深部采煤覆岩移动和地表沉降研究

李 想，焦玉勇*,邹俊鹏，张修峰，王 超

(1.中国地质大学(武汉) 工程学院，湖北 武汉 430074；2.兖州煤业股份有限公司东滩煤矿，山东 邹城 273500)

中国是一个多煤少油的国家，拥有丰富的煤炭资源储量，虽然近些年新能源的发展势头迅猛，但短时间内依然无法取代煤炭资源的地位，煤炭在中国经济的发展进程中依然拥有不可替代的作用[1-3]。过去，煤炭开采多集中在浅部煤层，随着浅埋煤炭资源逐渐耗尽，煤炭开采向深部发展势在必行[4]。但由于深部采煤难度大，伴随地质条件复杂多变、高地应力、矿震多发等问题[5-6]，并且煤炭开采还会引发一定程度的地表沉降，对地面建筑造成破坏，对人民生活产生影响[7-9]。因此，为了满足煤层开采过程中的安全与高效，研究深部采煤覆岩移动和地表沉降规律显得尤为重要。

国内众多专家学者对煤层开采覆岩移动特征进行了广泛的研究。如冯超等[10]应用FLAC3D模拟了煤层采动后导水裂隙带发育高度，并将模拟结果与经验公式、理论分析进行了对比验证；来兴平等[11]应用FLAC3D模拟研究了煤层开采后覆岩应力、位移和塑性破坏特征，并结合经验公式得到了覆岩“两带”破坏高度；孙可明等[12]应用Abaqus有限元软件对保护层开采过后覆岩的裂隙演化进行了模拟研究，得到了采动后覆岩卸压分布范围及渗透率分布规律；王迁等[13]利用有限元软件分析了采动后上覆岩层的下沉位移、下沉移动特征及应力变化规律；李培现等[14]基于FLAC模拟研究了煤层开采宽度与导水断裂带高度的关系，结果表明开采初期煤层开采宽度随地表导水断裂带高度的增加而增大，当工作面宽度大于某一临界值后则保持不变。

针对煤层开采过后产生的地表沉降问题，尹光志等[15]运用实验室相似模型试验和有限差分软件研究了大倾角煤层开采引起的地表移动，并绘制了开采后地表下沉量和水平移动等值线图；刘玉成[16]为了减少监测地表移动所布置的大量测点，运用FLAC3D模拟了煤层开采引发地表移动的全过程，为地表移动测点布置提供了技术参数；吴文敏等[17]通过数值模拟的手段研究了不同倾角煤层开采的地表变形规律，结果表明地表最大沉降值和水平移动值随煤层倾角的增加而增大，两者之间呈现三次多项式关系。

目前针对采煤覆岩移动和地表沉降的研究，其成果大多针对浅埋煤层，对于深埋煤层开采后覆岩运移和地表沉降规律的研究较少，而且研究方法多采用有限元、有限差分软件数值模拟的手段，相比离散元数值方法，无法清晰地看到覆岩的具体垮落形式，也无法直观地了解导水裂隙带的发育情况。为了揭示深部采煤覆岩移动和地表沉降规律，本文以兖矿集团东滩煤矿6采区63上04、63上05、63上06工作面为研究背景，采用UDEC离散元软件数值模拟的方法，基于微震及地表沉降监测数据，探究煤层回采过程中覆岩垮落形式、导水裂隙带高度、“三带”分布、覆岩应力分布和地表沉降规律。研究结果可为深部煤层开采工程提供一定的技术指导。

1 矿井概况

东滩井田地处邹城、兖州、曲阜三市接壤地带，在地质构造上位于兖州向斜的核部和深部。东滩煤矿采区划分如图1所示，其中63上04、63上05、63上06工作面所在的6采区位于东滩井田南翼，是本次研究的对象。该采区北至工业广场保安煤柱和4采区边界，南到井田边界煤柱，与南屯煤矿毗邻，西至4采区边界，东至峄山断层煤柱；采区东西长约3.4 km，南北宽约1.8～2.8 km，面积约为9.53 km2。

图1 东滩煤矿采区划分示意图Fig.1 Division diagram of Dongtan coal mining area

6采区上组煤层含可采和局部可采煤层共6层，自上而下编号为2、3上、3下、3下1、3下2、6煤层。其中，3上、3下煤层为稳定的、全区可采煤层；3下1、3下2煤层为不稳定煤层，2、6煤层为极不稳定煤层。目前东滩煤矿6采区主采煤层为3上煤层，该煤层位于山西组下部，下距3下煤层为5.08～13.86 m，平均间距为10.21 m；煤层厚度为4.12～6.65 m，平均厚度为6.0 m；煤层倾角较平缓，约为3°～9°，平均倾角为6°；煤层中有夹石1～2层，在底板之上1.6～2.5 m处含一层厚为0.03～0.05 m的灰白色砂岩夹矸且发育稳定，顶板之下0.3 m处含一层厚为0.2～0.3 m炭质泥岩夹矸且不稳定，结构较复杂。

目前东滩煤矿6采区63上04、63上05工作面已回采完毕，截至2020年10月，63上06工作面已经回采442 m。

2 离散元数值计算模型建立

2.1 模型地层岩性物理力学参数

为了建立数值计算模型，收集东滩煤矿6采区的综合地质柱状图，见图2。另外，根据《东滩煤矿地质钻孔岩性测试报告》，获得了本次数值模拟所需的模型地层岩体的物理力学参数，见表1。

表1 模型地层岩性的物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of model formation lithdogy

图2 东滩煤矿6采区的综合地质柱状图Fig.2 Geological histogram of No.6 mining area of Dongtan coal mine

2.2 数值模型建立

为了降低边界对于模拟结果的影响，模型的尺寸设定为1 500 m(长)×701 m(高)，模型左右边界对y方向的位移约束设为0，模型下边界对x、y方向的位移约束设为0，模型上边界设为自由边界，模型整体施加的重力加速度为9.8 m/s2。模型各地层的节理单元划分有所不同，将临近煤层的地层节理单元划分得较为精细，将远离煤层的地层节理单元划分得相对粗糙。模型采用摩尔-库仑破坏准则，节理材料采用的是库仑滑移破坏面接触模型。本文利用UDEC离散元软件建立的数值模型及边界约束，见图3。

图3 数值模型及边界约束示意图Fig.3 Diagram of numerical model and boundary constraint

2.3 数值模拟计算方案

根据《东滩煤矿采空图》，获得东滩煤矿6采区工作面布置图，见图4。

图4 东滩煤矿6采区工作面布置图Fig.4 Working face layout of No.6 mining area of Dongtan coal mine

由图4可知：6采区中63上04、63上05和63上06三个工作面距离较近，中间煤柱宽为25 m，为了更好地探究煤层开采后覆岩移动规律，从沿工作面回采方向(z1方向)、垂直工作面回采方向(z2方向)两个维度进行了数值模拟，即沿z1方向最终推进长度为442 m，沿z2方向的回采顺序为63上05工作面(宽250 m)、63上04工作面(宽254 m)、63上06工作面(宽254 m)，这样既可以研究单一工作面回采后上覆岩层的移动情况，还可以了解不同工作面之间的相互影响，使得研究结果更加客观、真实、全面。

3 深部采煤覆岩移动规律分析

3.1 覆岩垮落及“三带”规律分析

因3上煤层覆岩多为厚硬砂岩，工作面推进距离过小会导致模拟结果变化不明显，故沿工作面回采方向(z1方向)的数值模拟，将工作面每次向前推进100 m，共计推进442 m，模拟得到6采区63上06工作面回采100 m、200 m、300 m、442 m后覆岩垮落情况，见图5。

图5 东滩煤矿6采区63上06工作面回采100 m、 200 m、300 m、442 m后覆岩垮落情况Fig.5 Overlying strata collapse of 100 m,200 m,300 m and 442 m at working face 63upper06 of No.6 mining area of Dongtan coal mine

由图5可见：当工作面回采100 m时，煤层上方的直接顶发生部分垮落，导水裂隙带高度为32 m，直接顶上部发生一定程度的弯曲；当工作面回采200 m时，直接顶整体完全垮落，导水裂隙带高度增加至42 m，垮落岩体两侧分布大量的断裂裂隙，直接顶上覆中砂岩层发生较大程度的弯曲变形，中砂岩顶部产生离层裂隙；当工作面回采300 m时，直接顶整体垮落，其上覆中砂岩也发生整体完全垮落，导水裂隙带高度增加至85 m，同时中砂岩上覆巨厚粉砂岩下部也发生一定程度的弯曲变形，由工作面推进导致的覆岩变形高度进一步上探；当工作面回采442 m时，发生垮落的高度已基本不变，导水裂隙带高度仍为85 m，但覆岩大变形高度还在进一步增加，巨厚粉砂岩层整体发生较大的变形，顶部产生一定程度的离层裂隙，巨厚粉砂岩上覆细砂岩下部发生一定程度的弯曲变形。

为了了解临近采空工作面对于现采工作面的影响，针对垂直工作面回采方向(z2方向)进行了数值模拟，3个紧临工作面的回采顺序为63上05、63上04、63上06，模拟得到6采区63上05、63上04、63上06工作面回采后的覆岩竖向位移云图，见图6。

由图6可见：在63上05工作面回采完成后，采空区对于覆岩的影响范围较小，覆岩大变形区呈现梯形，覆岩竖向位移大于1 m的高度约为80 m；随后，在63上04工作面回采完成后，覆岩大变形范围进一步增大，覆岩竖向位移大于1 m的高度为220 m，覆岩大变形区呈现拱桥形，双拱足变形较大，拱顶变形相对较小；最后，在63上06工作面回采完成后，覆岩大变形范围迅速显著增大，覆岩竖向位移大于1 m的范围迅速延伸到地表，覆岩大变形区呈现大底角梯形，梯形底部变形较大，顶部变形较小。

图6 东滩煤矿6采区63上05、63上04、63上06工作面回采后的覆岩竖向位移云图Fig.6 Cloud images of overlying strata vertical displacement after mining at working faces 63upper05,63upper04,63upper06 of No.6 mining area of Dongtan coal mine

在6采区工作面回采模拟过程中可以发现，由于上覆岩层多为坚硬砂岩，故覆岩垮落形式多为整体大块垮落，这种垮落形式极容易引发矿震。根据东滩煤矿微震监测资料可知，东滩煤矿矿震多发，在工作面回采的过程中发生了大小几十次矿震，因矿震能量大于105J会导致煤矿生产停工，故选取6采区63上06工作面回采过程中矿震能量大于105J的18次矿震事件与工作面回采长度数据进行相关性研究，并绘制了63上06工作面回采长度与矿震能量的关系图，见图7。

图7 东滩煤矿6采区63上06工作面回采长度与矿震 能量的关系图Fig.7 Relation diagram of length and mine seismic energy of working face 63upper06 of No.6 mining area of Dongtan coal mine

由图7可见：在63上06工作面回采长度小于100 m时，矿震能量相对较小，为1.05×105J；当63上06工作面回采长度处于100～300 m之间时，大能量矿震多发，多数矿震能量大于106J；当63上06工作面回采长度处于300～442 m之间时，矿震能量急剧下降，最后趋于平稳。

将63上06工作面覆岩垮落模拟结果(见图5)与矿震发生深度曲线(见图7)进行对比可以发现：63上06工作面回采长度小于100 m时，覆岩垮落范围小，发生矿震的几率小、能量低；63上06工作面回采长度处于100～300 m之间时，覆岩垮落加速，覆岩垮落范围增大，导水裂隙带高度升高迅速，大能量矿震多发，矿震发生深度迅速升高；63上06工作面回采长度处于300～442 m之间时，导水裂隙带高度基本不变，覆岩主要以大变形为主，发生矿震的能量显著降低，矿震发生深度也逐渐趋于平稳。以上也可以从侧面证明前文模拟结果的正确性。

此外，覆岩整体垮落极易引起地表大变形，由东滩煤矿6采区地表岩移观测数据可知：地表沉降量巨大，在z1方向回采442 m时，根据监测数据，地表最大沉降量达到了1.8 m，在某些已经回采完毕的工作面，地表的最大沉降量达到4 m，这些现象都与覆岩垮落形式有着不可分割的联系；此外，根据z2方向的数值模拟结果可知，在6采区63上04、63上05工作面已经采空的情况下，进行63上06工作面回采时，覆岩竖向位移的增幅十分巨大，覆岩竖向位移大于1 m的高度从220 m迅速增加至波及地表，这说明紧邻采空区的存在对于现采工作面覆岩垮落变形的影响也是十分巨大的。

6采区63上06工作面回采完毕后，覆岩的三带分布情况见图8，由此可得到导水裂隙带的高度为85 m。

图8 东滩煤矿6采区63上06工作面回采442 m后 覆岩的三带分布图Fig.8 Three-zone distribution map of overlying strata after 442 m mining at working face 63upper06 of No.6 mining area of Dongtan coal mine

参照采煤相关规范，针对煤层采高为3～10 m情况下导水裂隙带高度的经验公式为

(1)

式中：Hli为导水裂隙带高度(m)；M为采高(m)。

由公式(1)可计算得到导水裂隙带高度为90.6 m，与模型计算结果十分接近，产生误差的原因是该经验公式只考虑了采高对于导水裂隙带高度的影响，而实际情况下，影响导水裂隙带高度的原因是非常复杂的，煤层开采深度、覆岩岩性、关键层结构控制等都会对导水裂隙带高度产生一定程度的影响。

3.2 覆岩竖向应力分布规律分析

东滩煤矿6采区63上06工作面回采后沿工作面回采方向(z1)和垂直工作面回采方向(z2)覆岩竖向应力云图，见图9。

图9 东滩煤矿6采区63上06工作面回采后z1和z2 方向的覆岩竖向应力云图Fig.9 Vertical stress nephogram of overlying strata after mining of working face 63upper06 in direction z1 and z2 of No.6 mining area of Dongtan coal mine

由图9可以看出：

(1) 在63上06工作面回采的过程中，原始覆岩应力状态发生了变化，应力进行了重新分布，由于位于回采煤层上部的低位岩层发生垮落、变形，覆岩的竖向应力得到了一定的释放，大面积覆岩所受竖向应力小于10 MPa；在采空区上方，岩体产生裂隙、发生较大变形的部位形成三角拉应力带[见图9(b)]，在63上06工作面回采442 m后，在采空区的两端形成了超前支撑压力带，宽度约为150 m，竖向应力的峰值为50 MPa，产生应力峰值的位置距采空区边缘约为20～30 m。

(2) 随着6采区63上04、63上05、63上06工作面回采完毕，3个紧邻工作面之间的煤柱所受到的竖向应力高达120 MPa[见图9(b)]，而根据《东滩煤矿地质钻孔测试报告》，3上煤层的抗压强度仅为8.01 MPa，煤柱所受到的竖向应力值早已超过了其强度，已然会发生破坏，煤柱现已起不到任何支撑作用，这也从另一个角度解释了东滩煤矿6采区紧邻采空区对63上06工作面回采时覆岩移动影响巨大的原因。

4 地表沉降规律分析

4.1 地表沉降监测情况

东滩煤矿6采区63上06工作面地表沉降监测点的布置情况，见图10。其中，沿63上06工作面走向方向有42个测点，点号为w6～w47；沿63上06工作面倾向方向有41个测点，点号为s7～s32、s34～s48。截至2020年10月，6采区63上06工作面累计回采442 m，累计观测106次，沿63上06工作面走向z1方向最大地表沉降量为1.803 6 m，由于工作面走向方向地表沉降数据更能直观地反映工作面回采对于地表沉降的影响，且63上06工作面仅回采了442 m，因此将w10～w25这16个能覆盖63上06工作面回采宽度的测点作为研究重点，对其地表沉降进行了数值模拟计算。

图10 东滩煤矿6采区63上06工作面地表沉降监测点 布置图Fig.10 Ground subsidence monitoring point layout of working face 63upper06 of No.6 mining area of Dongtan coal mine

4.2 地表沉降模拟结果与实测结果的对比分析

为了验证模拟计算结果的可靠性，在数值模型上对应w10～w25的相应位置布置测点，将63上06工作面回采200 m、300 m、400 m、442 m时的模拟地表沉降数据与63上06工作面回采442 m的实测地表沉降数据绘制成的地表沉降曲线进行了对比，见图11。

图11 东滩煤矿6采区63上06工作面地表沉降曲线图Fig.11 Surface subsidence curves of working face 63upper06

由图11可知：模拟结果整体上略大于实测结果，两者地表累计沉降数据基本吻合，相差最大不超过15 mm，大部分对应监测点的地表沉降数据相差小于6 mm，平均误差仅为8%，且地表沉降变化趋势基本一致，说明模拟计算结果的可信度较高。

此外，由图11可见：地表沉降曲线为“U”字形，呈现“小—大—小”的沉降趋势，且由于63上06工作面回采方向为从左至右，故左侧地表沉降量大于右侧地表沉降量，模拟得到工作面回采200 m、300 m、400 m、442 m时的地表最大沉降量分别为0.4 m、0.828 m、1.487 m、1.792 m，由此可知沉降速率呈逐步增大的趋势，发生最大地表沉降的位置大致位于工作面中心偏左。模拟计算结果与实际情况基本吻合，地表沉降趋势符合普遍规律，可信度高，表明建立的数值模型可为同类煤矿地表沉降的预测提供借鉴。

5 结 论

本文以兖矿集团东滩煤矿6采区63上04、63上05、63上06工作面为研究背景，采用UDEC离散元软件数值模拟的方法，基于微震及地表沉降监测数据，探究煤层回采过程中覆岩垮落形式、导水裂隙带高度、“三带”分布、覆岩应力分布和地表沉降规律，得到结论如下：

(1) 根据沿工作面回采方向(z1方向)煤层回采后覆岩移动的数值模拟结果，基于微震及地表沉降监测数据可知：随着煤层回采宽度的增加，覆岩的破坏形式逐渐由大块整体垮落转变为大变形；发生矿震能量由大变小并趋于平稳；导水裂隙带高度由迅速升高转至基本不变，最后稳定在85 m，与经验公式计算结果吻合，据此确定了覆岩的三带分布；工作面回采完毕后，采空区上方岩体发生断裂或发生大变形部位形成三角拉应力带，采空区两端形成了竖向应力峰值为50 MPa的超前支撑压力带，距采空区边缘约为20～30 cm。

(2) 根据沿垂直工作面回采方向(z2方向)煤层回采后覆岩移动的数值模拟结果可知：由于紧邻采空区的存在，且采空区间煤柱因受到的竖向应力超过其抗压强度而破坏，导致63上06工作面在回采后引起了覆岩竖向位移的迅速增大，波及地表。

(3) 经数值计算得到，煤层回采过程中地表沉降数值呈“小—大—小”趋势，沉降速率逐渐增大，地表沉降曲线为“U”字形，地表最大沉降量位于工作面中心偏左，左侧地表沉降量大于右侧地表沉降量。将模拟数据与现场实测数据进行比对，平均误差仅为8%，表明本文模拟结果的可信度较高。