黃土溝壑地貌下綜放開采覆巖結構穩定性研究

秦喜文，楊秀宇，巨文濤

（1.中煤西安設計工程有限責任公司，陜西西安 710054；2.中煤華晉集團有限責任公司王家嶺煤礦，山西運城 043000）

黃土高原地區賦存大量煤層，是我國主要的產煤區[1-2]。由于雨水沖刷、風化等因素導致黃土高原存在大量溝壑，且溝底與溝頂間存在極大的高差，導致黃土溝壑地貌下的巖層承受了不均勻的上覆巖層自重荷載，進而引起了巖層間原巖應力的重新分布，出現了同一埋深巖層內分布不同原巖應力的現象[3]。在這種黃土溝壑地貌影響下的巖層中進行采礦作業時，極有可能引起回采工作面的地壓顯現[4-6]。相關學者針對上述問題開展了大量研究工作[7-12]。楊秀宇等[13]采用數值模擬技術研究了黃土溝壑地貌下原巖應力場的分布特征，發現黃土溝壑地貌對原巖應力具有顯著影響，且這種影響隨著巖層埋深的增加而逐漸減弱；李建偉等[14]的研究表明淺埋煤層工作面過溝谷區域開采可分為上坡開采階段、坡頂開采階段和下坡開采階段，而過溝谷區域上坡開采階段其工作面易發生動載礦壓事故；徐家林等[15]采用力學分析和物理實驗模擬等手段研究了淺谷坡角對淺埋煤層工作面礦壓的影響，發現當回采工作面推進到溝谷地形時，坡角越大，工作面關鍵層結構承受的荷載越大；邱帥等[16]發現當回采工作面處于山丘地形下時，承載層壓力明顯增大，且當坡度大于30°時，出現了礦壓顯現特征。上述學者的研究表明在溝壑地形下開采時極易引起礦壓顯現現象，對安全回采極為不利。為研究黃土溝壑地貌對覆巖結構穩定性的影響，以王家嶺煤礦12309 工作面為研究對象，采用Get Data、Surfer 軟件構建溝壑地貌三維模型，利用FLAC3D等軟件開展數值模擬，研究溝壑地形對覆巖結構原巖應力場的影響，提出黃土溝壑地貌覆巖應力影響系數，分析黃土溝壑地貌下綜放開采覆巖結構的穩定性。

1 工程背景

王家嶺煤礦主要開采2#以及10#煤層，主要研究的12309 工作面位于2#煤層，該煤層平均厚度6.2 m，煤層傾角極小，為近水平煤層；12309 工作面位于123 盤區，盤區標高+527～+564 m。工作面設計推進長度1.32 km，寬度0.26 km；12309 工作面地表為黃土溝壑地貌，主要分為黃土臺和黃土溝，黃土臺最大標高975 m，黃土溝底最低標高810 m，形成了最大165 m 的高差，12309 工作面上覆巖體等高線如圖1。

圖1 12309 工作面上覆巖體等高線Fig.1 Contour of overlying rock mass at 12309 working face

鑒于12309 工作面地表黃土溝壑高差極大，為避免對該工作面的安全回采帶來影響，因此擬開展黃土溝壑地貌下綜放開采覆巖結構穩定性研究。

2 黃土溝壑地貌下原巖應力場分布特征

王家嶺煤礦地表為黃土溝壑地貌，為研究黃土溝壑地貌對回采煤層覆巖應力的影響，利用Get Data 軟件提取了12309 工作面回采范圍內的高程數據，得到了黃土溝壑地形的三維坐標，采用Surfer 軟件對三維坐標進行處理，構建的工作面地表黃土溝壑的三維地貌如圖2。

圖2 黃土溝壑三維地貌Fig.2 Three dimensional geomorphology of loess gully

2.1 黃土溝壑地貌下原巖應力場數值模擬

1）數值模型與初始應力場。使用FLAC3D軟件[17-18]進行黃土溝壑地貌下的原巖應力場數值模擬，數值模型如圖3。該模型尺寸與現場尺寸一致，模型長1.45 km，寬0.32 km，高0.28～0.43 km，共劃分1 416 357 個單元格，966 355 個節點；模型四周邊界施加水平位移約束，底邊邊界施加垂直位移約束，模型上邊界施加自由約束，所受應力為巖體自重應力；經過初始應力平衡計算，得出垂向初始應力場。

圖3 數值模型與初始應力場Fig.3 Numerical model and initial stress field

2）黃土溝壑地貌下原巖應力場分布特征。為研究黃土溝壑地貌對原巖應力場的影響，通過數值模擬對不同埋深下的覆巖原巖應力與自重應力進行比較，原巖應力與自重應力比較結果如圖4～圖6。在一定深度范圍內，黃土溝壑地貌對原巖應力場的變化具有明顯的影響，且覆巖原巖應力與自重應力的變化規律并不一致；原巖應力在溝壑底部出現較為明顯的應力集中現象，應力集中程度隨巖層埋深的增加而減弱，表明淺部原巖應力主要受到黃土溝壑地貌的影響，而深部原巖應力主要與巖層埋深有關。

圖4 埋深50 m 時原巖應力與自重應力對比Fig.4 Comparison of in-situ stress and gravity stress at buried depth of 50 m

圖5 埋深110 m 時原巖應力與自重應力對比Fig.5 Comparison of in-situ stress and gravity stress at buried depth of 110 m

圖6 埋深260 m 時原巖應力與自重應力對比Fig.6 Comparison of in-situ stress and gravity stress at buried depth of 260 m

2.2 黃土溝壑地貌覆巖應力影響系數

在礦業相關研究中，常常認為采區覆巖應力為覆巖自重應力，前述分析表明，地表黃土溝谷對煤巖層原巖應力場產生了較大影響，主要表現在溝谷坡腳對應位置原巖垂直應力的增大（即覆巖應力大于原巖自重應力），因此提出溝壑地貌覆巖應力影響系數μ，則不同深度巖層上μ 值可以表征黃土溝谷地形對煤巖層原巖應力場的影響程度，由式（1）表示：

式中：σg為自重應力，σg=ρgh；ρ 為上覆巖層平均密度；h 為埋深；σ0為原巖應力。

以12309 工作面上方黃土溝底以下190 m 埋深為研究范圍，提取研究范圍內不同深度的原巖應力，并計算相應自重應力，原巖應力與埋深的關系如圖7。

由圖7 可以看出，隨著巖層到黃土溝底的距離不斷增大，原巖應力逐漸增大，覆巖自重應力增長系數逐漸減小，表明黃土溝壑地貌對覆巖自重應力的影響程度隨著巖層埋深的增加而逐漸降低；采用origin 軟件對應力增長系數進行擬合，得到應力增長系數與埋深的關系見式（2）：

圖7 原巖應力與埋深的關系Fig.7 Relationship between original rock stress and buried depth

由該式可知，當礦巖層埋深距溝底超過700 m時，黃土溝壑地貌不再對覆巖自重應力產生影響；王家嶺煤礦12309 工作面煤層距溝底距離小于300 m，因此黃土溝壑地貌會對其覆巖自重應力產生較大影響，所以在該工作面的開采中，應重點關注黃土溝壑地貌對采區穩定性造成的影響。

將式（2）代入式（1）得到黃土溝壑地貌影響下覆巖原巖應力的表達式：

3 黃土溝壑地貌對綜放開采覆巖結構穩定性的影響

3.1 黃土溝壑地貌下綜放開采對導水裂隙帶的影響

1）構建模型。根據對王家嶺煤礦鉆孔巖心的分析測試，得出相應的巖石物理力學參數。根據鉆孔資料，使用ABAQUS 建立模擬12309 工作面開采的數值計算模型如圖8。根據地表黃土溝壑地貌，選取12309 工作面開切眼至工作面推進至540 m 的范圍，建立長（工作面推進方向）×寬（工作面斜長方向）×高=750 m×1 m×426 m 的數值計算模型，同時模型中對力學性質相近的巖層作了合并處理。計算模型中以六面體單元為主，從下到上單元的平均尺寸從2 m（直接頂）增加至20 m（土層），共劃分為35 500 個單元。設定每個分析步的工作面推進距離為10 m，從左向右總共推進540 m。由此模型分析2#煤回采對上覆巖層導水裂隙帶發育的影響規律。

圖8 數值計算模型Fig.8 Numerical calculation model

2）模擬結果。根據ABAQUS 建立的三維數值模型，計算王家嶺煤礦2#煤層開采后覆巖破斷垮落破壞過程，分析頂板巖層內裂隙隨工作面推進的演化過程。煤層開采后的覆巖運動結果如圖9。由圖9 可知，2#煤開采會使上覆巖層出現貫通至地表的裂隙，特別是在黃土溝谷位置處，裂隙發育更加顯著。盡管泥巖（灰色部分）有較強的塑性變形能力，會在一定程度上阻礙裂隙發育，但其厚度較薄、層數較少，因此判斷12309 工作面的導水裂隙帶高度為285 m 以上。

圖9 覆巖層導水裂隙分布情況Fig.9 Distribution of water flowing fissures in overburden

3.2 黃土溝壑地貌下綜放開采覆巖結構穩定性

為研究黃土溝壑地貌下綜放開采覆巖結構穩定性，根據建立的FLAC3D數值模型，模擬計算王家嶺煤礦12309 工作面回采350～1 100 m 階段共750 m的應力、位移以及塑性區變化規律，以分析該工作面開采過程中的覆巖結構受力破壞特征。覆巖應力分布規律如圖10，覆巖位移分布規律如圖11，覆巖塑性區分布規律如圖12。

圖10 覆巖應力分布規律Fig.10 Overburden stress distribution

圖11 覆巖位移分布規律Fig.11 Distribution law of overburden displacement

圖12 覆巖塑性區分布規律Fig.12 Distribution of plastic zone in overburden

由圖10 可知，工作面開切眼后，切眼周圍原始應力平衡狀態受到破壞，引起巖體內部的應力重新分布，切眼推進的前后方實體煤出現應力集中現象；隨著工作面由10 m 推進到750 m，回采工作面超前煤體受到的集中應力進一步加大，垂直應力峰值達到原巖應力的近2 倍，若不采取有效措施，直接頂將在高應力作用下產生破壞，具有較大的失穩隱患。

由圖11 可知，工作面開切眼推進10 m 后，工作面上方覆巖以及黃土層并未出現下沉現象，但回采部分中部出現了拱形下沉區，最大下沉量2.33 cm，此時采場整體結果較穩定；當工作面繼續推進120 m 后，拱形下沉區范圍進一步擴大，且最大下沉量增大到7.94 cm，直接頂出現失穩破壞的風險；當工作面推進到400 m 后，拱形下沉區最大下沉量達到85 cm，以直接頂上方拱形下沉區到黃土溝谷地表半坡較大范圍內出現下沉現象，礦巖體失穩；當工作面推進到700 m 后，拱形破壞結果最大下沉量近4 m，黃土溝壑半坡最大下沉量2 m。

由圖12 可知，12309 工作面開切眼后直接頂出現塑性破壞，破壞深度約3.2 m；隨著工作面的推進，12309 工作面上覆巖層的塑性破壞范圍逐漸增大，最終出現上覆巖層貫通至地表的裂隙，特別是在溝谷位置處；黃土溝壑半腰處塑性區分布廣泛，此結果與位移分布結果一致，可見回采對地表黃土地貌產生了較大影響。

綜合以上分析可知，黃土溝壑地貌對回采工作面的應力、位移以及塑性區影響明顯。在工作面初采階段，由于工作面上覆主關鍵層的承載，使得工作面礦壓顯現不明顯；隨著工作面的推進，上覆巖層受到的作用力越來越大，關鍵層開始失穩破斷，其礦壓顯現明顯受到黃土溝壑地貌影響，主要特征為：采空區下沉最嚴重的拱形區域持續滯后于空區幾何中部位置，基本處于黃土溝谷上坡段下方；采空區上方卸荷區形狀變異，明顯有異于“拱形”、“馬鞍形”卸壓區，工作面超前支承壓力集中程度受上覆黃土層厚度影響明顯。

4 結 論

1）黃土溝壑地貌對原巖應力場的變化具有明顯的影響，原巖應力在溝壑底部出現較為明顯的應力集中現象，應力集中程度隨巖層埋深的增加而減弱；黃土溝壑地貌對覆巖自重應力的影響程度隨著巖層埋深的增加而逐漸降低。

2）當礦巖層埋深距溝底超過700 m 時，黃土溝壑地貌不再對覆巖自重應力產生影響；王家嶺煤礦12309 工作面煤層距溝底距離小于300 m，因此黃土溝壑地貌會對其覆巖自重應力產生較大影響。

3）在黃土溝壑影響下，隨著綜采工作面的推進，上覆巖層受到的作用力越來越大，關鍵層開始失穩破斷，其礦壓顯現明顯受到黃土溝壑地貌影響，主要特征為：采空區下沉最嚴重的拱形區域持續滯后于空區幾何中部位置，基本處于黃土溝谷上坡段下方；工作面超前支承壓力集中程度受上覆黃土層厚度影響明顯。