复合煤层多组工作面开采条件下覆岩破坏规律研究

汪传吉

（陕西陕煤曹家滩矿业有限公司）

相较于单一煤层开采，复合煤层开采过程中的重复扰动作用将会导致覆岩结构发生剧烈运动。其矿压显现规律与覆岩“三带”发育规律均存在显著差异［1-3］。下行开采过程中，将会二次激化上组煤采空区的应力平衡状态，裂隙带将会进一步扩展［4］。

为探明覆岩运移与破断规律，许家林等［5］通过相似模拟试验，理论分析了复合煤层下行开采时关键层破断与来压规律，表明切眼距保护煤柱的距离对矿压显现具有重要影响。孙力等［6］对煤层群下行开采进行研究，表明覆岩最大下沉点在采空区后方。高彬等［7］运用数值模拟方法分析了上工作面过下工作面切眼时的应力分布规律，表明液压支架阻力未异常增大的原因是组间顶板存在短暂愈合期。为此，以陕西某矿复合煤层开采为例，对双组工作面开采情况下覆岩破坏与裂隙场发育规律进行研究。

1 数值模拟方案

由于矿井地表以黄土塬地形居多，部分工作面存在过沟开采情况，复合煤层开采导水裂隙带存在波及沟谷区域地表的可能，模型建立中考虑了地表沟谷发育形态，双组工作面模拟中1个工作面地表对应凹陷型沟谷，地面坡度大、黄土厚度小，另一个工作面地表对应凸出型沟谷，黄土覆盖厚度大、地表坡度较小。

模型设计如图1 所示，模型的外形尺寸为800 m×550 m×600 m（长×宽×高），据此分析双组工作面（12 煤12101-1 工作面、12101-2 工作面，22 煤22101-1工作面、22101-2工作面）煤层群复合开采过程中的覆岩变化特征及其两带发育规律。其中12101-1 与12101-2 工作面走向长600 m，斜长160 m，采厚3 m；22101-1 与22101-2 工作面走向长600 m，斜长160 m，采厚12 m。

3DEC 数值模拟建模时，开挖过程中以6 m/次的进尺进行煤层回采，尽可能保证接近实际开采情况，模型的开挖顺序与实际回采顺序相同，顺序为①12101-1 工作面、②12101-2 工作面、③22101-1 工作面、④22101-2 工作面。模型累计模拟岩层15 层，模型上表面的边界模拟地表，仅设置重力条件。模型其余边界设置允许的变形0.2 m。模型的地下模拟以陕西某矿12 煤及22 煤复合煤层开采为基础条件，煤岩综合柱状分布统计如表1所示。

2 双组工作面复合煤层开采模拟

根据三维模型以及工作面开采中部位置剖面（X方向的150 m处、Y方向的采空区中部位置）内部模型为例，做出切片处的工作面采后覆岩运移场、裂隙场分布特征，以此分析12 煤12101-1、12101-2 工作面与22 煤22101-1、22101-2 工作面回采过程中的覆岩运移场、裂隙场演化规律，如图2、图3所示。

12101-1工作面回采60 m后，工作面顶板产生弯曲变形，发生明显的垮落现象，裂隙带发育的最大高度为13.03m；工作面开采120 m 后，采空区顶板中部区域产生明显破坏，上部覆岩形成弯曲变形明显，裂隙带发育的最大高度为35.09 m；在工作面回采300m后，覆岩破坏范围增大，导水裂隙带继续向上发育，裂隙带呈现出类马鞍状的裂隙带形态，隙带发育的最大高度为88.92 m，垮落高度达到11.75 m；工作面推采至400 m 后，导水裂隙带发育高度基本保持稳定，最大高度为83.77～89.29 m，垮落带高度17.42～18.68 m。

12101-2工作面回采60 m后，裂隙带发育的最大高度为13.43 m；工作面开采120 m 后，上部覆岩形成弯曲变形明显，裂隙带发育的最大高度为36.18 m。工作面开采至180 m 的裂隙带发育高度为68.35 m，垮落高度达到8.85 m；在12101-2 工作面回采300 m后，裂隙带发育的最大高度为87.72 m，垮落高度达到14.08 m；工作面推采至400 m 后，导水裂隙带发育高度基本保持稳定，裂隙带发育的最大高度为88.59～92.04 m，垮落带高度19.14～20.21 m。

22101-1工作面回采60 m后，从三维模型内部可以看出，裂隙带发育的最大高度为38.17 m；工作面开采120 m 后，裂隙带发育的最大高度为140.77 m。工作面开采至180 m 的裂隙带发育高度为198.24 m，垮落高度达到55.26 m；在工作面回采300 m 后，覆岩破坏范围增大，导水裂隙带继续向上发育，裂隙带呈现出类马鞍状的裂隙带形态，裂隙带发育的最大高度为271.15 m，垮落高度达到61.89 m；工作面推采至400 m 后，导水裂隙带发育高度随推进增大幅度很小，发育的最大高度为340.67～358.32 m，垮落带高度63.05～63.52 m。

22101-2工作面回采60 m后，裂隙带发育的最大高度为36.82 m；工作面开采120 m 后，采空区顶板中部区域产生明显破坏，上部覆岩形成弯曲变形明显，且采空区中部的覆岩运移变化明显大于两端的特征，裂隙带发育的最大高度为131.15 m。在工作面回采300 m 后，覆岩破坏范围增大，导水裂隙带继续向上发育，裂隙带呈现出类马鞍状的裂隙带形态，裂隙带发育的最大高度为261.58 m，垮落高度达到59.83 m；工作面推采至400 m后，导水裂隙带发育最大高度为341.24～347.76 m，垮落带高度60.77～61.35 m，裂隙带高度约为上组煤层开采时的3.5倍。

3 覆岩导水裂隙带发育规律分析

绘制垮落带、裂隙带随工作面推进的变化曲线，如图4 所示。对12 煤开挖过程中的裂隙带及垮落带发育规律进行分析。垮落带随着工作面推进逐渐增大，在推采至300 m 以后其发育高度趋于稳定，回采完成后垮落带高度为38～41 m，工作面推采的前300 m 导水裂隙带发育高度逐渐增大，在300 m 以后导水裂隙带充分发育，基本不再随着推采逐渐增大，回采结束后导水裂隙带发育高度为183～189 m。

但由于上组煤开采已经形成了垮落带，所以22煤采动垮落带增长速率较快，在推采至240 m 以后其发育高度趋于稳定，回采完成后垮落带高度为61～64 m，工作面推采的前400 m 导水裂隙带发育高度逐渐增大，在400 m 以后导水裂隙带充分发育，基本不再随着推采逐渐增大，回采结束后导水裂隙带发育高度为268～293 m。

根据上文分析可知，下组煤开采时垮落带相较于裂隙带会更快地达到稳定状态，原因是下组煤的直接顶板受到重复采动的影响，岩层离散型和破碎程度较高，因此，在回采垮落时，岩层间的破断与摩擦挤压作用时间较短。相应地，下组煤开采以后形成的复合煤层采空区将会引起深部覆岩破断，破坏范围急剧扩展，所以相较于上组煤开采时裂隙带会更慢达到稳定状态。

4 地表下沉特征分析

模型回采结束后，主要分析上下组煤采后对于地表变形的影响程度及不同地形的地表变形量情况，明确地表水害防治的重点监测地形区域，为矿井埋深较浅区域地表水害防治提供参考依据。

如图5 所示，在12101-1 工作面开采结束时，地表明显下沉区域呈明显的“条带状”分布特征，地表最大下沉量达到2.59 m，凹陷型沟谷内亦存在明显的变形特征，发生明显变形的块体增多，局部变形量达到2.4 m。12101-2 工作面回采后，12101-1 采空区地表受相邻工作面的采动影响，变形量增加至约2.50 m。两工作面地表下沉区域呈明显的“条带状”分布特征，其地表最大下沉量达到2.50 m，凹陷型沟谷内亦存在明显的变形特征，发生明显变形的块体增多，局部变形量达到2.69 m。

如图6 所示，在22101-2 工作面开采结束时，两工作面地表下沉区域均呈明显“条带状”分布特征，22101-1 工作面原地表最大下沉量达到9.61 m，受22101-2工作面采动影响，增大至10 m左右；22101-2工作面开采结束的地表最大下沉量达到11.26 m，凸出型沟谷内亦存在明显的变形特征，发生明显变形的块体增多，其变形量普遍达到5.0 m；地表黄土层的垂直应力普遍较小，此时黄土层下部区域的最大应力为12.19 MPa。

综上所述，12 煤层厚度较小，以综采为主，覆岩破坏程度有限，煤层开采可能造成地表裂隙发育，但并不是导水裂隙带直接波及地表，12 煤开采时防治水重点区域在于沟谷中心及其凹陷型沟谷处；22 煤厚度大，在复合煤层开采区域其累计采厚较大，对地表变形影响严重，对比导水裂隙带发育高度，地表沟谷区域可能直接受导水裂隙带波及，复合煤层开采的地表水重点防治区域在于沟谷中心及凸出型沟谷一侧。

5 结语

（1）以陕西某矿12 煤及22 煤复合煤层开采为基础条件，运用3DEC 软件建立双组工作面复合煤层模型，复现了垂直方向全尺度的地质模型，包括底边的沟谷型黄土层。

（2）对双工作面开采条件下的覆岩运移场、裂隙场演化规律进行计算分析，开采120 m 后，采空区顶板中部区域产生明显破坏，工作面回采300 m 后，裂隙带呈现出类马鞍状的裂隙带形态，400 m 后导水裂隙带发育高度基本保持稳定。

（3）下组煤开采时岩层离散性更高，岩石间的挤压摩擦作用力更小，垮落带会更快达到稳定状态，裂隙带高度是上组煤层开采时的3.5 倍，相较于上组煤开采时裂隙带会更慢达到稳定状态，导致沟谷型地表下沉区域均呈明显“条带状”分布特征，易使沟谷中心及凸出型沟谷一侧承受水害影响。