不同开采工艺条件下上覆地层破坏特征研究

李春平 时广超 崔永江

（内蒙古上海庙矿业有限责任公司，内蒙古 鄂尔多斯 016200）

煤炭是我国能源的基础，根据《能源发展战略行动计划2014—2020》，预计到2030 年我国能源结构中煤炭占比仍将保持在60%[1-2]。在未来50～60年内，煤炭作为我国的主体能源、煤炭产业作为我国重要能源支柱产业的格局不会改变[3-7]。煤矿开采过程中，顶板在覆岩的重力下，顶板发生弯曲下沉，因此上覆岩层的破坏规律成为诸多学者研究的目标[8-11]。对于覆岩破坏规律的研究主要包括对地表位移以及对上覆岩层的运动、变形研究。预防和治理顶板灾害中，合理的开采、有效的防冲措施都是基于对上覆岩层运动的正确认识。深入研究上覆岩层的运移及破坏规律是控制顶板灾害、保证生产安全高效的基础。

我国学者在覆岩运动的研究里作出了重大贡献，有著名的“砌体梁”理论和“传递岩梁”理论[12-15]。山东科技大学宋振骐院士提出了具有代表性的“传递岩梁”学说[16]。魏秉亮、黄森林等也通过数值模拟对浅埋煤层采场顶板破断机理进行了研究，揭示了浅埋煤层出现地表裂缝、台阶下沉等是由于上覆岩层结构滑落失稳造成的[17-18]。国外关于浅埋煤层开采矿压显现与顶板控制的研究较早的有苏联秦巴列维奇提出的“台阶下沉假说”[18]。

浅埋煤层工作面开采过程中，工作面矿山压力显现分布规律呈现出其独特性，容易引起灾害，影响煤矿安全高效生产[19]。这与工作面不同采煤工艺等人为工程因素密切相关。因此，分析不同采煤工艺条件下上覆岩层移动变形破坏特征，为矿井安全高效生产提供重要参考。

1 工程概况

鲍店煤矿位于济宁市邹城市境内。鲍店煤矿井田走向长度大约为7.2 km，倾斜宽度大约为5 km，面积为35.2 km2。

该煤矿第四系松散层由上、中、下三组组成，平均厚度172 m。其中，上组为含水层，中组为隔水层，下组为含、隔水层交互沉积的多层复合地层。工作面基岩厚度34.5～86 m，3 煤层埋深225.8 m，煤层厚度8.17～8.85 m，平均8.69 m，煤层倾角平均12°。煤层直接顶以粉砂岩为主，厚度为0～8.87 m，平均3.32 m；基本顶以粉细砂岩及中砂岩为主，基岩风氧化带厚度一般为10 m。

2 覆岩破断的力学条件分析

2.1 岩梁断裂的力学机理

2.1.1 覆岩结构只受均布载荷

覆岩结构及简化模型如图1 所示。根据力学知识，弯矩可以形成弯应力σ1x，直接载荷q可以形成挤压应力。而且考虑到q为均布载荷，在x方向上大小保持一致，因而可以假设挤压应力σ1y不随x而变，因此σ1y只是y的函数，故：

图1 覆岩结构及简化模型

由对称性可知，σ1x、σ1y是x的偶函数，τ1xy是x的奇函数，则E=F=G=0，对上式进行简化变为：

通过上式得到应力分量：

2.1.2 只受自重应力

在覆岩结构仅受自重应力条件下，边界条件存在差异，应力函数为：σ2y=f（y）。简化模型如图2。

图2 简化模型

首先求得各应力分量：

2.2 上覆硬厚岩层破坏规律力学准则

2.2.1 覆岩结构拉破坏的力学判据

嵌固端处的弯矩逐渐变大，两端可能产生拉裂，形成简支梁。进而中间的部分产生裂隙，形成三铰拱的结构并且具有一定的承载能力。如图3。

图3 覆岩结构拉破坏示意图

根据覆岩上表面的拉应力（图4）：

图4 覆岩结构形成简支梁示意图

关键层两端产生拉裂，并且形成简支梁条件是：

2.2.2 覆岩结构沿厚度层面剪破坏的力学判据

关键层中如果出现软弱夹层，则会发生沿夹层剪切破坏，如图5 所示。

图5 沿层的剪切破坏τxy=[τ]

当符合上述情况时，关键层出现分层导致其关键性下降。

2.2.3 覆岩结构端部压剪破坏的力学判据

随着梁的跨度的增大，梁的端部压应力会较大，根据库伦摩尔准则τ=σ·tanφ+c0可能产生压剪破坏，破坏面和最大主应力的夹角θ=π/4-φ/2。如图6。

图6 岩梁沿端部的剪切破坏

根据上述分析可知，在不同条件下，得到了关键层初次破坏的形式和力学判据。通过对工作面开采导致的煤层上方覆岩断裂特征的力学研究可以得出，当覆岩结构中存在坚硬厚砂岩或砂岩组时，岩层会发生沿着软弱面以及中性面的剪切型破坏，并且这种剪切型破坏不会沿端部进行，由此可以得到煤层上方关键层破断的条件。

通过已有的上覆岩层断裂破断方式的力学判据，得到鲍店煤矿开采过程中，可以根据覆岩的破断方式，来判断不同组合的上覆岩层，用计算的l1、l2、l3中的最小值来判定岩层的垮落形式和极限跨距。

2.3 鲍店煤矿覆岩结构的演化规律

建立三级关键层的覆岩结构模型，具体模型如下图7 所示。根据各个岩层的力学参数以及“梁”的理论计算的岩梁的初次垮落步距。

图7 关键层位置示意图

表1 上部关键层初次破断步距

随着工作面的推进，上覆岩层呈周期性破坏从而产生周期来压。

根据计算得关键层的周期来压步距：

Lz1=84.6 m，Lz2=21.6 m，Lz3=36 m。

在计算时不能将关键层3 上的载荷认为只是关键层3 和关键层2 之间的岩体产生的均布载荷，当关键层2 垮落时上部载荷和自重全部加在了下部关键层3 上，超过下部关键层的极限承载能力而使其破断。这样两者会有相同的来压步距，所以三个关键层的来压步距为Lz1=84.6 m，Lz2=Lz3=21.6 m。

岩层跨距与工作面长度之间的关系，计算如下：

可以计算出发生破断时工作面的极限长度2L0C，这里取α=60°，上部岩梁破断时工作面的最小宽度为294 m。

表2 上部关键层周期破断步距

1）对于单个工作面开采时，鲍店煤矿工作面宽度为180 m，但是覆岩垮落的最大高度是由工作面斜长决定的，当到达第二关键层的极限跨距48 m时，第一、二关键层断裂，工作面的斜长较短没达到中砂岩垮落的条件，所以上部中砂岩不会垮落，只是弯曲下沉。

2）当采空区斜长较大，使上部砂岩悬露的跨度达到其极限跨距188 m 时，最上部砂岩就会垮落；两个工作面联通的时候工面总的斜长是360 m 左右，工作面推进到达上部砂岩的极限跨距时会产生上部岩梁的断裂，形成充分采动，继续向前推进的过程中各个主关键层成悬臂梁的方式周期破断。

工作面在推进的过程中应力的传递随板状结构跨度的变化而改变。当工作面的宽度为120～180 m，当推进到主关键层的板状结构L=B时就会发生应力传递方向的变化。

3 不同采煤工艺下煤层上覆地层移动变形破坏数值模拟

3.1 数值模型建立

根据上覆岩层结构特征建立离散元分析平面应变模型，模型结构示意图见图8。

图8 模拟几何模型示意图

本章通过5 个模拟方案（见表3）来探究不同开采方式下上覆岩层移动变形规律。模型长度x×y=350 m×120 m，工作面两端留出75 m 的固定边界，模拟煤层厚度为8.8 m，埋藏深度为225.8 m，基岩层厚度为45 m，第四系松散层厚度为172 m，模型建至煤层上方90 m 松散层位置。

表3 各岩性地层的物理力学参数表

表4 模拟方案

3.1.1 边界条件的选取

模型的左、右边界以及底部边界都施加约束，其中底部边界为全约束边界（约束速度及位移），左、右边界为单约束边界（仅约束位移），顶部边界不施加约束条件。考虑到模型未建至地表，其余的上覆岩层通过载荷加到模型顶部。

3.1.2 块体的划分

模型建立参考实际工作面及其上覆岩层的厚度以及工作面开采方式，根据煤岩层强度特征以及节理特征确定各层合理参数。在不影响模拟正常运行的情况下，对模型进行简化，对煤岩层进行合理修正。

3.2 数值模拟分析

3.2.1 分层开采上覆地层变形破坏特征

对于研究分层开采因素的作用，模拟采用三个方案，方案一只开采顶分层，采高设置为2.8 m；方案二开采一、二分层，采高设置为2.8 m、3.0 m；方案三开采三分层，采高自上而下分别设置为2.8 m、3.0 m、3.0 m。

工作面推进至50 m 处，离层现象出现，上部岩层裂缝高度为25.8 m，如图9（a）～9（b）所示。随着工作面推进，裂缝带增大。当工作面开采至100 m 时，煤层覆岩发生整体下沉，离层现象消失，工作面上方产生的裂缝穿过中砂岩进入氧化带岩层，长度达到最大值且不再增加。因此，采用方案一的方式开采时，垮落带高度最大发育至煤层上方大约12.5 m 处，垮采比为4.48；裂隙带最大发育至煤层上方37.8 m 处，裂采比为13.5。

图9 分层开采上覆地层破坏图（m）

根据同一方法对该模拟结果进行分析，得到以下结果：开采两个分层的情况下，垮落带最大发育至煤层上方15.8 m 处，垮采比为2.72；开采三个分层的情况下，垮落带最大发育至煤层上方17.0 m，垮采比为1.93。这两种情况下的开采结果说明，开采两个以及三个分层的情况下相比较于仅开采顶分层，导水裂缝带明显增大，裂隙带进入到上部松散层中，随着开采过程的进行，进入松散层底部砂岩层的裂缝逐渐被压实、闭合。

3.2.2 网下综放开采上覆地层移动变形破坏特征

模拟采高2.8 m，采用预采顶分层网下综放的回采工艺进行模拟，网下综放采厚6.0 m。从图10（a）可以看出，顶板岩层开始断裂，顶板岩层断裂位置在垮落带标记线附近，并且垮落现象比较明显，垮落带高度增加，垮落带高度最大发育至煤层上方大约27.5 m 处，垮采比约3.12。与只开采顶分层时的裂隙带最大高度比较，裂隙带高度开始增加，裂隙带进入松散层底部砂岩层。随着工作面继续推进，当工作面开采至60 m 时，垮落带高度发育距离煤层最远，裂隙带高度增加，增加至发育至工作面采空区两端煤壁上方，且均进入松散层底部砂岩层，如图10（b）所示。随着工作面的推进，在上覆岩层运动的影响下，并且在煤层覆岩自重应力的作用下，位于采空区中部位置上方的裂隙带被压实。由此可以看出，当松散层底部为砂层时，裂隙带发育形态呈“马鞍型”。

图10 网下综放开采上覆地层破坏图

3.2.3 综放开采上覆地层移动变形破坏特征

此时中砂岩与泥岩显现出分层，并且分层现象逐渐明显，底部的中砂岩垮断，裂隙带逐渐蔓延，涉及到松散层底部砂岩层内。此时，采矿产生的矸石充填到采空区，采空区得到充填和加固，采空区被填满且压实。随着工作面的推进，中砂岩层在矸石支撑的条件下，中砂岩层出现断裂弯曲现象，而后开始逐渐稳定，推断出垮落带高度最大发育至煤层上方大约34.0 m 处，垮采比约为3.86。处于拉压应力区的裂缝带岩层的裂隙带高度最大，由于泥岩遇水崩解，并且受到上覆岩层的重力作用，松散层底部砂岩层内的裂缝将逐渐被压实、闭合，如图11（a）～（b）。

图11 综放开采上覆地层破坏图（m）

4 结论

1）在采高为2.8 m 的情况下，采用顶分层开采，垮落带高度最大发育至煤层上方大约12.5 m 处，垮采比为4.48，裂隙带最大发育至煤层上方大约37.8 m 处，裂采比为13.5；两分层开采垮落带高度最大发育至煤层上方大约15.8 m 处，垮采比为2.72；三分层开采垮落带高度最大发育至煤层上方大约17.0 m 处，垮采比为1.93。

2）网下综放开采时，垮落带高度最大发育至煤层上方大约27.5 m 处，垮采比约3.12。

3）综放开采时，垮落带高度最大发育至煤层上方大约34.0 m 处，垮采比约为3.86。