煤层群叠加开采采空区覆岩裂隙演化规律研究

李建华，王 帅，贺艳军，王 林，赵 茂

(神华包头能源有限责任公司 李家壕煤矿，内蒙古 鄂尔多斯 017000)

李家壕煤矿下层煤开采过程中，上层煤的采空区覆岩垮落结构引起下煤层局部应力集中，矿压显现明显，造成支架失效，严重制约矿井安全、高效生产。因此，煤层群叠加开采采空区覆岩裂隙演化规律问题已成为开采煤层群矿井亟待解决的关键科学问题之一[1-4]。关于煤层群叠加开采采空区覆岩裂隙演化规律方面的研究，国内学者展开了一系列研究[5-8]。于斌[9]等建立了多层叠加煤柱覆岩形成的“倒梯形孤岛覆岩结构”。李杨[10]等研究了下组煤开采过程中，中间岩层厚度与岩性、中间岩层硬岩比例以及覆岩与中间岩层厚度之比对覆岩移动的影响。张艳丽[11]等基于近水平煤层开采采场覆岩支撑结构的演化特征，建立了覆岩宏观支撑结构的板-壳组合演化模型，并构建了梁-拱力学模型。汪北方[12]等构建了极近距离厚煤层综放工作面开采房式采空区顶板结构模型，揭示了顶板破断失稳规律。马海峰[13]等研究了叠加开采作用下近距离煤层群采动应力与覆岩位移场的演化特征。黄庆享[14]等研究了浅埋煤层群间隔岩层双关键层的形成条件、结构稳定性和支架载荷计算方法。张杰[15]等开展了浅埋煤层覆岩裂隙发育规律的研究，分析了浅埋深条件对裂隙发育演化过程及其对漏风规律的影响。赵晶[16]等开展了复合顶板大采高条件下覆岩裂隙演化规律的实测研究并获取了演化规律。然而，针对煤层群开采叠加作用下采空区覆岩裂隙演化特征的研究不完善，开采下煤层过程中，上煤层已经形成的采空区覆岩垮落结构的裂隙发育规律以及采场覆岩的垮落形态仍需开展进一步的工作。因此，论文选取李家壕煤矿31114工作面为研究对象，实验模拟两层煤开采覆岩运动的特征，理论分析叠加作用下采空区覆岩裂隙的发育特征，指出矿压显现明显的区域，保障工作面安全、高效回采。

1 工程概况

李家壕煤矿位于内蒙古自治区鄂尔多斯市东胜区东南，可采储量531.73Mt，设计生产能力6.00Mt/a。含煤地层多达29层，其中相对稳定、厚度可采的煤层13层，平均煤层间距只有17m。主采3-1煤层与2-2煤层的平均间距为30m，2-2煤层的平均厚度为1.80m，模拟工作面为该煤层22中114工作面，采高为3m；3-1煤层平均厚度为4.28m，模拟工作面为31114工作面，采高为6m，两工作面的空间关系如图1所示。目前，2-2煤层已开采完毕，正在开采3-1煤层，采煤方法为一次采全高采煤法。2-2煤层的采空区影响3-1煤层覆岩裂隙的发育，采取有效措施解决煤层群开采过程中浅部煤层采空区与深部煤层接续开采的相互影响问题对于矿井的长期安全、稳定生产具有重要意义。

图1 模拟工作面采掘平面关系

2 煤层群叠加开采裂隙演化相似材料模拟实验

2.1 模型制作

2.1.1 材料配比

根据牛顿力学相似原理，模型几何相似比1∶100，时间相似比1∶10，容重相似比1∶1.6，纵向加载压力为2.4MPa。模型骨料选取河沙和云母，胶结材料为石灰和石膏，硼砂作为缓凝剂。参照河沙、石灰、石膏相似材料配比表，将原型煤岩力学参数换算成对应模型材料力学参数，见表1。

表1 原岩和模型力学参数

2.1.2 模型制作

相似材料模拟实验台长宽高为300cm×30cm×200cm，煤岩层沿水平方向分层铺设，底板岩层厚28cm，3-1煤层厚6cm，岩石夹层厚26cm，2-2煤层厚3cm，顶板岩层厚75cm。模型共模拟煤岩层高度约170m，剩余未铺装100m厚的煤岩层采用杠杆加载等效应力载荷15kPa。

2.1.3 测点布置

在模型正面绘制水平横线和铅垂竖线，横竖线间距均为10cm，两线交点设定非编码点，利用XJTUDP三维光学摄影测量系统观测覆岩非编码点位移变化。在2-2和3-1煤层上覆岩层各布置一条平行于煤层的应力测线，两条测线各布设6个测点，各测点采用压力盒记录覆岩应力变化。测线Ⅰ布置在3-1煤层上方10cm的砂质泥岩中，测点1和6距离模型两侧边界为50cm，间距为40cm；测线Ⅱ布置在2-2煤层上方10cm的细粒砂岩中，测点7和12距离模型两侧边界为50cm，间距为40cm。

2.2 模型开采

实验开采方法为一次采全高，2-2煤层工作面的模拟采高约为3cm，3-1煤层工作面的模拟采高约为6cm。根据采掘平面图，31114工作面开采范围较22中114工作面大，因此3-1煤层工作面开切眼位置与2-2煤层工作面开切眼位置外错布置。根据该矿的作业循环规律，实验进尺为4cm，开采间隔时间为40min。为模拟工作面实际开采条件，2-2煤层左端留设煤柱140cm，右端留设煤柱40cm，3-1煤层左端留设煤柱20cm，右端留设煤柱20cm。首先开采2-2煤层，待覆岩结构基本稳定后开采3-1煤层，开采方向为从右向左，开采过程中监测并收集开采覆岩位移和应力变化数据。

2.3 煤层群叠加开采裂隙演化规律分析

由表1中参数可计算各岩层控制的岩层数，依据关键层判定准则，计算到表中第13层，第1层载荷为1.303MPa；计算到表中第14层，第1层载荷为0.915MPa。第5层岩层控制的岩层为8层。同样计算得到第14层岩层控制的岩层为4层。因此判定第14层岩层为主关键层，第5层岩层为亚关键层。

3-1煤层工作面推进过程中覆岩垮落结构如图2所示，当工作面推进到48cm时，3-1煤层第一层基本顶悬露达到极限跨距，在工作面上方发生破断，形成基本顶的初次断裂和初次来压，垮落高度2cm，垮落宽度39cm，离层5cm，且2-2煤层上覆岩层裂隙变宽。冒落的直接顶整体性好、垮落面积大，具有一定的突然性，容易形成风暴。工作面继续推进，推进到64cm、68cm时发生两次来压，第一次周期来压垮落，垮落高度4cm，垮落宽度48cm，离层间隙5cm。此时，3-1煤层顶板未与2-2煤层采空区贯通，3-1煤层顶板岩层支撑了2-2煤层采空区垮落岩层的重量，所以工作面矿压显现同单一煤层开采矿压显现相似。当工作面推进到80cm时，3-1煤层顶板亚关键层破断垮落形成来压，垮落高度37cm，垮落宽度约60cm，2-2煤层开切眼附近采空区垮落岩层下沉并旋转，形成较大间隙。

图2 3-1煤层工作面推进过程中覆岩垮落结构

工作面继续推进到92～144cm，共发生九次来压。该阶段前期，3-1煤层顶板岩层、2-2煤层采空区垮落岩层继续下沉，3-1煤层顶板上方产生数条竖直的裂隙与2-2煤层采空区贯通，且工作面周期来压会呈现“一大一小”现象。该阶段后期，上覆岩层整体垮落，2-2煤层岩层开切眼附近形成的间隙逐渐合闭，原2-2煤层上方离层间隙变宽到5cm；3-1煤层顶板岩层对2-2煤层采空区垮落岩层的支撑力逐渐减弱，使得工作面矿压显现逐渐频繁，直到工作面通过采空区，来压频率大幅降低。工作面继续推进，推进到176cm、212cm、224cm、248cm时上覆岩层整体垮落，形成周期来压，平均来压步距约为24cm，且纵向裂隙极为发育，贯穿整个岩层直到地表。

选取3-1煤顶板上方4cm、14cm、24cm岩层和2-2煤层顶板上方2cm岩层为研究对象，3-1煤层开采结束后沉降量如图3所示。2-2煤层未开采部分随3-1煤层上方24cm垮落步距而垮落，已开采部分采空区岩层进一步下沉，沉降量曲线波动加剧，这主要是由于重复采动对覆岩的扰动和破坏进一步加大，上下煤层采空区贯通，岩层破坏的不规则性加大。

图3 3-1煤层开采覆岩垮落结构和沉降量

3 叠加开采作用下覆岩裂隙演化特征

3.1 3-1煤层裂隙发育特征

叠加开采作用下覆岩裂隙发育特征如图4所示，由图4可知：

图4 叠加开采作用下覆岩裂隙发育特征

1)3-1煤层开采后，2-2煤层覆岩三带结构受采动影响进一步向上发育，工作面推进68cm时，由于3-1煤层亚关键层未破断，3-1煤层基本顶垮落后，会形成较大的水平向间隙，间隙长约50cm，宽约5cm，并随着工作面推进继续发育。

2)工作面推进到80cm时，3-1煤层覆岩裂隙与2-2煤层采空区贯通，3-1煤层顶板竖直方向裂隙大量发育，并贯通2-2煤层采空区继续向上发展；2-2煤层采空区右端垮落岩层进一步旋转、垮落，岩层间形成较大间隙，并有继续向上发展的趋势。

3)3-1煤层工作面继续推进到124cm，2-2煤层采空区垮落岩层之前形成的间隙闭合，上方岩层继续旋转、垮落，产生新的间隙；3-1煤层顶板竖直反向裂隙大量发育，并通过2-2煤层采空区后继续向上、向右发育，最后与2-2煤层采空区受3-1煤层采动影响旋转、垮落的裂隙区相贯通；并且新产生的竖直裂隙区整体有继续向上、向左的发展趋势。

4)3-1煤层工作面通过2-2煤层采空区后，覆岩垮落一次，2-2煤层垮落带形成较大离层，离层间隙长约50cm，最大处高约5cm。2-2煤层采空区右端之前形成间隙闭合、压实，采空区左端垮落岩层受采动影响发生旋转，并未产生较大的横向间隙，而竖直裂隙大量发育，与离层贯通。

5)工作面继续推进到176cm，2-2煤层覆岩离层进一步扩大，长度约为68cm，最大处高约6cm；采空区垮落岩层进一步压实；工作面上方产生一条竖直方向的裂隙，与离层贯通，形成明显的周期来压现象。

6)工作面继续推进212cm，覆岩整体垮落，弯曲下沉带向上发展，之前离层闭合，右上部分的岩层破断，发生旋转形成裂隙与较大的间隙。一条明显的竖直裂隙伴随周期来压产生，并贯通地表。

7)工作面继续推进到224cm，覆岩垮落形成明显的周期来压，之前的竖直裂隙附近的岩层发生弯曲变形，水平裂隙的空隙开始变大。

8)工作面继续推进248cm，覆岩整体垮落形成明显的周期来压，再次产生一条贯通地表的裂隙，该裂隙由工作面开始竖直向上发展，然后向右发展直到地表。之前的水平裂隙闭合。

3.2 局部裂隙发育特征

裂隙占整体采空区的比例并不能很好描绘裂隙的发育，对局部的裂隙二值化处理不仅能够很好的描绘裂隙，而且对煤矿实际生产有重要的现实意义。根据裂隙发育的密度，可将2-2煤层开采结束的垮落结构图分为六个部分，并分别进行二值化处理。2-2煤层覆岩垮落结构分区如图5所示，其中，2区域为裂隙带；4区域和6区域为岩层发生弯曲变形后产生裂隙的区域；5区域为覆岩压实后的区域。

图5 2-2煤层覆岩垮落结构分区

采用同样的办法对3-1煤层开采结束后覆岩的垮落结构进行局部处理，可将垮落结构图分为15个区域，如图6所示。

图6 3-1煤层覆岩垮落结构分区

3-1煤层覆岩局部裂隙发育特征如图7所示，由图7可知，3-1煤层开采后，2-2煤层工作面采空区原先垮落的岩层裂隙有显著变化。2-2煤层工作面原裂隙带向上移动，裂隙在2-2煤层工作面开切眼上部岩层大量发育，与地表贯通。2-2煤层工作面停采处上部岩层裂隙也较原先裂隙明显发育，如图7(a)—(b)所示；3-1煤层停采后，有一条明显的竖直裂隙从工作面顶板开始向上发展，与地表贯通；3-1煤层开切眼和停采线附近裂隙大量发育，如图7(c)—(d)所示。3-1煤层的承载层裂隙下部垮落带比上部垮落带发育的多，主要是由于3-1煤层顶板垮落后较为破碎，而上覆岩层完整性比较好才会形成这样的裂隙分布差异，其余覆岩岩层因整体性完好，大部分都被压实，所以没有明显的裂隙。

图7 3-1煤层覆岩局部裂隙发育特征

4 结 论

1)开采2-2煤层时覆岩层垮落、矿压显现和裂隙发育与单一煤层开采的情况相同。3-1煤层开采后，叠加采动影响下破坏了2-2煤层覆岩垮落结构的平衡状态，裂隙大量发育，形成新的裂隙区。

2)3-1煤层顶板破断后，2-2煤层采空区岩层的垮落断裂平衡结构失衡，岩层部分发生旋转，产生较大间隙，并形成竖直裂隙区；垮落带、裂隙带向上发育，直到达到新的平衡结构。3-1煤层工作面开采前期周期来压步距表现为“一大一小”，随着3-1煤层的承载层对2-2煤层垮落岩层支撑力减弱，工作面来压频率逐渐增大。

3)3-1煤层工作面通过2-2煤层采空区后，2-2煤上方主关键层破断，上覆岩层呈整体垮落，竖直方向裂隙随着周期来压而发育，并与地表贯通，支架承担上覆岩层的全部重量，工作面矿压显现明显。