，屬不堅硬類不穩定型；直接頂為灰白色細粒砂巖，抗壓強度13.3～15.2 MPa，普氏系數約1.35，堅固性較強，屬堅硬類不穩定型；基本頂為灰白色粉砂巖，抗壓強度14.5～36.6 MPa，普氏系數約2.32。

根據具體地質條件，兼顧開采效率、效益與覆巖損傷程度，選擇開采工藝優化參數，即在保證最大采高8.8 m情況下，工作面長度小于304.9 m，推進速度大于12.0 m/d。通過模擬分析，優化后的覆巖損傷比為0.32；若采用2層分層開采累積采出8.8 m，覆巖總體損傷為0.34，雖然損傷比相差不大，但效率遠低于一次采全高開采方式，不符合集約化開采需求。

5 結 論

(1)神東礦區集約化開采具有礦壓顯現強烈，覆巖損傷嚴重，地表變形劇烈、移動周期短，地表裂縫發育程度高等特征。地表變形最大值達建筑物最大損壞等級指標的10倍，地表下沉速度為中低開采強度的3倍左右，地表移動周期為中低強度開采的1/3；與中低強度開采相比，周期來壓步距增大0.41～0.73倍，動載系數增加0.24～0.31倍。

(2)發現神東上灣煤礦“基本頂破斷-關鍵層斷裂-地表主裂縫產生”呈“331”周期性對應傳導規律；基于巖體彈性能守恒原理，建立了采動損傷分區耗散傳導模型，得出開采源頭減損是根本且有效的控制途徑。

(3)分別以覆巖損傷控制、地表變形控制為目的，提出了開采工藝參數優化、覆巖承載結構穩定性維持和變形調控減損的集約化開采源頭減損關鍵技術，并給出工作面采高、長度或推進速度的合理取值范圍，并對上灣礦12402工作面參數進行了優化設計。