大柳塔煤矿多煤层开采覆岩变形破坏模拟研究

师修昌 孟召平 杨 圣 张纪星

(1.中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院，北京100083;2.贵州有色地质工程勘察公司，贵州省 贵阳550005)

神东矿区位于我国西部晋陕蒙接壤地带，是我国最主要的煤炭生产基地之一，探明煤炭储量为2 236亿t，约占全国总探明煤炭储量的30%，含煤地层为中、下侏罗统延安组，煤炭资源赋存具有可采煤层数目多、埋藏浅、基岩薄、上覆厚松散沙层等特点［1］。浅埋煤层长壁开采引起地面塌陷、含水层的水资源疏漏和生态环境恶化等一系列矿山环境地质负效应［2］。近年来，神东矿区随着各矿井年产量逐渐增加及开采强度不断加大，浅部煤层开采殆尽，有些煤矿的开采是在已采煤层之下再行开采，这就形成多煤层开采问题，引起地下水继续向下渗漏和地表二次塌陷。研究发现，对于近距离煤层重复开采，下部煤层采动覆岩破坏会波及上采空区覆岩甚至地表，工作面出现剧烈来压、涌水溃沙等工程问题［3］。然而，对于一些远距离煤层开采覆岩变形破坏及重复采动影响特征还没有系统研究，如大柳塔煤矿一水平2－2煤层大部分采完，计划开采二水平5－2煤层，煤层间距平均约150 m。因此，本研究采用物理模拟和数值模拟相结合的方法，对大柳塔煤矿2 个主采煤层采动覆岩垮落、裂隙发育及地面沉陷规律进行系统研究，对工作面安全开采设计、控制地表沉陷灾害及水资源保护具有重要理论与实际意义。

1 研究区地质背景

大柳塔煤矿是神东煤炭集团所属的一座特大型现代化矿井，地处西北内陆干旱半干旱地区的毛乌素沙漠东南缘，井田内煤炭资源赋存条件较好，煤层埋藏浅且以中厚—厚煤层为主，含煤地层倾角平缓，适合机械化长壁式大规模开发。延安组内有可采煤层9 层，主要可采煤层2 层(2－2煤，5－2煤)。煤层上覆基岩主要由粉砂岩、砂岩和泥岩组成，多属于中等冒落型顶板，根据钻孔资料统计，2－2煤层埋深为30.6～133.3 m，浅埋深、薄基岩在分布面积上所占比例较大;5－2煤层埋深为162.9 ～280.0 m，属于中等埋深煤层，其与2－2煤层间岩层厚度为126.6 ～168.6 m。目前1－2煤和2－2煤大部分采完，计划开采5－2煤。井田两面临近地表河谷，地表水主要为乌兰木伦河和勃牛川河;主要地下含水层为第四系松散含水层和中侏罗统裂隙潜水含水层，是地表植被赖以生存和人民生活用水的宝贵水源。

根据大柳塔矿钻孔资料，选择有代表意义J60#钻孔区域地层作为相似模拟试验的地质原型，对岩层分层特性作了合并均匀化处理，建立反映煤层顶底板条件的工程地质模型。

2 相似模拟研究

2.1 相似模拟试验设计

采用相似材料模拟试验，研究大柳塔煤矿多煤层开采后岩体应力与位移变化规律及顶板岩层冒裂带高度。制作模型的相似材料选用细砂、碳酸钙、石膏及水，并进行相似材料配比以达到力学相似要求(见表1)，模型铺设时撒云母粉作为分层弱面。平面模型架尺寸为4.2 m ×0.25 m ×2.0 m(长×宽×高)，模型几何、时间、容重和泊松比相似常数按试验要求选择，应力及强度相似常数根据相似定理进行确定，本次试验选取的相似常数:几何相似比αl=1∶ 150，容重比αγ=1∶ 1.5，强度及应力比ασ=αl*αγ=1∶225，时间比

试验过程中，模型两边各留75 cm 的边界，以消除边界效应。模型中2－2煤采高2.8 cm，5－2煤采高4.4 cm，模型中煤层每次开挖5 cm，通过在相似模型内部布置位移基点和应力传感器，记录煤层回采过程中上覆岩层移动变形与应力变化等。

表1 原型与模型材料参数及配比Table 1 Mixing ratios and parameters of prototype and model materials

2.2 试验结果分析

(1)采动覆岩垮落与裂隙发育。试验结果表明，2－2煤工作面推进45 m(以下尺寸均为原型值)时老顶初次垮落，周期来压平均步距为15 m，主关键层破断前顶板垮落表现为普通工作面来压特征，此阶段覆岩未发生整体性垮落。当煤层开采145 m 时，强度较高的粉砂岩(主关键层)破断，采动裂隙导通贯穿上覆基岩。此后工作面推进过程中，顶板岩层沿煤壁全厚切落，直接波及地表，周期形成近似平行的贯通基岩裂隙，裂隙发育情况见图1。2－2煤覆岩采动变形破坏已不存在传统的“三带”，而呈“两带”结构:冒落带高度11.7 m，约为采高的2.8 倍;裂隙带直达地表，达到80.8 m 高度，包括采动覆岩垮落上行裂隙和地表拉伸下行裂隙。

图1 2 －2煤开采225 m 时顶板破坏情况Fig.1 Failure states of coal roof 2 －2 at 225 m

采动覆岩裂隙贯穿上覆基岩直达地表，裂隙发育区域形成上覆含水层水体的优势渗流通道，为定量描述采动裂隙的发育程度和分布特征，以裂隙密度(条/m)表示裂隙的发展过程，根据试验数据，绘出破断裂隙密度沿走向的发展过程(见图2)。

图2 覆岩破断裂隙密度沿走向分布规律Fig.2 Distribution law of overburden broken fissures density along the direction of the working face

从图2 可以看出覆岩破断裂隙沿走向的发生、发展分为3 个阶段:①开切眼到顶板初次来压前(距切眼0 ～45 m)，在此阶段，采动作用破坏了顶板岩层原岩应力状态，开始由弹性变形向塑性变形、破坏发展，破断裂隙开始发育，顶板初次来压时裂隙密度达到最大;②顶板初次来压后周期性矿压显现的正常回采期，随上覆岩层不断垮落，破断裂隙向较高层位发展，同时由于采空区垮落岩块被重新压实，破断裂隙密度迅速减小;③工作面附近，顶板岩层垮落不充分，覆岩破断裂隙分布的密度较大。因此，在走向方向上，覆岩采动裂隙发育特征为在采空区中部形成裂隙压实闭合区，采空区两侧形成裂隙贯通发育区。

继2－2煤开采后，再回采5－2煤层，随着工作面推进，直接顶岩梁两端及岩梁中下部首先出现拉破坏，随着推进距离的增大，直接顶初次垮落，工作面推进至60 m 时，老顶初次来压，与上部未垮落岩层形成较大的离层裂缝(图3(a));此后随着工作面推进，老顶周期性发生破断，平均断裂步距约为20 m。同时，随着采空区面积的扩大，顶板岩层断裂带高度增大，最大离层裂缝也随之升高，但离层裂缝量逐渐减小。当工作面推进300 m 时，开切眼和工作面上方的覆岩破断裂隙率先贯通中间岩层，连通2－2煤采空区(图3(b));而5－2煤采空区中部覆岩破断裂隙发育高度较断裂带边界要低，离层裂缝在自重应力及上覆荷载的作用下逐渐闭合。

从图4 中可以看出，5－2煤的整个采动影响区形态大致以采区垂向中心线对称，大部分断裂发生在采空区边缘的上方，呈雁行排列，形成梯形断裂，冒裂带高度表现为两边高中间低，其分布形态呈马鞍形。5－2煤长壁采区边缘冒裂带达148 m，发育至2－2煤采空区内部与之连通，最大裂采比＞22.4。大量现场观测表明［4-6］，神东矿区侏罗系煤层开采导水裂隙带高度发育异常，裂采比达24 ～30，现场试验结果验证了模拟结果的正确性。显然，大柳塔矿各煤层一旦开采，其覆岩采动裂隙带将连通不同开采水平的采空区及含水层，形成工作面涌水的直接通道，引发工作面涌水量增加，甚至会引发突水。

图3 不同开采距离时5 －2煤层顶板破坏情况Fig.3 Failure states of coal roof 5 －2 under different extraction distances

图4 煤层开采结束后覆岩破坏情况Fig.4 Overburden failure states when the end of coal extraction

(2)采空区地表移动变形规律。地表产生垂直和水平位移是煤层开采后，其上覆岩层的移动变形自下而上逐步传递到地表的结果。2－2煤开采结束后，地表下沉曲线的形态呈盆状分布，最大下沉量为2.25 m，其位置大致位于采空区中央之正上方。5－2煤开采结束后，地表下沉曲线由平缓变为凹陷状，下沉值明显增大，最大下沉值为5.46 m(图5(a))。

地表移动盆地内各点的水平移动方向都指向采空区中心。水平移动曲线分为2 个区段:开切眼至最大下沉点为正水平移动区，挺采线至最大下沉点为负水平移动区，有正方向和负方向2 个极值。2－2煤开采结束后，地表的最大正、负水平位移分别为+18.1 cm(120 m 处)、－17.3 cm(360 m 处);5－2煤开采结束后，地表的最大正、负水平位移分别为+ 38.1 cm(120 m 处)、－36.3 cmm(360 m 处)，见图5(b)。

图5 模型开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煤重复开采后，地表移动盆地范围扩大，地表下沉和水平移动也明显增大，表明5－2煤长壁开采对上部采空区覆岩及地表造成了较大的扰动。地表移动变形加剧的原因分析认为:5－2煤采动时，由于2－2煤采空区覆岩已经经历过冒落、弯曲、离层和下沉等移动变形，岩层的原始结构遭到破坏，岩层强度减弱，其移动变形依附于下伏岩层，当5－2煤采动上覆岩层移动变形向上传递至顶部时，2－2煤覆岩就随之再次发生移动变形;2－2煤采空区覆岩内的空隙、离层裂缝在重复采动的作用下逐渐闭合而变成现实的下沉，从而加剧了岩层和地表的移动与变形。同时，重复采动时，2－2煤冒裂带岩体进一步破碎，地表拉伸裂缝宽度和深度都有所增大。

3 数值模拟

3.1 计算模型建立

为了进一步分析大柳塔远距离多煤层开采覆岩变形破坏及地面沉陷规律，对应相似模型中煤岩层结构和岩石力学参数，应用FLAC3D软件进行数值模拟计算。根据工作面的实际开采条件，计算模型的大小确定为500 m×300 m×281.3 m(长×宽×高)，模拟采用Coulomb－Mohr 力学模型，边界条件确定如下:模型前后和左右四侧施加水平方向的约束，即x 和y方向的水平位移为零，只允许边界节点沿垂直方向移动;模型底部为固定边界，即底部边界节点水平位移、垂直位移均为零;模型顶部为自由边界条件。模型共由102 000个单元和109 089个节点组成。

3.2 模拟结果分析

FLAC3D数值模拟的过程实行分布开挖，考虑边界对采煤工作面开采的影响，模拟开挖部分左右、前后两侧都留50 m 的边界保护煤柱。2－2煤设计采高4.2 m，工作面斜长200 m，工作面推进400 m。5－2煤开采考虑不同工况下的采动影响:采高固定为6.6 m时，工作面斜长分别为200 m、180 m、170 m、160 m、140 m;斜长固定为180 m，采高分别为6.6 m、5.5 m、4.4 m、3.3 m。工作面每次推进长度为10 m，模拟过程中煤层开采将开挖范围的实单元变成空单元。

(1)采动覆岩主应力分布。随着工作面推进，上覆岩层弯曲、断裂、垮落，并伴随出现拉压应力集中和压应力降低等应力传递和释放现象。采空区上方岩体受力状态按最大主应力和最小主应力的大小、方向及性质进行分析，以5－2煤工作面上覆岩层为研究对象(见图6)。

图6 采动覆岩内主应力分布Fig.6 Distribution of principal stress in overlying strata during coal extraction

双向拉应力区:σ1＞0 ，σ3＞0 ，主要分布于采空区冒落带岩层内，当拉应力超过岩体极限抗拉强度时，岩层断裂、垮落，应力释放转移(a 区);

拉压应力区:σ1＞0 ，σ3＜0 ，分布在冒落带外围岩层及正曲率区岩层中，岩层所受某一方向的拉(压)应力高于抗拉(压)强度而产生剪切裂隙、拉张裂隙(2a、2b 区);

压应力区:σ1＜0 ，σ3＜0 ，包括采空区正上方岩体压应力区(3a)、采区两侧煤柱顶板岩层支承压力区(3b)以及未受采动影响的原岩应力区。采区上方岩体中最大主应力σ1为顺层方向，此区域岩层易产生离层裂隙;支承压力区顶板中σ1为竖直方向，此区域应力集中，易产生塑性变形和剪切破坏。

冒裂带一般位于采动覆岩双向拉应力区和拉压应力区，其破坏形式以拉张破坏和剪切破坏为主，主应力的大小和岩体性质控制着冒裂带的发育高度，采动裂隙的张开度、密度和贯通性。

(2)采动引起地表下沉计算。数值计算了5－2煤不同工作面斜长和采厚条件下采动引起的地表下沉值，并与2－2煤开采地表下沉作对比。比较不同工作面斜长条件下的地表下沉曲线(见图7)，从图可以看出，从工作面斜长140 ～200 m 的5 种模型中，地表最大下沉值分别为3.48 m、3.89 m、4.20 m、4.50 m、5.20 m，地表下沉值随着5－2煤工作面斜长的减小而降低，即采用短壁开采可以减小地面沉陷。

图7 不同工作面斜长地表下沉曲线Fig.7 Surface subsidence curve at different mining widths

比较5－2煤不同采厚条件下的地表下沉曲线(见图8)，工作面斜长180 m 条件下采厚3.3 ～6.6 m 的4 种模型中，地表最大下沉值分别为3.09 m、3.52 m、4.02 m、4.51 m，地表下沉值随着采厚的减小而降低，即采用限高开采可以有效减小地表下沉。

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

在采煤方法一定的条件下，开采空间的大小决定着岩层与地表移动变形。开采空间的大小主要由工作面斜长及采厚来衡量，开采空间越大，工作面周围的支承压力越大，从而顶板的变形破坏越严重，冒裂带发育就越高，地表沉陷越大。因此，在诸如有多煤层开采、突水危险、地面塌陷严重的地区适当地减小工作面斜长或采厚可以防止灾害事故的发生。另外，不同的采煤方法对工作面覆岩冒裂带发育起着控制作用，采用矿压显现不剧烈的采煤方法，可以减轻工作面顶板的破坏程度，尤其在大柳塔近水体下多煤层开采，采用短壁工作面开采、条带开采或充填开采可以实现保水采煤。

4 结 论

(1)大柳塔浅部2－2煤覆岩关键承载层垮落后，顶板基岩会发生直达地表的整体切落现象，5－2煤一次采全高长壁开采形成的冒落裂隙带可连通2－2煤采空区，形成导水通道，容易引发工作面突水。

(2)覆岩采动裂隙的发展有3 个阶段:开切眼到老顶初次来压前、顶板周期性来压的正常回采期、回采工作面控顶期;裂隙分布在采空区中部形成裂隙压实闭合区，采空区两侧形成裂隙贯通发育区。

(3)采空区上覆岩体依据主应力分布可划分为双向拉应力区、拉压应力区和压应力区3 个区，主应力状态对采动裂隙的形成、发育起着控制作用;冒裂带的破坏形式以拉张破坏和剪切破坏为主。

(4)采动覆岩变形破坏不仅与顶板岩性有关，还受开采空间、采煤方法等因素控制，要减轻下部煤层对上部采空区覆岩及地表的扰动，生产实践中可采取选用合理采煤方法、减小工作面斜长及采厚等措施，模拟试验结果对矿井安全生产具有一定的指导意义。

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