陕北某矿双煤层开采对覆岩影响的模拟对比

孙学阳，张 齐，李 成，张 磊

(1.西安科技大学 地质与环境学院，陕西 西安 710054；2.陕西省煤炭绿色开发地质保障重点实验室，陕西 西安 710054；3.西安科技大学 煤炭绿色开采地质研究院，陕西西安 710054；4.矿山地质灾害成灾机理与防控重点实验室，陕西 西安 710054)

采煤沉陷灾害是制约矿区发展的问题之一，科学预计采煤沉陷灾害的发生及其特征参数是煤矿合理开采和有效保护矿区生态环境的前提[1]。近年来，国内众多学者采用相似材料模拟实验，结合理论分析等方法，研究采动岩体裂隙分形特征、覆岩移动及裂隙带发育规律，取得系列研究成果，一定程度上指导了煤矿生产的工程设计和工程实践[2]。同时，国内外学者采用现代统计学、损伤力学、断裂力学、弹塑性力学、流变力学等理论和现代测试技术及计算机技术，广泛应用物理模拟、数值模拟、理论公式预测等方法，在深入研究岩体力学特性基础上，对裂隙带的演变过程等进行动态分析，并对覆岩移动规律和裂隙带发育特征等进行研究[3-9]，目前的研究主要针对单煤层开采引起的覆岩移动。我国多数生产矿井为多煤层开采，由于开采方式复杂多样，不同煤层中工作面交错布置，煤炭开采引发的覆岩沉陷特征与单煤层开采有显著不同。相关理论研究和开采实践表明[10-13]，多煤层开采对覆岩造成多次叠加破坏和重复扰动，具有独特的覆岩移动变形特征。在多煤层开采方面，国内学者在采场覆岩结构和破坏裂隙发育规律等方面展开了研究[14-21]，提出了重复采动时采高增加会导致采空区上方顶板“活化”，在双重卸压开采作用下，一些覆岩裂隙经历生成、扩展、压实、拉张、再压实等复杂过程等理论，构建了重复采动条件下覆岩裂隙椭抛带形态的动态变化数学模型。

综合分析认为，目前针对双煤层多工作面开采的裂隙带发育高度预测精度有待提高；针对多煤层开采工作面优化布置以减小覆岩移动变形需进一步研究。鉴于此，笔者以陕北某矿为例，采用相似材料模拟与数值模拟相结合的方法，研究双煤层开采条件下，上下煤层工作面叠置布置差异对采煤区覆岩下沉的影响及变化规律，综合分析双煤层开采工作面布置对覆岩破坏的影响，以期为双煤层开采工作面设计和覆岩破坏分析提供技术支撑。

1 双煤层开采相似材料模拟实验

1.1 实验方案设计

1.1.1 井田概况

陕北某矿位于鄂尔多斯盆地次级构造单元，区内地质构造简单，总体为一向北西倾斜的单斜构造，地层稳定，地层倾向270°～310°。局部发育有宽缓的波状起伏，断层稀少且发育规模较小，整体水文地质条件简单。

区内发育地层主要有三叠系上统瓦窑堡组，侏罗系下统富县组、中统延安组，白垩系下统罗合组，新近系静乐组，第四系下更新统午城组、中更新统离石组、上更新统萨拉乌苏组和马兰组。煤层主要赋存于侏罗系中统延安组，主要可采煤层为3 号煤层，厚度4.85～11.90 m，平均8.36 m；煤层埋深115.90～268.05 m；其次为3-1号煤层，厚度0.87～4.32 m，平均3.60 m。

1.1.2 实验参数确定

相似材料模拟实验以该矿30101 工作面3 号煤和3-1号煤层为对象，模拟区域地层稳定，煤层底板起伏不大，3 号煤层底板标高1 010～1 045 m(图1)。其中，3 号煤层上覆地层厚度242 m，3 号煤层厚度5.0 m，3-1号煤层厚度3.2 m，两煤层间距20 m；由于该井田地层稳定、构造及水文地质条件简单，因此，在模拟过程中，未考虑构造等地质条件。

图1 3 号煤层底板标高等值线Fig.1 Contours of floor elevation of No.3 coal seam

实验台架采用200 cm×200 cm×20 cm 的钢架结构，以细河沙为骨料，石膏为胶结物，大白粉为填料，通过3 者的不同配比来模拟地层中的软弱、中硬和坚硬岩层；用细碎白云母片模拟层与层间的层理面。地层和模型中对应的各层厚度及其岩石力学参数见表1。

1.2 模型建立及模拟结果分析

1.2.1 模型建立

以表1 为依据，建立2 个模型，2 个模型中均设置3 个工作面，上煤层2 个，下煤层1 个，工作面长度均为40 cm，实际长度100 m(图2—图3)。模型1 中上煤层2 个工作面间的留设煤柱宽度为8 cm，对应实际宽度为20 m；模型2 中留设煤柱宽度为16 cm，对应实际宽度为40 m。其中，模型1中下煤层与上煤层工作面的叠置距离左右各16 cm，模型2 中叠置距离左右各12 cm。开采时先采上煤层，再采下煤层，采上煤层时，第1 工作面先采，开采步距为5 cm；模型中左右各留有4 cm 的煤柱。2 个模型均布置8 排测点，2 层煤中间一排，上煤层覆岩中每隔10 cm 布置一排测点，共7 排，各测点中心间距为10 cm(图2—图3)。

表1 模型厚度及岩石力学参数统计Table 1 Statistics of model thickness and rock mechanics parameters

图2 模型1 工作面布置及测点设置Fig.2 Layout of the working face and the measurement points in model 1

1.2.2 覆岩破坏过程

随着工作面推进，煤层覆岩发生垮落，垮落范围随工作面推进距离不断增大。

模型中不同工作面发生初次垮落时间不同。模型1 中，上煤层2 个工作面顶板初次垮落分别出现在其工作面推进25 cm 和30 cm 时(图4)；下煤层工作面推进20 cm 时，覆岩出现离层，推进30 cm 时，工作面顶板初次垮落。模型2 中，上煤层2 个工作面顶板的初次垮落均出现在其工作面推进 30 cm时；下煤层工作面推进30 cm 时，覆岩出现离层，推进35 cm 时，工作面顶板初次垮落(图5)。

图3 模型2 工作面布置及测点设置Fig.3 Layout of the working face and the measurement points in model 2

模型1 中，下煤层工作面推进至60 cm 时达到充分采动(图6)，垮落带高度10.5 cm，计算实际高度为26.25 m；裂隙带最大高度24.5 cm，计算实际高度为61.25 m。模型2 中，下煤层工作面推进至58 cm 时达到充分采动(图7)，垮落带高度9.8 cm，计算垮落带高度为24.5 m；裂隙带最大高度21.3 cm，计算实际高度为53.25 m。

图4 模型1 上煤层第2 工作面推进30 cm 覆岩垮落Fig.4 Overburden caving at 30 cm advance of the second working face of the upper coal seam in the model 1

图5 模型2 上煤层第2 工作面推进35 cm 覆岩垮落Fig.5 Overburden caving at 35 cm advance of the second working face of upper coal seam in the model 2

图6 模型1 第1—3 工作面推进完成覆岩垮落Fig.6 Overburden caving after advance completion of working faces 1,2 and 3 in the model 1

图7 模型2 第1—3 工作面推进完成覆岩垮落Fig.7 Overburden caving after advance completion of the working faces 1,2 and 3 in the model 2

1.2.3 覆岩破坏对比

由于工作面间留设煤柱宽度及其叠置关系不同，上煤层对下煤层产生不同程度的影响，模型1中下煤层发生首次离层和初次垮落均比模型2 中下煤层早，但最大跨落高度模型1 大于模型2。模型开采过程中的垮落情况对比见表2。

表2 不同模型开采过程中岩层垮落情况对比Table 2 Comparison of rock caving during mining in different models

1.2.4 覆岩下沉规律分析

根据模型上下煤层均开采完毕后所得模拟数据，结合相应的计算方法，绘制2 个模型开采后煤层顶板的下沉曲线，如图8、图9 所示。

图8 模型1 煤层顶板下沉曲线Fig.8 Roof subsidence curves of coal seams in the model 1

根据垂向位移变化曲线分析，模型1 中覆岩下沉值在204 号、207 号监测点所在位置处较大，分别以204 号、207 号监测点为中心向两侧逐渐减小。模型2 中覆岩下沉值在212 号、213 号、217 号监测点所在位置处较大，分别以212 号、213 号2 个监测点和217 号监测点为中心向两侧逐渐减小。在留设煤柱影响下，煤层开采过程中覆岩不同层位下沉均有减缓。模型1 最大下沉值为2.5 cm，模型2 最大下沉值为2.35 cm。2 者变化趋势基本相同，但模型1 下沉幅度更大，更为明显(图8—图9)。

图9 模型2 煤层顶板下沉曲线Fig.9 Roof subsidence curves of coal seams in the model 2

由于2 模型皆在中心处留设煤柱，故下沉曲线皆呈现“W”型，但具体形态有所差异，模型1 曲线显示其中心处未下沉范围较窄，而模型2 曲线在该处较宽，与模型2 留设煤柱宽度更大有关。二者对比说明，留设煤柱的宽度会影响实际回采中覆岩的下沉量，工作面留设煤柱越宽，其对于覆岩的支撑效果越好，越能抵抗覆岩的移动变形。即工作面留设煤柱越宽，在开采方式、强度等条件均相同的情况下，其上方覆岩下沉程度越轻，下沉值越小(图8—图9)。

2 双煤层开采数值模拟

2.1 模型建立

数值模型的工作面布置方案采用与物理相似模拟模型相同的数据，模型1 中工作面间留设煤柱宽度为20 m；模型2 中工作面间留设煤柱宽度为40 m。模型1、2 的长×宽×高分别为800 m×240 m×199 m、800 m×260 m×199 m；二者单元格均为10 m× 4 m×5 m，模型1 共211 200 个单元，模型2 共228 400 个单元；采用FLAC3D进行数值模拟计算。

2.2 模拟过程及模拟结果分析

2.2.1 覆岩下沉量变化

工作面推进过程中，覆岩下沉量不断增大；模型2 的下沉影响范围比模型1 小，但减小幅度不明显。在留设煤柱宽度方面，在工作面推进至预留煤柱前时，2 模型的下沉量几乎一致；随着工作面继续推进，不同煤柱留设宽度、不同压差下的下沉曲线开始表现出较为明显的不同。随工作面推进，覆岩各处下沉值均有不同程度的增大，而模型左右2侧煤柱及中间留设煤柱附近，覆岩下沉值增量相对较小。

2.2.2 主应力分析

煤层开采过程中，煤层覆岩发生应力变化(图10)。由数值模拟获得的各岩层应力变化情况可知，工作面推进过程中，煤层覆岩最大主应力分布形态与物理相似模拟开挖过程中所产生的变形相对应。上煤层开采过程中，最大主应力区主要出现在煤层顶部，采空区上方岩层主应力呈现出两侧低而中间高的“W”形态，以拉张应力为主。由于拉张应力作用，工作面煤层覆岩开始垮落，采煤沉陷现象出现。上煤层开采后，采空区上方覆岩处的最大主应力以煤柱为中心呈对称分布。随着下煤层开采，底板中心处拉张应力逐渐减小，在采空区上方，两侧应力分布高而中间低，形态仍为“W” 形态，说明由采动所致的覆岩位移变形在开挖起始及结束时不明显，其主要出现在工作面推进过程中。

2.2.3 塑性区模拟结果分析

图10 开采后最大主应力云图Fig.10 Cloud diagram of maximum principal stress after mining

工作面不同推进距离的覆岩塑性区分布如图11a 所示。当上煤层开采时，模型1 采空区上方顶板首先出现剪切破坏，但其塑性区破坏程度不大，剪切破坏不明显。随着下煤层工作面的推进，在剪切破坏出现的同时，采空区两端边缘处出现拉张破坏，在下煤层开采完成时，下煤层采空区上方的剪切破坏与拉张破坏均发育明显。

图11 双煤层开采后覆岩塑性区分布Fig.11 Distribution of plastic zone of overburden after double coal mining

模型 2 工作面推进时的覆岩塑性区分布如图11b 所示。当上煤层开采时，模型采空区上方顶板同样出现剪切破坏，但剪切破坏范围有所变化，其表现为沿工作面推进方向产生的剪切破坏范围变大，而垂向高度上的剪切破坏范围减小。下煤层工作面推进时，采空区两端边缘处还出现拉张破坏，其表现形态及破坏程度与模型1 基本一致，随留设煤柱宽度的增大，模型2 表现出下沉量减缓、各应力破坏程度降低的趋势。对比开采完成后的塑性区形态，结合模型开挖完成后的最大主应力云图可知，模型1 垮落带高度为29.7 m，裂隙带高度为65.5 m；模型2 垮落带高度为28.6 m，裂隙带高度为55.25 m。

3 2 种方法结果对比

相似材料模拟实验和数值模拟获得的垮落带和裂隙带高度见表3。由表3 可知，不同煤柱留设宽度条件下，2 种方法确定的垮落带高度和导水裂隙带高度基本一致。

由表3 可知，双煤层留煤柱开采，留设煤柱宽度越大，两煤层叠置区域越小，压差越小，煤层开采对覆岩的破坏范围越小；留设煤柱的宽度越大，覆岩下沉幅度越小。因此，在工作面布置时，建议增大2 煤层的开采距离和开采间隔时间，并尽量增加煤柱宽度，以减缓覆岩移动破坏范围和破坏程度。

矿井在今后的生产过程中，可依据实际数据对本文提出的研究方法和结论做进一步验证，以有效指导煤矿工程设计及安全生产。

4 结论

a.相似材料模拟实验及数值模拟结果显示，工作面留设煤柱宽度越大，煤层开采对其覆岩的影响越小；覆岩越稳定，变形破坏影响范围也越小。

b.煤层开采过程中，工作面煤层覆岩出现以拉张应力为主的应力变化，致使工作面煤层覆岩出现位移变形及垮落。开采完成时，采空区上方的应力分布呈现出两侧高而中间低的形态，说明由采动所致的煤层覆岩位移变形在开挖起始及结束时不明显，其主要出现在工作面推进的中间过程中。

表3 2 种方法模拟结果对比Table 3 Comparison of the results of two simulation methods

c.双煤层留煤柱开采，随着留设煤柱宽度的增加，上下两工作面叠加区域的减小，覆岩不同层位下沉均有减缓，下沉值也持续减小，下沉曲线在煤柱宽度变化的影响下呈现出波浪形特征，总体形态呈“W”型。

d.留设20 m 煤柱时，相似材料模拟和数值模拟得到的煤层覆岩垮落带高度分别为26.25、29.7 m，裂隙带高度分别为61.25、65.5 m；留设40 m 煤柱时，2 种方法得到的垮落带高度分别为24.5、28.6 m，裂隙带高度分别为53.25、55.25 m。结果显示，留设20 m 煤柱时，回采过程中覆岩的移动变形更为剧烈。

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