峰丛地貌浅埋煤层重复开采地表变形规律试验

马振乾，张东岳，祖自银，谢红飞，丁万奇

（1.贵州大学 矿业学院，贵州 贵阳550025；2.贵州盘江煤电集团技术研究院有限公司，贵州 贵阳550081）

贵州省是南方煤炭资源最丰富的省份，地质上属扬子地台及其东南大陆边缘，区内碳酸盐岩广布，喀斯特景观普遍发育。其中，峰丛地貌是贵州省典型的岩溶地貌类型。所谓峰丛，是指丛聚的峰林，其基部完全相连，顶部为圆锥状或尖锥状的山峰，峰与峰之间常形成U形的马鞍山地貌。峰丛相对高度一般为200～300 m，在黔南惠水、罗甸以及黔西南的兴义等地较为发育。峰丛地貌条件下浅埋近距离煤层群开采会造成覆岩运动和地表下沉，规律出现显著差异。因此，研究峰丛地貌下重复采动对覆岩运动及地表变形的影响有重要意义。

国内外学者针对采动覆岩的变化规律开展了大量的研究工作，主要采用数值模拟、理论分析、现场观测和相似模拟等手段，取得了丰硕成果。如张军[1]采用相似模拟试验对采动覆岩“三带”高度划分和变化规律进行相关研究。任艳芳[2]、胡青峰[3]采用相似模拟试验对覆岩和地表变形规律进行了相关研究。王文学[4]采用现场观测对重复开采覆岩破坏预测进行了分析。康永华[5]采用数值模拟对综采重复开采下的覆岩破坏规律进行了深入研究。弓培林[6]、胡耀青[7]使用相似模拟试验研究了带压开采下的底板三维变形破坏规律。姜耀东[8]、冯梅梅[9]采用相似模拟试验揭示了承压水上开采工作面的底板以及裂隙演化规律。付玉平[10]、杨治林[11]对浅埋厚层工作面顶板岩层断裂演化规律进行了大量研究。张彦宾[12]采用相似模拟，研究了条带开采下的煤层围岩的采动影响。姚邦华[13]、王悦汉[14]等研究了重复采动下煤层上覆岩层的变形规律。徐刚[15]记录了崔家沟煤矿2303综放工作面数据，采用物理相似模拟和UDEC数值模拟试验研究了采空区覆岩“三带”演化规律，建立了采动裂隙椭抛带数学模型。王宪勇[16]、陈卓立[17]、吴博文[18]、周清龙[19]、王创业[20]等采用相似模拟的方法对不同条件下的煤层覆岩变形规律，做出了相关研究。以上成果对于揭示重复采动下覆岩运动与地表沉陷规律起到了重要的推动作用，由于研究的侧重点不同，对峰丛地貌条件下浅埋近距离煤层群开采覆岩运动和地表下沉规律研究不足。因此，以贵州典型峰丛地貌为工程背景，采用相似材料模拟试验和UDEC数值模拟，研究峰丛地貌下近距离煤层群重复开采工作面覆岩破断运移规律及峰丛峰体变形规律。

1 试验方案

采用贵州大学矿业学院大型二维相似模拟试验平台，模型尺寸为3 m×0.3 m×1.5 m，几何相似常数取100，密度相似常数取1.7。根据相似材料的性质及模型的特点，本试验选取青石砂、石灰、石膏、云母粉作为相似材料，材料配比及用量见表1。为消除边界效应，模型两边各留设30 cm的煤柱，模型中煤层采高2.5 cm，每次开挖10 cm，先开挖完1#煤层再开挖2#煤层，相似模拟模型高度为150 m，宽度为300 m，峰体高度为87 m。1#煤层埋深108 m，厚度为2.5 m，2#煤层埋深122 m，厚度为2.5 m，煤层倾角均为0°，两煤层间间隔为13.7 m。模型开采方式布置图如图1。试验现象以及覆岩变形规律采用拍照和钢尺实测的手段。

表1 模型岩层物理力学参数及相似材料配比Table 1 Physical and mechanical parameters ofmodel rock stratum and proportion of sim ilar materials

图1 模型开采方式布置图Fig.1 Layout of modelm ining mode

2 相似材料模拟结果

根据几何相似比和时间相似常数，确定模型开挖步距为10 cm，在试验中遇到上覆岩层有任何大范围的移动时，采用相机进行实况记录。1#煤层直接顶初次垮落和基本顶初次来压如图2。1#煤层开采顶板变形情况如图3，2#煤层开采顶板变形情况如图4。

图2 1#煤层直接顶初次垮落和基本顶初次来压Fig.2 The first collapse of the working face directly and the initial pressure of the basic roof

1）当工作面推进到30m时，1#煤层直接顶初次来压，直接顶出现下沉，如图2（a）。随着工作面进一步推进到60～75 m时，直接顶随着开采而下沉，同时出现了断裂的倾向，基本顶初次来压，出现下沉，如图2（b）。

2）当工作面推进到90 m时，1#煤层直接顶开始断裂，并在山峰左侧坡体出现大裂缝，最大裂缝宽度为14 mm，如图3（a）。当工作面进一步推进到93 m时，顶板出现大范围断裂，如图3（b）。推进到135 m时，在山峰右侧坡体也开始出现裂缝，最大裂缝出现9 mm，这时的左侧坡体裂缝开始变小，最大裂缝宽度由14 mm缩小至为8 mm。推进到215 m时，山峰坡体左右侧的裂缝都有明显的缩小，其基本顶出现大面积垮落，基本顶与上覆岩层之间出现较大裂缝，实测为8 mm，如图3（c）。当工作面推进到275 m时，采空区已被垮落岩层覆盖，山峰峰体出现大量裂纹，山峰左右两侧和中部曾出现的较大裂缝已被压缩至不可测的裂纹。将1#煤层全部开采完毕后，顶板出现大范围坍塌，采空区被垮落岩层覆盖，山峰峰体出现很多细小裂纹，如图3（d）。

图3 1#煤层开采顶板变形情况Fig.3 Roof deformation of 1#coal seam m ining

3）1#煤层已经全部采完，开始开采2#煤层，此时1#煤层的底板变成2#煤层的顶板。当工作面推进到55 m时，顶板初次来压，出现下沉，如图4（a）。当工作面推进到135 m时，1#煤层上覆岩层出现巨大裂缝，开始坍塌，坡体两侧没有出现明显裂缝，如图4（b）。当工作面推进到185 m时，上覆岩层出现大范围坍塌，坡体两侧没有出现明显裂缝，山峰中部出现大量细小裂缝，如图4（c）。

图4 2#煤层开采顶板变形情况Fig.4 Roof deformation of 2#coal seam m ining

4）在2#煤层全部采完之后，可以看到，2#煤层的上覆岩层都出现了大量的坍塌，如图4（d）。1#煤层的底板变成了2#煤层的顶板，使得2#煤层的顶板垮塌提前。但不同于1#煤层开采，在2#煤层开采过程中山峰两侧坡体没有出现巨大裂缝，但山峰中部出现了大量的细小裂纹。

3 数值模拟试验

3.1 数值计算模型

采用UDEC4.0建立数值计算模型，模型长300 m，高150 m。1#煤层埋深87 m，2#煤层埋深122 m。模型底部为全约束边界，采用Mohr-Coulomb准则。煤岩层及其节理面力学参数见表2和表3。

表2 模拟的煤岩层力学参数Table 2 M echanical parameters of simulated coal strata

表3 模拟的煤岩层节理面力学参数Table 3 M echanical parameters of simulated coal seam joint surface

3.2 模拟结果

1）1#煤层开挖过程中覆岩裂隙发育特征如图5，UDEC模拟开挖1#工作面推进至60 m时，1#煤层顶板及上覆岩层开始出现裂隙，如图5（a）。推进至90 m时上覆岩层裂隙进一步发育，同时左侧峰体裂隙开始发育如图5（b）。推进至135 m时峰体左侧出现裂缝，顶板出现断裂。如图5（c）。1#工作面推进至215 m时，峰体右侧出现大量裂隙，峰体左侧裂隙近一步发育，如图5（d）。推进至275 m时，1#煤层上覆岩层大量断裂，采空区被垮落岩层覆盖。

图5 1#煤层开挖过程中覆岩裂隙发育特征Fig.5 Fracture development characteristics of overburden rock during excavation of 1#coal seam

2）1#煤层完全开挖后垂直应力及位移场如图6，UDEC模拟开挖1#煤层完毕后，在垂直应力分布图中，可以看到垂直应力集中区主要分布在峰丛的中部位置。由竖直位移分布图可以看出，峰体内部以及1#煤层上覆岩层的变形量较大，模型中央部分最大。

图6 1#煤层完全开挖后垂直应力及位移场Fig.6 Vertical stress and displacement field of 1#coal seam after full excavation

3）2#煤层开挖覆岩裂隙发育特征如图7，UDEC模拟开挖2#煤层，当工作面推进至55 m时，顶板出现裂隙，如图7（a）。推进至135 m时2#煤层上覆岩层大量断裂，采空区被垮落岩层覆盖，如图7（b）。当工作面推进至195 m时，峰体左右两侧裂隙近一步发展，如图7（c）。当工作面推进至255 m时，2#煤层上覆岩层进一步坍塌，如图7（d）。

图7 2#煤层开挖覆岩裂隙发育特征Fig.7 2#fracture development characteristics of overburden rock during excavation of coal seam

4）2#煤层完全开挖后垂直应力及位移场如图8，UDEC模拟开挖1#、2#煤层完毕后，在垂直应力分布图中可以看到垂直应力集中区与1#煤层开采完毕时类似，主要分布在峰丛的中部位置。由竖直位移分布图可以看出，相比于1#煤层开采，2#开采完毕后峰丛的变形量更大，变形突出部分同样出现峰体内部，由外向内变形量递增。

图8 2#煤层完全开挖后垂直应力及位移场Fig.8 Vertical stress and displacement field of 2#coal seam after full excavation

5）通过将UDEC模型模拟开挖1#，2#煤层与原模型比较后发现，峰体内部出现大量的裂隙，模型单元变红代表裂隙发育情况。尤其以峰体左右两端更严重。1#、2#煤层顶板随着工作面的向前推进，在重力作用下出现弯曲下沉，且同样出现大量的裂隙无论是1#煤层的开采还是2#煤层的重复采动，变形量较大的部分均出现在峰体内部的中央位置。

3.3 地表变形规律

峰丛模型地表变形情况如图9。如图9（a），从1#煤层、2#煤层开挖后相似模拟模型的地表轮廓线可以看出，1#、2#煤层开挖后，整个峰丛模型均出现了一定程度的下沉情况，尤以峰丛峰顶部位为最。UDEC峰从模型也反映出这一点，图9（b）上部绿色虚点代表UDEC峰从模型煤层未开挖时的模型边界，1#煤层、2#煤层开挖后，峰从模型也出现下沉，可以从模型中看到，下沉量集中在峰丛顶部。这也与符合2#煤层完全开挖后垂直位移云图中的表现。

图9 峰丛模型地表变形情况Fig.9 Surface deformation of the peak cluster model

4结论

1）峰丛地貌下工作面随着开采距离的增加，先后经历直接顶和基本顶岩层的离层、断裂、跨落过程；顶板出现裂隙、闭合的情况重复发生。

2）当工作面推进90 m时，山峰左侧坡体出现大裂缝，随工作面的推进裂缝逐渐缩小。推进到130 m时，右侧也开始出现裂缝，后随工作面继续推进逐渐缩小，同时山峰中部山体开始出现裂缝。在1#煤层开采完毕之后，山峰峰体左右侧的裂缝已经缩小到不可测的大小。

3）1#煤层开采，直接顶初次来压为30 m，基本的来压步距是60 m；重复采动2#煤层后，其直接顶的初次来压为55 m，来压步距较1#煤层初次来压步距提前5 m。随着开采推进至135 m，2#煤层上覆岩层开始坍塌，但山峰坡体左右两侧并未出现大裂缝，山峰中部出现大量细小裂缝。由此可以得出，较1#煤层的开采相比，2#煤层重复采动时对峰体左右两侧岩体结构产生较小，对峰体内部的岩体结构的破坏更大。

4）当1#煤层开采完毕后，在峰体中央部分出现竖直应力集中区及较大位移变形区域；2#煤层开采完毕后，峰体中部同样出现竖直应力集中区，变形量更大，且由外向内变形量递增。

5）将相似模拟试验和UDEC数值模拟结果比较得出，煤层重复采动对峰体内部以及煤层顶板岩体结构破坏严重，无论是1#煤层的开采还是2#煤层的重复采动，峰体内部变形区域主要集中在峰从的中央部分，同时整个峰丛模型均出现了一定程度的下沉情况，尤以峰丛顶部为最。