韩家湾煤矿浅埋近距离煤层群覆岩破坏规律研究

卢少帅，高 超，霍军鹏，邓伟男

(1.陕西陕北矿业韩家湾煤炭有限公司，陕西 榆林 719315；2.天地科技股份有限公司，北京 100013)

煤炭作为我国的主要能源，在国民经济建设中具有重要的战略地位，随着经济的快速发展，对能源的需求在高速增长，2020年全国原煤产量38.44亿t，其中，晋陕蒙三省区合计产量27.43亿t。浅埋近距离煤层群开采在晋陕蒙三省区煤矿开采中占据很大比重。而国内外对于近距离煤层群开采覆岩破坏特征以及重复采动影响下上覆岩的裂隙演化规律等的研究相对薄弱。浅埋近距离煤层群开采过程中的覆岩垮落带、覆岩结构、裂隙发育高度等，对于工作面开采过程中水害防治、回采工作面的顶板稳定性控制以及安全开采具有极其重要的意义。

张少华等[1]对典型关键层结构下的覆岩结构进行了数值模拟研究，分析了关键层厚度、位置对覆岩结构及应力分布规律的影响；谢生荣等[2]建立了多煤层围岩整体结构模型，分析了层间等效基本顸覆岩载荷和等效厚度；李杨等[3]研究了西部多煤层下组煤开采中间岩层厚度、岩性等因素对覆岩移动的影响特征；姚海，王宁[4]以活鸡兔井上下分层分别采用综采和综放工艺条件下的覆岩移动变形特征；李海军[5]以红柳林煤矿实测资料，得到该地质采矿条件下多煤层开采时覆岩仅存在“两带”、上煤层冒落带为采高的5.5倍、下煤层冒落带为采高的4.4倍等特点；杨国枢等[6]应用相似材料模拟研究了极近距离煤层群开采的覆岩结构及应力特征；李斌[7]基于燕家河煤矿地质采矿资料，得到近距离煤层条件下下行开采较上行开采导水裂隙带发育高度更高；张春雷[8]应用相似材料模拟研究近距离上行开采覆岩移动及周期来压步距，得出受采动影响的上煤层具有周期来压步距变小、小周期来压岩层破断角变形、大周期来压岩层破断角变大的特征。

目前对于单个煤层开采的覆岩移动变形特征、覆岩结构、垮落带、导水裂隙带等已经研究较多[9-15]，对于浅埋深近距离煤层覆岩破坏规律研究相对薄弱，不能有效指导工作面岩层控制、水害防治与地表沉陷等。韩家湾煤矿为侏罗纪煤田、属神府矿区，煤层为极具代表性的浅埋煤层。以韩家湾煤矿上部2-2煤和中部3-1煤以及下部4-2煤为研究对象，对上层煤以及上部采空区下层煤回采过程中上覆岩层的变形破坏及裂隙演化规律进行研究，为矿井后续生产、水害防治提供一定的理论依据，同时也为类似工程地质条件下矿井提供借鉴经验。

1 矿井概况

1.1 井田位置与开采概况

韩家湾井田位于陕北侏罗纪煤田神北矿区石圪台井田及前石畔井田交接部位；韩家湾煤矿地处陕北黄土高原与毛乌素沙漠接壤地带，地势总体为东高西低，最高处位于井田东部的凤台梁附近。

矿井属浅埋煤层，可采煤层5层。其中1-2上、1-2煤层局部可采，2-2煤大部分可采，3-1、4-2煤层全井田可采。矿井采用斜井多水平开拓方式，初期布置一个2-2煤层大采高综采工作面和一个1-2上煤层配采工作面。矿井目前主采煤层为4-2煤层，4-2煤与3-1煤间距平均37m，均属于近距离煤层开采。

1.2 214201工作面概况

214201综采工作面位于4-2煤一盘区，其上部为3-1煤采空区，是该矿4-2煤首采工作面，也是探索“110工法”智能化采煤工作面的试验型工作面。其北部为矿井井田边界，西部为4-2煤一盘区回风巷，南部为设计的214202工作面，东部为井田边界(石圪台煤矿)。该工作面可采长度为1975m，工作面从终采线至1550m工作面宽度293.8m，1550m至切眼工作面宽度197m，工作面采用综合机械化一次采全高倾斜长壁采煤法，平均采厚1.9m。

2 覆岩破坏规律实测

为探明韩家湾煤矿4-2煤首采工作面“两带”发育规律，采用“地面钻孔+漏失量观测”方法，通过钻进过程中冲洗液消耗量漏失、孔内水位变化、岩芯完整情况、彩色钻孔电视探测岩层破碎情况等，综合分析、确定覆岩破坏“两带”高度。

2.1 钻孔布置方案

2020年，在韩家湾煤矿214201工作面对应地表布置3个观测孔。其中A孔超前214201工作面前方约50m，主要作用是探测4-2煤未采动时、3-1煤覆岩裂隙发育特征；B孔位于214201工作面中部、采动后充分垮落对应位置，主要作用是探测214201工作面开采后覆岩“两带”发育规律，并与A孔探测结果形成对比；C孔位于214201工作面留巷以里20m位置，主要探明3-1煤房柱式采煤、非充分垮落区域的“两带”发育特征。钻孔布置如图1所示。

图1 “两带”观测孔布置平面

三个钻孔均采用∅158mm钻头由地表钻至基岩顶部，后采用∅133mm钻头继续施工至孔底；期间根据具体地质条件现状采用套管处理，并用清水作为冲洗液进行漏失量的观测。

2.2 观测成果分析

A孔钻取深度为226.61m，B孔深度为180.35m，C孔深度为206.70m。本次“两带”高度探测选用的技术手段主要有：地质钻探、钻孔冲洗液漏失量观测、井下电视、工程地质编录等综合手段进行处理、分析。

A孔垮落带顶界面距孔口深110.05m左右，实测3-1煤垮落带高度14.00m；B孔垮落带顶界面距孔口深150.18m左右，实测4-2煤垮落带高度13.82m；C孔垮落带顶界面位置距孔口深106.38m左右，实测3-1煤垮落带高度17.62m。

通过现场实测和分析得到，A、B、C三孔裂隙带均发育至地表，测得3-1煤垮落带最大高度17.62m，垮采比为6.5倍；4-2煤垮落带最大高度为13.82m，垮采比为7.3倍。

根据韩家湾煤矿地质条件及实测裂隙带发育情况可知，裂隙带发育至地表；同时参考相近矿井实测资料，韩家湾煤矿覆岩垮落形态只有“两带”，即垮落带和裂隙带。

3 相似材料模拟分析

根据韩家湾214201工作面地质条件，通过相似材料模拟试验，研究综采工艺、近距离煤层群条件下覆岩破坏特征及规律。本次试验采用300cm×115cm×20cm相似模拟试验台。根据韩家湾煤矿214201工作面2-2、3-1、4-2煤地质条件，模型沿煤层走向布置、近水平煤层，模型相似比为1∶100；取最小煤层埋深164m，实际煤层厚度2-2、3-1、4-2煤分别为4.3m、2.7m、1.9m，为方便铺设模型，试验值分别取值4.5m、3m、2m。

3.1 2-2煤开采模拟分析

随着工作面持续推进，直接顶最先出现弯曲下沉，推进至23m时直接顶开始垮落，垮落高度为1m；工作面继续推进，推进至40m处时，直接顶再次垮落，推进至45m处老顶垮落、发生初次来压，来压步距45m，垮落高度为8m，左侧岩层破断角度为69°，工作面推进至45m处覆岩移动变形特征如图2所示。

当工作面推进至56m时，发生第一次周期来压，来压步距为11m，垮落高度为12m，顶板岩层沿煤壁后方垮落，垮落块体较为完成，整体呈块状垮落，采空区被逐渐充实，右侧岩层破断角度为61°，上覆岩层出现离层现象。

当工作面推进至67m时，发生第二次周期来压，来压步距为11m，垮落高度为22m；煤壁侧岩层破断角度为69°，垮落岩块排列较为整齐，覆岩离层更加明显，2煤工作面推进至67m处覆岩移动变形特征如图3所示。

图3 2煤工作面推进至67m处覆岩移动变形特征

当工作面推进至84m时，发生第三次周期来压，来压步距为17m，顶板岩层沿煤壁后方垮落，岩层破断角度为63°，垮落高度为23m，此时垮落带高度维持在23m左右、不再向上发育，工作面上方覆岩裂隙主要以水平裂隙为主，裂隙长度为20m，覆岩内离层更加明显，本次来压较前两次来压更加剧烈，煤壁前方出现纵向裂隙，裂隙带发育至地表。

2-2煤回采结束，顶板岩层沿煤壁后方垮落形成铰接结构，煤壁侧的岩层破断角度为59.5°，垮落带高度为22m左右。

3.2 3-1煤开采模拟分析

2-2煤回采结束后继续回采3-1煤，工作面推进至28m处顶板出现离层，离层高度2m、宽度约0.1m。工作面推进至44m，顶板垮落高度为5m，煤层上部7m处出现离层，离层宽度约6m。

工作面推进至55m，顶板垮落继续发育，垮落高度约11m，离层高度为13m，离层裂隙约0.3m。工作面推进至64m，初次来压，初次来压步距64m，垮落高度16.5m，左侧垮落角为67°，右侧垮落角为68°，此时3-1煤导水裂隙带与2-2煤层采空区贯通，顶板岩层随煤壁垮落并形成铰接结构，如图4所示。

图4 3煤工作面推进至64m处覆岩移动变形特征

工作面继续推进，上覆岩层周期性移动变形，当工作面推进至257m，下部承载结构断裂，发生第13次周期来压，煤壁后方的岩层破断角度为71°，垮落高度为18m。工作面推至终采线处，导水裂隙带与上煤层采空区贯通并至发育地表。

3-1煤回采过程中，共出现13次周期来压，并对每次垮落带高度进行了测量记录，见表1；3-1煤回采过程中垮落带发育高度变化如图5所示。

表1 3-1煤垮落带高度统计表

图5 3-1煤回采过程中垮落带发育高度变化特征

3.3 4-2煤开采模拟分析

2-2与3-1煤回采结束后继续回采4-2煤，工作面推进至27m，直接顶下分层开始垮落，垮落高度1m，上覆岩层未出现明显离层。工作面推进至40m，直接顶充分垮落、垮落高度4m。工作面推进至63m，顶板初次来压，左侧垮落角为60°、右侧垮落角为63°，最大离层裂隙位于煤层上部27m处，离层裂隙宽度为0.6m，顶板垮落岩块与煤壁前方岩层形成铰接结构，4-2煤采动对上部煤层造成轻微影响，影响程度较轻，4煤工作面推进至63m处覆岩移动变形特征如图6所示。

图6 4煤工作面推进至63m处覆岩移动变形特征

工作面推进至84m，第一次周期来压，来压较为剧烈，顶板岩层沿煤壁后方整体垮落，垮落块体较为完整，空区垮落岩块逐渐压密，岩层破断角度为73°，垮落高度为10.5m，同时引起上部岩层同步失稳，煤层上方25m处覆岩出现明显的离层。

工作面推进至104m，发生第二次周期来压，来压步距为20m，顶板岩层沿煤壁后方垮落、形成铰接结构，煤壁侧岩层破断角度为67°，垮落高度为10m，垮落岩块排列较为整齐，上覆岩层离层更加明显，最大离层高度为23m。

工作面继续推进，上覆岩层周期性移动变形，推进至256m，发生第12次周期来压，来压步距14m，垮落高度11m，最大裂隙发育高度23m，导水裂隙带与上煤层贯通，顶板岩层依旧以断块式的层状垮落，部分区域形成铰接结构，铰接角度约为48°，顶板岩层沿煤壁后方出现大面积垮落，煤壁侧岩层破断角度为48°，2-2、3-1与4-2此三层煤回采结束后覆岩移动变形如图7所示。

图7 三层煤工作面回采结束后覆岩移动变形特征

4-2煤回采过程中，共出现12次周期来压并对每次垮落带高度进行了测量记录，如表2所示；4-2煤回采过程中垮落带发育高度变化如图8所示。

表2 4-2煤垮落带高度统计表

图8 4-2煤回采过程中垮落带发育高度变化特征

由各煤层周期垮落步距统计数值可知，由于受到上部煤层的采动影响，该地质采矿条件下具有下部岩层破断角降低、周期来压步距增大的特征。

多个近距离煤层群重复采动后，4-2煤覆岩垮落特征及形成的稳定结构不明显、空区内部垮落岩块空隙较小、压密程度较高，2-2煤以上的岩层主要以均匀切断式下沉的形式存在。

韩家湾煤矿3-1煤与4-2煤回采过程中，上部煤层垮落带有进一步的变化，根据实测高度可知，2-2煤最终垮落高度发育至25.8m，垮采比为6.0；3-1煤最终垮落高度发育至18.5m，垮采比为6.8；4-2煤最终垮落高度为11m，垮采比为5.8。韩家湾煤矿浅埋深、近距离煤层群开采条件下，具有下部煤层垮采比降低、上煤层垮采比升高的特点。

4 结 论

1)通过实测数据得到韩家湾煤矿地质条件下覆岩移动变形发育只有“两带”；实测得3-1煤垮落带最大高度17.62m，垮采比为6.5倍；4-2煤垮落带最大高度为13.82m，垮采比为7.3倍。

2)相似材料模拟得到2-2煤岩层破断角为59.5°～69°；垮落带最大高度为22～23m；初次来压步距45m；周期来压步距为11～17m。3-1煤岩层破断角为66°～71°；垮落带最大高度为18m。4-2煤岩层破断角为57°～68°；初次来压步距为63m，周期来压步距为13～21m；垮落带最大高度为11m。

3)韩家湾煤矿近距离多煤层2-2、3-1与4-2煤回采后，2-2煤最终垮落高度发育至25.8m，垮采比为6.0；3-1煤最终垮落高度发育至18.5m，垮采比为6.8；4-2煤最终垮落高度为11m，垮采比为5.8。

4)韩家湾煤矿浅埋深、近距离煤层群开采条件下，下部煤层垮采比降低、上煤层垮采比升高，下部岩层破断角降低、周期来压步距增大的特征。