近距离煤层上行开采覆岩裂隙演化与移动变形规律研究

吴 腾

（煤炭工业石家庄设计研究院有限公司贵州分公司）

我国近距离煤层大多采用下行开采，但在煤炭资源开采中，煤层赋存条件较好的煤层先被采出后，再对其上部煤层进一步回收利用时，通常也会采用上行开采［1-4］。上行开采相比下行开采而言，具有准备时间短、能快速出煤等优点，在近距离煤层里能否凸显上行开采的优点则由煤层层间距、煤层厚度以及层间岩体强度等因素来决定［5-6］。在近距离煤层上行开采研究中，杨国枢等［7］根据煤层群开采时覆岩结构的演化特征，阐述了煤层群开采时的矿压显现规律；崔峰等［8］对上行开采条件下的覆岩结构进行了分析，提出了关键层受力分析中所受冲击地压的危险性指数；杨滨滨等［9］研究了上行开采时煤层采动覆岩裂隙的时空演化特征，认为覆岩裂隙的裂隙熵和裂隙率在变化趋势上是相同的，并且在采动时距离煤层底板越远，裂隙熵就会越小。孙世国等［10］对开采后的覆岩倾斜和水平变形进行了分析，确立了移动边界和危险边界。孙学阳等［11］探讨了浅埋煤层不同开采速度条件下对覆岩变形的影响，提出了开采速度越快，其覆岩移动变形量越小。

目前对于煤层采动后覆岩裂隙演化与移动变形规律的研究大多只针对于单一煤层开采，对上行开采研究较少［12］。为了缓解下煤层开采对上煤层开采的影响，同时满足近距离上行开采的安全与高效，探究浅埋近距离煤层上行开采覆岩裂隙演化与移动变形规律便显得至关重要，这将为日后近距离煤层开采覆岩移动变形与地表沉降控制、实现绿色开采奠定基础。

1 工程概况

贵州某矿设计开采K8与K9煤层，采用上行开采，先采K9煤层，再采K8煤层。K8与K9煤层平均厚度分别为1.1、1.6 m，煤层间平均层间距约为10.0 m，层间岩层属中硬岩层。现在对K9煤层进行开采，以该煤层中布置的某一工作面为研究对象，工作面采深约为300 m，工作面倾斜长度为150 m，走向长度约为1 200 m，采用综合机械化采煤工艺，全部垮落法处理采空区。工作面煤层赋存情况如图1所示。

2 近距离煤层上行开采可行性分析

对于近距离煤层能否使用上行开采，通常看其下煤层开采后所产生的“三带”是否会对上煤层产生较大影响。若下煤层开采时所产生的冒落带高度大于上下煤层间距，则上煤层顶底板结构都会受到严重影响，造成上煤层开采难度极大（图2（a））；若上下煤层间距大于下煤层开采时产生的冒落带高度，但小于裂隙带高度，则上煤层结构只会遭受中等破坏（图2（b））；若上下煤层间距大于裂隙带高度，上煤层结构会保持基本完整，易于开采（图2（c））。

2.1 冒落带高度计算

上行开采过程中根据煤层间岩性的不同，冒落带最大高度可按式（1）～式（3）计算：

式中，Hk为冒落带最大高度，m；M为采高，m。式（1）适用于石灰岩、砂质页岩等坚硬的顶板岩层；式（2）适用于泥质砂岩、砂质页岩等中硬的顶板岩层；式（3）适用于泥岩、砂质砂岩类较软弱的顶板岩层。

本工程下煤层厚度为中厚煤层，其煤层间距为细砂岩的中硬岩层，下煤层采高为1.6 m，取式（2）进行计算，冒落带最大高度Hk范围为3.83～8.23 m。

2.2 裂隙带高度计算

裂隙带高度Hi计算公式可按式（4）～式（6）计算：

式中，Hi为裂隙带最大高度，m。式（4）适用于坚硬顶板岩层，式（5）适用于中硬顶板岩层，式（6）适用于软弱顶板岩层。

本工程中煤层顶板为中硬顶板，下煤层采高为1.6 m，取式（5）进行计算，裂隙带最大高度Hi范围为20.37～31.57 m。

所研究的两煤层层间距平均约为10.0 m，结合以上对下煤层开采覆岩内冒落带与裂隙带最大高度的计算可知，K9煤层开采工作面覆岩冒落带最大高度小于两煤层层间距，但是裂隙带最大高度将可能升至K8煤层的上覆岩层，因此，K9煤层开采将会在一定程度上影响到K8煤层，但不影响其正常回采，只需要后期对K8煤层底板采取管理措施即可正常回采。

3 近距离煤层开采覆岩裂隙演化与移动规律分析

3.1 模型构建

采用3DEC数值模拟软件构建浅埋近距离煤层上行开采模型，上下2层煤模拟工作面推进至120 m的情况，模型长、宽、高分别设计为180、2、70 m，在工作面开切眼一侧与工作面推进120 m时煤壁一侧各留30 m的煤柱，设计先后开采K9与K8煤层，设计煤层厚度分别是1.5与1.0 m，K9煤层中的工作面采深为350 m，K9与K8煤层层间距为10 m，两煤层层间岩体强度约为3 MPa。模型煤岩体及节理物理力学参数具体如表1、表2所示，模型底部及周边的水平、垂直位移以及速度固定为零，上表面施加载荷来模拟上覆岩层自重应力，将所采K8、K9煤层及顶板岩层进行不同程度加密细分。数值分析模型如图3所示。

3.2 覆岩裂隙与位移演化特征分析

图4所示为K9煤层工作面开采覆岩裂隙及位移演化图。如图4（a）、（c）、（e）所示，K9煤层工作面推进至40 m之前，直接顶已开始冒落，工作面推进到40 m时，初次来压结束，处于二次来压中，K9与K8煤层工作面直接顶与其上覆岩层均产生离层，由K9煤层工作面回采产生的裂隙带最大高度为17.65 m，直至K8煤层工作面直接顶上方；K9煤层工作面推进到80m时，采空区中部及后部岩石逐渐压实，K9煤层工作面覆岩裂隙沿开采方向不断延伸，产生裂隙主要集中在K9采空区中部及K8煤层工作面直接顶区域，并且K8煤层工作面直接顶与基本顶之间出现了离层，此时由K9煤层工作面回采产生的裂隙带最大高度为21.53 m；K9煤层工作面推进到120 m时，回采结束，直接顶呈周期性垮落，覆岩裂隙发育以采空区中部最为密集，裂隙发育高度到达K8煤层工作面直接顶上方，因受采动时间影响，工作面一侧的覆岩裂隙发育要大于开切眼侧覆岩裂隙发育，最大高度到22.86 m。从图4（b）、（d）、（f）可以看出，当工作面推进至40 m时，采空区中部垂直位移最大，为1.49 m，K9煤层工作面采空区覆岩垂直位移为拱形，并且在K8煤层工作面直接顶上端出现离层；当工作面继续推进到80 m时，覆岩垂直位移持续增加，最大位移为1.53 m，覆岩垂直位移从采空区中部至两端位移逐渐减小，最小垂直位移为0.28 m；K9煤层工作面回采完毕后，其上覆岩层垂直位移最大量为1.61 m，采空区中部覆岩的下沉量最大，并且在开切眼与工作面两端也出现1.16 m的垂直位移。

图5所示为上位K8煤层工作面开采覆岩裂隙及位移演化图。

从图5（a）、（c）、（e）中可以得到，K8煤层工作面推进至40 m时，工作面直接顶发生周期性垮落形成冒落带，同时直接顶与基本顶产生离层裂隙，裂隙带高度在工作面开采后持续发育；K8煤层工作面推进至80 m时，工作面覆岩裂隙沿工作面推进方向持续发育，K9煤层工作面冒落带逐渐压实，裂隙发育横向上以采空区中部为主，纵向上发育至K8煤层工作面基本顶上部区域；当K8煤层工作面推进至120 m时，工作面回采完毕，其覆岩裂隙主要发育在采空区侧中部，工作面端覆岩裂隙相比开切眼端发育更为密集，在K8与K9两层煤层工作面开采后，其裂隙带最大高度发育至28.32 m。从图5（b）、（d）、（f）中可以得到，工作面推进至40 m时，K8煤层工作面覆岩最大垂直位移为2.46 m，在K9煤层工作面回采后，其覆岩位移进一步增大，在K8煤层工作面直接顶上方出现离层；工作面进一步推进到80 m时，覆岩垂直位移也持续增大，最大垂直位移为2.60 m，采空区中部垂直位移最大；工作面推进至120 m时，K8煤层工作面回采结束，覆岩垂直位移从中部到两端垂直位移由高到低，其垂直位移范围为0.38～2.70 m。

3.3 煤层间岩层不同强度覆岩移动规律分析

结合以往研究，近距离煤层开采中的煤层层间岩体强度、煤层层间距、工作面采高以及工作面采深等都会对工作面上覆岩层移动变形产生较大影响。煤层层间岩体强度与煤层层间距均表示层间岩层对上覆岩层的支撑能力，因此，可将二者视作同一类型影响近距离煤层开采上覆岩层稳定性的因素，现仅研究近距离煤层之间岩层的岩体强度对工作面覆岩移动变形的影响规律。图6所示为煤层间岩层的岩体强度为2MPa时煤层开采覆岩裂隙及位移演化图。

如图6（a）、（c）所示，当煤层层间岩体强度为2 MPa时，K9煤层工作面开采完毕后，其裂隙发育至K8煤层直接顶与基本顶之间，相比层间间距岩体强度较大的煤层而言，K8与K9煤层之间裂隙发育更多，更密集，其裂隙发育高度为30.29 m，相比层间岩体强度高的裂隙带发育也更高。如图6（b）、（d）所示，K9煤层工作面覆岩最大垂直位移出现在采空区侧中部，在采空区底板两端也出现垂直位移较大的情况，K8煤层工作面继续推进，最大垂直位移处于采空区侧中部并继续增加，K9煤层工作面采空区垂直位移保持一致。

模拟显示，当煤层层间岩体强度为4 MPa时，K8、K9两煤层工作面回采完毕后，其覆岩裂隙发育更加稀疏，因层间岩体对其上覆岩层有支撑作用，覆岩裂隙发育高度相比于层间岩体强度低的而言更低，裂隙发育高度为23.68 m。当K9煤层工作面回采完毕后，对比层间岩体强度低的对照组来看，其采空区中部最大垂直位移更低。K8煤层工作面回采完毕后，其上覆岩层最大位移也比岩体强度低的更低，因层间岩体强度较大，对上覆岩层有强支撑作用，所以在K8煤层工作面直接顶两端出现离层。

通过对比层间岩体不同强度条件下的近距离煤层开采覆岩裂隙与位移演化特征，得到层间岩体强度较小的条件下，其上覆岩层裂隙发育更加密集，离层裂隙更多，煤层间距岩体对其上覆岩层不能提供有力支撑，导致上覆岩层垂直位移较大。层间岩体强度较大的条件下，其上覆岩层裂隙发育更稀疏，垂直位移更小。

3.4 工作面不同采深覆岩移动规律分析

由于工作面采高包括上煤层工作面采高与下煤层工作面采高，结合第2章的分析结果，下煤层工作面开采以后，冒落带最大高度达到了8.23 m，与K8、K9煤层间距相近，改变下煤层采高来研究工作面采高对上覆岩层移动变形的影响规律，将不得不再次验证上行开采的可行性，另外，仅改变上煤层工作面采高来研究工作面采高对覆岩移动变形的影响规律，并无太大的研究价值，综合考虑以上原因，本次研究将不再分析工作面采高对覆岩移动变形的影响规律。工作面采深作为煤矿中一个常变的量，同一层位煤层，倾向方向不同位置处的工作面由于采深不同，地应力会随着采深的增大而增大，其对上覆岩层的移动变形会产生很大的影响，特别是近距离煤层上行开采，影响更大，因此，研究工作面不同采深对覆岩移动变形的影响就显得十分重要。

图7所示为工作面采深为200 m时煤层开采覆岩裂隙及位移演化图。

如图7（a）、（c）所示，当采深为200 m时，K9煤层工作面回采完毕后，其直接顶在工作面一侧与基本顶离层，K8煤层工作面直接顶与基本顶也出现了离层现象，K9煤层工作面覆岩裂隙发育至K8煤层工作面直接顶上端。K8煤层工作面回采完毕后，其覆岩裂隙继续发育，裂隙带高度继续增加。与采深300 m相比，采深越浅，其工作面开采覆岩裂隙发育更加密集，直接顶与基本顶离层裂隙高度增加。图7（b）、（d）所示，煤层开采后覆岩最大位移始终处于采空区侧中部，在K9煤层工作面直接顶的采空区两端出现垂直位移突变，形成“台阶”状垂直位移云图分布情况，当K8煤层工作面回采完毕后，K8煤层工作面直接顶在采空区两侧区域出现离层，K9煤层工作面采空区垂直位移整体一致。

模拟显示，当工作面采深为400 m时，由K9煤层工作面回采产生的裂隙发育到K8煤层工作面直接顶上部分，与工作面采深200 m和300 m相比，K8煤层工作面上方出现离层裂隙较少。K8煤层工作面回采完毕后，K9煤层工作面采空区基本被压实，K8煤层工作面覆岩裂隙持续向上发育。

针对不同采深条件下的近距离煤层工作面回采，因采深增加，其上覆岩层自重应力增大，通过对煤层上覆岩层中距离工作面中部某一固定点处的垂直位移进行监测，发现随着采深的逐渐增大，该定点的垂直位移也一定程度上增大。

4 结论

（1）通过计算得到K9煤层工作面开采覆岩冒落带最大高度Hk范围为3.83～8.23 m，裂隙带最大高度Hi范围为20.37～31.57 m。K9煤层工作面回采过程中，其覆岩冒落带最大高度小于两煤层层间距，但是裂隙带最大高度将可能升至K8煤层工作面的上覆岩层，因此K9煤层的开采会对K8煤层产生较小影响，只需对K8煤层工作面底板采取加强措施即可正常回采。

（2）对比层间不同岩体强度下的近距离煤层开采，K8、K9两层煤层工作面在回采完毕后，层间岩体强度为2 MPa的条件下裂隙带发育高度为30.29 m，4 MPa时裂隙带发育高度为23.68 m。层间岩体强度较小时，其上覆岩层裂隙发育更加密集，离层裂隙更多，煤层间距岩体对其上覆岩层不能提供有力支撑，导致层间岩体强度较小的煤层上覆岩层垂直位移较大；层间岩体强度较大时，其上覆岩层裂隙发育更稀疏，垂直位移越小。

（3）对比不同工作面采深下的近距离煤层开采，采深越小，其煤层开采覆岩裂隙发育越密集，直接顶与基本顶离层裂隙高度越大；采深越大，裂隙发育越稀疏，采空区侧冒落矸石被压实。煤层上覆岩层中距离工作面中部某一固定点处，随着采深的增大，该定点的垂直位移也会越大。