水力耦合条件下近距离煤层采动裂隙动态演化规律探究

陈广金，程志恒，周礼杰，赵志研，陈 亮，王宏冰

(1.郑州煤炭工业(集团)有限责任公司，河南 郑州 450000；2.华北科技学院 矿山安全学院，北京 101601；3.中国矿业大学(北京) 能源与矿业学院，北京 100083；4.中煤科工集团沈阳研究院有限公司，辽宁 沈阳 110141；5.北京科技大学 土木与资源工程学院，北京 100083)

随着我国煤炭资源开采深度的不断增加，深部煤炭开采逐渐成为资源开发的常态[1-3]，在深部煤炭资源开采时，煤层“三高一低”的赋存特征益加凸显，且突出煤层群的瓦斯压力和瓦斯含量也随之增加，煤层瓦斯治理难度进一步加大[4-8]，与目前高效综合机械化开采程度相悖，瓦斯始终制约着煤炭资源安全、高效开采，为了针对性地防控瓦斯灾害，提高煤矿综合机械化回采效率，需进一步探究煤层群采动条件下裂隙场的形成机制及分布特征以及煤岩层垮落、裂隙演化的时空转化关系，进而确定采动卸压瓦斯渗流规律，为突出煤层群瓦斯精准防控提供理论支撑。

突出煤层群的煤与瓦斯共采技术，是目前解决突出煤层群煤炭资源开采及煤层气资源高效抽采利用的主要手段，也是响应当今社会倡导绿色开采技术之一[6，7]，在煤层群开采过程中，由于覆岩结构的岩体性质、顶板厚度以及岩层间的相互作用的不同，在受到回采作业的扰动影响时，煤层覆岩结构破断形态体现出多样性，基于此，众多学者对采动覆岩破断结构及运移规律进行大量的研究[8-10]，并相继提出了“悬臂梁假说”“铰接岩块假说”“关键层理论”“传递岩梁”理论模型以及依据煤体采动后覆岩的移动规律提出了“横三区”“竖三带”的概念[11]，而覆岩采动裂隙为卸压瓦斯的扩散、渗流、运移的通道[12]，因此，通过研究覆岩结构破断形态特征，准确掌握覆岩采动裂隙时空演化规律及精准划分瓦斯抽采有利区域，是确保安全高效抽采覆岩内卸压瓦斯的关键，对突出煤层群安全生产实践具有重要意义。目前，在覆岩采动裂隙时空演化规律方面的研究大多采用了理论分析、现场观测、实验室相似模拟试验及数值模拟等方法，如程志恒等[13，14]、马海峰等[15]研究了近距离煤层群开采条件下采动应力及覆岩位移场、裂隙场的演化特征，得到了不同采动应力作用下底板岩层裂隙角度的分布规律；Sun、Ding等[16，17]分析了近距离煤层群采动应力分布范围及采空区破坏深度；张春雷[18]研究发现近距离煤层群上行开采过程中，上煤层周期来压步距小于下煤层，且覆岩离层高度更大；王伟等[19]研究了深部近距离上保护层开采底板煤岩层裂隙瓦斯通道演化规律及下被保护层卸压瓦斯抽采的时效性，在回采方向上底板煤岩层可分为原始应力区、卸压增透区和重新压实区；王成等[20]研究了上行卸压开采顶板裂隙带巷道失稳过程，发现顶板裂隙带巷道随上覆岩层呈整体下沉特征；焦振华[21]等研究了下保护层开采覆岩的运移、裂隙动态演化特征及被保护层变形规律，发现随基本顶周期破断，采动裂隙呈梯形演化，贯通的竖向裂隙未连通上被保护层。

综上可知，以上的研究成果大多集中在覆岩结构破断形态及采动裂隙演化分布特征等方面，而在对于水力条件影响下覆岩破断特征及采动裂隙演化规律等方面的研究尚不明，由于在水力耦合条件下工作面覆岩破断垮落规律、来压强度、来压步距等特征有别于不受水力条件影响的其他工作面，往往导致其支护不及时或支护强度不够，甚至造成冒顶事故。基于此，笔者以沙曲一号煤矿为研究对象，采用相似模拟、数值模拟及理论分析相结合的方法，研究了水力耦合下覆岩采动裂隙动态演化规律，指出了水力条件对于覆岩垮落及采动裂隙发育的影响，进而为优化工作面覆岩支护方案设计奠定了理论基础。

1 工程概况

沙曲一号煤矿为近距离突出煤层群，其主采煤层为2#、3+4#、5#煤层，2#煤层位于3+4#、5#煤层上部，平均煤层厚度为1.21m，下距3+4#煤层为21.2m；3+4#位于2#煤层与5#煤层中部，平均倾角为6°，平均煤层厚度为4.55m，3+4#煤层工作面长度平均为260m，距5#煤层为4.09m，本次研究对象为3+4#煤层工作面。工作面煤层赋存柱状图如图1所示。

2#煤层作为保护层优先开采其下部的煤岩体同时进行卸压，故此时Y3—Y5岩层内将衍生大量的裂隙，如图1所示，2#煤层回采后由于生产用水及地质岩溶裂隙水的原因，工作面采空区内汇聚着大量积水，若此时下伏的3+4#煤层进行回采时上覆岩层将经历二次卸压，将导致上覆2#煤层采空区内积水沿着卸压通道积聚在3+4#煤层顶板内，造成了3+4#回采时覆岩破断垮落规律、来压强度、来压步距等特征参数有别于不受采空区积水影响的工作面，严重时将导致支护不及时或支护强度不够而造成冒顶事故。

2 水力耦合下采动裂隙演化特征

2.1 试验方案

采用自行研制的相似模拟试验平台，通过在试验模型中距离3+4#煤层顶板4cm的泥岩内铺设一层∅0.3mm×0.6mm的四氟毛细管，还原了3+4#煤层上覆岩层中含水情况(2#煤层采空区积水)，并采用针管容量为1mL、针头规格为外径0.46mm的注射器控制煤层注水情况，以及使用水分测试仪对注水前后的泥岩层进行数据记录，相似模拟比例为1∶100，相似模拟实验平台如图3所示。模型所附的岩石力学参数见表1。

在煤层开挖过程中时刻用相机记录开挖过程中煤层及上覆岩层的变化，以期获得较为准确的裂隙发育及演化规律，实验中采用了三维数字散斑应变测量分析系统，在模型开挖时计算全场应变和变形特征。

表1 相似模型煤岩层材料配比参数

2.2 水力耦合下覆岩裂隙发育及演化特征分析

为了探究上覆煤层(2#煤层)水力条件下3+4#煤层回采过程中覆岩裂隙演化规律，利用相似模型中覆岩内铺设的四氟毛细管，在工作面回采期间分别向覆岩内注水以真实还原出采空区积水特征，其模拟结果如图4、图5所示。由图4、图5可以看出，无论上覆岩层内是否有积水的存在，在3+4#煤层开采过程中上覆岩垮落形态均由完全悬露顶板破断，基本顶滞后工作面破断，最后呈台阶式下沉，上覆岩层裂隙也均从初始形成、逐步发育、裂隙加密和不断扩展的演化过程，并在采动裂隙形成、发育、扩展的循环过程中上覆岩层形成了不同的裂隙分区和瓦斯流动通道。但受制于上覆岩层内采空区积水的存在，当无采空区积水时随着工作面回采覆岩初次来压步距约为34m，周期来压步距约为13m，而当上覆岩层存在采空区积水时随着工作面回采覆岩初次垮落步距约24m，周期来压步距约为10m。

综上所述，上覆岩层中含有少量水的情况下能对煤层开采造成一定影响，具体体现在改变初次来压和周期来压步距，但覆岩裂隙发育规律与矿压显现和单一煤层相似，工作面顶板由完全悬露顶板破断，基本顶滞后工作面破断，上覆岩层裂隙呈台阶式下沉，随着工作面的推进，覆岩裂隙逐渐往上与向前发育(裂隙发育带)。

2.3 水力耦合下覆岩位移演化规律分析

三维数字散斑应变测量分析系统具有灵活易用的触发功能，丰富的外部软硬件接口，应变测量范围可在从0.01%到1000%的范围变化，它采用数字图像相关方法DIC，采用两个高速摄像机，实时收集实物在各个阶段中形变的散斑图像，利用相关算法将物体的位移量与立体匹配，实现位移场数据的可视化分析，从而达到快速、高精度、实时的实验需求。

当上覆岩层内无水力条件时其随着工作面回采覆岩垮落特征如图6所示，从图6可以看出，当工作面推进20m时，工作面前方出现细微位移，此时位移量最大值为0.029mm，结合实验相似常数，实际工作面前方出现0.29cm的微弱位移，这可能是由于工作面前方应力环境改变造成的，当工作面推进28m时，可以发现采空区上部出现约0.799mm的微弱位移，结合实验相似常数，即实际采空区上方有离层裂隙或横向裂隙发育；当工作面推进34m时，采空区上覆岩层已经发生垮落，采空区上方岩层出现约0.049～0.083mm的细微位移，说明实际采空区上方经过顶板垮落后依然存在0.49～0.83cm的裂隙，原因可能是经过顶板垮落，垮落矸石碎涨后对其上方顶板有部分支撑作用，当工作面分别推进37m、40m、47m时，采空区上方有位移集中较大的区域，且随着工作面推进，工作面前方底板发现有些许位移量，这可能是采动造成的底鼓现象。

当上覆岩层内有积水时其随着工作面回采覆岩垮落特征如图7所示，从图中可以看出，当工作面推进20m时，其上覆岩层位移量变化不大，当工作面推进至24m时，受上覆岩层重力作用，其上覆岩层位移有明显变化，采空区上方岩层出现约0.051～0.123mm的细微位移，表明此时岩层开始垮落；分别当工作面推进50m、60m、70m、80m时，随着回采持续推进，其采空区上覆岩层位移量呈现逐渐增加的趋势，且煤层底板位移量也随工作面回采推进呈现相同的变化，此时位移变化的范围约是1.147～3.087mm之间，且其位移量在采空区上覆岩层中部变化值最大，向采空区前后的位移量则是变化较小。

产生上述的现象表明：当覆岩中赋存少量水时，受工作面采动影响下其覆岩垮落较为剧烈，覆岩位移量也相对较大，且随着工作面持续推进，由于其覆岩垮落存在一定高度，覆岩位移会持续增大至一个终值后会保持平缓。

3 采动水力耦合下采动覆岩演化数值分析

3.1 建立模型

为了能够正确反映水力耦合下工作面开采过程中上覆岩层的应力应变特征、裂隙发育演化特征，采用UDEC2D7.0软件进行模型构建与计算。模型上部边界距离地表450m，按照埋深施加均布载荷，顶面施加载荷为11.25MPa，岩层平均密度取2500kg/m3，各岩层的物理力学参数见表2，并依据原始岩层的层理结构、岩石单元体的尺寸等对模型的各层进行了细分，最终建立的模型。

表2 煤岩体物理力学性质参数

3.2 采动下覆岩裂隙发育及演化特征

无水力条件下覆岩裂隙演化规律如图8所示，由图8可知，当工作面开切眼及推进至20m时，采空区顶板有微微弯曲的变化，采空区前后煤壁也存在向采空区凸起的变化；当工作面推进至40m时，采空区顶板的弯曲更为严重，同时有裂隙及离层裂隙发育，底板也出现底鼓现象；当工作面推进至60m时，采空区后端顶板开始垮落，随着工作面推进，采空区前端顶板有裂隙发育及未垮落岩层，可以发现垮落的顶板呈现不规则状态，再往上发现上方岩层有规则垮落；当工作面推进至80m时，工作面随采随垮，之前垮落的部分逐渐被压实，其裂隙随工作面推进向前发育。

水力条件下覆岩裂隙演化规律如图9所示，由图9可知，当工作面开切眼及推进至20m时，采空区顶板有微微弯曲的变化，在采空区前后煤壁也存在向采空区凸起的变化；当工作面推进至40m时，采空区顶板开始垮落，同时有裂隙及离层裂隙发育；当工作面推进至60m时，采空区随采随垮，之前垮落的部分逐渐被压实，其裂隙随工作面推进向前发育；当工作面分别推进至80m时，采空区上覆岩层垮落、裂隙发育情况与推进至40m时相似。

3.3 采动下覆岩应力演化特征

无水力条件下覆岩应力演化规律如图10所示，由图可知：随着工作面开挖20m、40m、60m、80m时，在水平方向上(工作面回采方向)呈现出上覆岩层和下伏岩层应力较高的现象，且随着推进的继续，其应力集中随着之往深部扩散；在纵向方向上(覆岩垮落方向)的应力变化则是两种情况：第一个是随工作面推进距离较短时，采空区前后出现应力集中，采空区上下出现卸压情况；另一个则是当工作面推进距离较长时，采空区上覆岩层垮落后矸石受力压实，其中出现有应力由小增大的现象，而采空区前后端依然处于卸压状态。这是由于随着开采距离的增加，覆岩顶板悬露长度到达一定跨度后，在自重及覆岩层载荷的作用力下发生规律的性破断和垮落，采空区后方逐渐被压实，顶板上方出现的离层与裂隙在重力作用下逐渐闭合，应力发生传递，原先卸压区部分应力恢复或超过原有应力状态。应力分布随着覆岩周期性垮落出现周期性分布状态，应力卸压区影响的高度及深度与基本顶断裂后无明显变化，随着工作面的推进，卸压区域呈拱形逐步前移即为采动应力拱形成、演化和分布的过程。

从整体上来说，水力条件下覆岩应力演化规律与无水力条件下覆岩应力演化规律大致相同，如图11所示，由于受制于上覆岩层内采空区积水的影响，工作面回采至相同位置时无水力条件下的覆岩应力峰值大于水力条件下的覆岩应力峰值，但当工作面分别推进至20m、40m、60m位置处时水力条件下覆岩垮落应力峰值分别增大了1.3倍、1.12倍，而无水力条件下覆岩垮落应力峰值分别增大了1.04倍、1.2倍，因此表明覆岩垮落过程中受到水力条件的影响其来压强度大大增加，故此时应加大工作面覆岩支护强度。

4 结 论

1)沙曲一号煤矿2#煤层优先开采，由于生产用水及地质岩溶裂隙水的原因，2#煤层工作面采空区内汇聚着大量积水，而3+4#煤层的回采会对上覆岩层进行二次卸压而导致上覆2#煤层采空区内积水沿着卸压通道积聚在3+4#煤层顶板内，造成了3+4#回采时覆岩破断垮落规律、来压强度、来压步距等特征参数有别于不受采空区积水影响的工作面。

2)由相似模拟实验得出，无论上覆岩层内是否有积水的存在，其覆岩垮落形式变化不大，其裂隙也均从初始形成、逐步发育、裂隙加密和不断扩展的演化过程，并在采动裂隙形成、发育、扩展的循环过程中上覆岩层形成了不同的裂隙分区和瓦斯流动通道，但受制于上覆岩层内采空区积水的存在，其覆岩初次来压步距相较于无水力条件的影响的覆岩初次来压步距减小10m，其周期来压步距减小3m。

3)基于数字散斑系统分析覆岩运动特征可知当覆岩中积着少量水时，受工作面采动影响下其覆岩垮落较为剧烈，覆岩位移量也相对较大，且随着工作面持续推进，由于其覆岩垮落存在一定高度，覆岩位移会持续增大至一个终值后会保持平缓。

4)覆岩垮落过程中由于受到水力条件的影响，其来压强度大大增加，因此在对工作面覆岩进行支护时应加大支护强度或增加支护密度。