師修昌 孟召平 楊 圣 張紀(jì)星

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院，北京100083;2.貴州有色地質(zhì)工程勘察公司，貴州省 貴陽(yáng)550005)

神東礦區(qū)位于我國(guó)西部晉陜蒙接壤地帶，是我國(guó)最主要的煤炭生產(chǎn)基地之一，探明煤炭?jī)?chǔ)量為2 236億t，約占全國(guó)總探明煤炭?jī)?chǔ)量的30%，含煤地層為中、下侏羅統(tǒng)延安組，煤炭資源賦存具有可采煤層數(shù)目多、埋藏淺、基巖薄、上覆厚松散沙層等特點(diǎn)［1］。淺埋煤層長(zhǎng)壁開采引起地面塌陷、含水層的水資源疏漏和生態(tài)環(huán)境惡化等一系列礦山環(huán)境地質(zhì)負(fù)效應(yīng)［2］。近年來，神東礦區(qū)隨著各礦井年產(chǎn)量逐漸增加及開采強(qiáng)度不斷加大，淺部煤層開采殆盡，有些煤礦的開采是在已采煤層之下再行開采，這就形成多煤層開采問題，引起地下水繼續(xù)向下滲漏和地表二次塌陷。研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于近距離煤層重復(fù)開采，下部煤層采動(dòng)覆巖破壞會(huì)波及上采空區(qū)覆巖甚至地表，工作面出現(xiàn)劇烈來壓、涌水潰沙等工程問題［3］。然而，對(duì)于一些遠(yuǎn)距離煤層開采覆巖變形破壞及重復(fù)采動(dòng)影響特征還沒有系統(tǒng)研究，如大柳塔煤礦一水平2－2煤層大部分采完，計(jì)劃開采二水平5－2煤層，煤層間距平均約150 m。因此，本研究采用物理模擬和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對(duì)大柳塔煤礦2 個(gè)主采煤層采動(dòng)覆巖垮落、裂隙發(fā)育及地面沉陷規(guī)律進(jìn)行系統(tǒng)研究，對(duì)工作面安全開采設(shè)計(jì)、控制地表沉陷災(zāi)害及水資源保護(hù)具有重要理論與實(shí)際意義。

1 研究區(qū)地質(zhì)背景

大柳塔煤礦是神東煤炭集團(tuán)所屬的一座特大型現(xiàn)代化礦井，地處西北內(nèi)陸干旱半干旱地區(qū)的毛烏素沙漠東南緣，井田內(nèi)煤炭資源賦存條件較好，煤層埋藏淺且以中厚—厚煤層為主，含煤地層傾角平緩，適合機(jī)械化長(zhǎng)壁式大規(guī)模開發(fā)。延安組內(nèi)有可采煤層9 層，主要可采煤層2 層(2－2煤，5－2煤)。煤層上覆基巖主要由粉砂巖、砂巖和泥巖組成，多屬于中等冒落型頂板，根據(jù)鉆孔資料統(tǒng)計(jì)，2－2煤層埋深為30.6～133.3 m，淺埋深、薄基巖在分布面積上所占比例較大;5－2煤層埋深為162.9 ～280.0 m，屬于中等埋深煤層，其與2－2煤層間巖層厚度為126.6 ～168.6 m。目前1－2煤和2－2煤大部分采完，計(jì)劃開采5－2煤。井田兩面臨近地表河谷，地表水主要為烏蘭木倫河和勃牛川河;主要地下含水層為第四系松散含水層和中侏羅統(tǒng)裂隙潛水含水層，是地表植被賴以生存和人民生活用水的寶貴水源。

根據(jù)大柳塔礦鉆孔資料，選擇有代表意義J60#鉆孔區(qū)域地層作為相似模擬試驗(yàn)的地質(zhì)原型，對(duì)巖層分層特性作了合并均勻化處理，建立反映煤層頂?shù)装鍡l件的工程地質(zhì)模型。

2 相似模擬研究

2.1 相似模擬試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用相似材料模擬試驗(yàn)，研究大柳塔煤礦多煤層開采后巖體應(yīng)力與位移變化規(guī)律及頂板巖層冒裂帶高度。制作模型的相似材料選用細(xì)砂、碳酸鈣、石膏及水，并進(jìn)行相似材料配比以達(dá)到力學(xué)相似要求(見表1)，模型鋪設(shè)時(shí)撒云母粉作為分層弱面。平面模型架尺寸為4.2 m ×0.25 m ×2.0 m(長(zhǎng)×寬×高)，模型幾何、時(shí)間、容重和泊松比相似常數(shù)按試驗(yàn)要求選擇，應(yīng)力及強(qiáng)度相似常數(shù)根據(jù)相似定理進(jìn)行確定，本次試驗(yàn)選取的相似常數(shù):幾何相似比αl=1∶ 150，容重比αγ=1∶ 1.5，強(qiáng)度及應(yīng)力比ασ=αl*αγ=1∶225，時(shí)間比

試驗(yàn)過程中，模型兩邊各留75 cm 的邊界，以消除邊界效應(yīng)。模型中2－2煤采高2.8 cm，5－2煤采高4.4 cm，模型中煤層每次開挖5 cm，通過在相似模型內(nèi)部布置位移基點(diǎn)和應(yīng)力傳感器，記錄煤層回采過程中上覆巖層移動(dòng)變形與應(yīng)力變化等。

表1 原型與模型材料參數(shù)及配比Table 1 Mixing ratios and parameters of prototype and model materials

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

(1)采動(dòng)覆巖垮落與裂隙發(fā)育。試驗(yàn)結(jié)果表明，2－2煤工作面推進(jìn)45 m(以下尺寸均為原型值)時(shí)老頂初次垮落，周期來壓平均步距為15 m，主關(guān)鍵層破斷前頂板垮落表現(xiàn)為普通工作面來壓特征，此階段覆巖未發(fā)生整體性垮落。當(dāng)煤層開采145 m 時(shí)，強(qiáng)度較高的粉砂巖(主關(guān)鍵層)破斷，采動(dòng)裂隙導(dǎo)通貫穿上覆基巖。此后工作面推進(jìn)過程中，頂板巖層沿煤壁全厚切落，直接波及地表，周期形成近似平行的貫通基巖裂隙，裂隙發(fā)育情況見圖1。2－2煤覆巖采動(dòng)變形破壞已不存在傳統(tǒng)的“三帶”，而呈“兩帶”結(jié)構(gòu):冒落帶高度11.7 m，約為采高的2.8 倍;裂隙帶直達(dá)地表，達(dá)到80.8 m 高度，包括采動(dòng)覆巖垮落上行裂隙和地表拉伸下行裂隙。

圖1 2 －2煤開采225 m 時(shí)頂板破壞情況Fig.1 Failure states of coal roof 2 －2 at 225 m

采動(dòng)覆巖裂隙貫穿上覆基巖直達(dá)地表，裂隙發(fā)育區(qū)域形成上覆含水層水體的優(yōu)勢(shì)滲流通道，為定量描述采動(dòng)裂隙的發(fā)育程度和分布特征，以裂隙密度(條/m)表示裂隙的發(fā)展過程，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪出破斷裂隙密度沿走向的發(fā)展過程(見圖2)。

圖2 覆巖破斷裂隙密度沿走向分布規(guī)律Fig.2 Distribution law of overburden broken fissures density along the direction of the working face

從圖2 可以看出覆巖破斷裂隙沿走向的發(fā)生、發(fā)展分為3 個(gè)階段:①開切眼到頂板初次來壓前(距切眼0 ～45 m)，在此階段，采動(dòng)作用破壞了頂板巖層原巖應(yīng)力狀態(tài)，開始由彈性變形向塑性變形、破壞發(fā)展，破斷裂隙開始發(fā)育，頂板初次來壓時(shí)裂隙密度達(dá)到最大;②頂板初次來壓后周期性礦壓顯現(xiàn)的正?；夭善冢S上覆巖層不斷垮落，破斷裂隙向較高層位發(fā)展，同時(shí)由于采空區(qū)垮落巖塊被重新壓實(shí)，破斷裂隙密度迅速減小;③工作面附近，頂板巖層垮落不充分，覆巖破斷裂隙分布的密度較大。因此，在走向方向上，覆巖采動(dòng)裂隙發(fā)育特征為在采空區(qū)中部形成裂隙壓實(shí)閉合區(qū)，采空區(qū)兩側(cè)形成裂隙貫通發(fā)育區(qū)。

繼2－2煤開采后，再回采5－2煤層，隨著工作面推進(jìn)，直接頂巖梁兩端及巖梁中下部首先出現(xiàn)拉破壞，隨著推進(jìn)距離的增大，直接頂初次垮落，工作面推進(jìn)至60 m 時(shí)，老頂初次來壓，與上部未垮落巖層形成較大的離層裂縫(圖3(a));此后隨著工作面推進(jìn)，老頂周期性發(fā)生破斷，平均斷裂步距約為20 m。同時(shí)，隨著采空區(qū)面積的擴(kuò)大，頂板巖層斷裂帶高度增大，最大離層裂縫也隨之升高，但離層裂縫量逐漸減小。當(dāng)工作面推進(jìn)300 m 時(shí)，開切眼和工作面上方的覆巖破斷裂隙率先貫通中間巖層，連通2－2煤采空區(qū)(圖3(b));而5－2煤采空區(qū)中部覆巖破斷裂隙發(fā)育高度較斷裂帶邊界要低，離層裂縫在自重應(yīng)力及上覆荷載的作用下逐漸閉合。

從圖4 中可以看出，5－2煤的整個(gè)采動(dòng)影響區(qū)形態(tài)大致以采區(qū)垂向中心線對(duì)稱，大部分?jǐn)嗔寻l(fā)生在采空區(qū)邊緣的上方，呈雁行排列，形成梯形斷裂，冒裂帶高度表現(xiàn)為兩邊高中間低，其分布形態(tài)呈馬鞍形。5－2煤長(zhǎng)壁采區(qū)邊緣冒裂帶達(dá)148 m，發(fā)育至2－2煤采空區(qū)內(nèi)部與之連通，最大裂采比＞22.4。大量現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)表明［4-6］，神東礦區(qū)侏羅系煤層開采導(dǎo)水裂隙帶高度發(fā)育異常，裂采比達(dá)24 ～30，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了模擬結(jié)果的正確性。顯然，大柳塔礦各煤層一旦開采，其覆巖采動(dòng)裂隙帶將連通不同開采水平的采空區(qū)及含水層，形成工作面涌水的直接通道，引發(fā)工作面涌水量增加，甚至?xí)l(fā)突水。

圖3 不同開采距離時(shí)5 －2煤層頂板破壞情況Fig.3 Failure states of coal roof 5 －2 under different extraction distances

圖4 煤層開采結(jié)束后覆巖破壞情況Fig.4 Overburden failure states when the end of coal extraction

(2)采空區(qū)地表移動(dòng)變形規(guī)律。地表產(chǎn)生垂直和水平位移是煤層開采后，其上覆巖層的移動(dòng)變形自下而上逐步傳遞到地表的結(jié)果。2－2煤開采結(jié)束后，地表下沉曲線的形態(tài)呈盆狀分布，最大下沉量為2.25 m，其位置大致位于采空區(qū)中央之正上方。5－2煤開采結(jié)束后，地表下沉曲線由平緩變?yōu)榘枷轄?，下沉值明顯增大，最大下沉值為5.46 m(圖5(a))。

地表移動(dòng)盆地內(nèi)各點(diǎn)的水平移動(dòng)方向都指向采空區(qū)中心。水平移動(dòng)曲線分為2 個(gè)區(qū)段:開切眼至最大下沉點(diǎn)為正水平移動(dòng)區(qū)，挺采線至最大下沉點(diǎn)為負(fù)水平移動(dòng)區(qū)，有正方向和負(fù)方向2 個(gè)極值。2－2煤開采結(jié)束后，地表的最大正、負(fù)水平位移分別為+18.1 cm(120 m 處)、－17.3 cm(360 m 處);5－2煤開采結(jié)束后，地表的最大正、負(fù)水平位移分別為+ 38.1 cm(120 m 處)、－36.3 cmm(360 m 處)，見圖5(b)。

圖5 模型開挖后地表垂直和水平位移Fig.5 Vertical displacement and horizontal displacement of surface after model excavated

5－2煤重復(fù)開采后，地表移動(dòng)盆地范圍擴(kuò)大，地表下沉和水平移動(dòng)也明顯增大，表明5－2煤長(zhǎng)壁開采對(duì)上部采空區(qū)覆巖及地表造成了較大的擾動(dòng)。地表移動(dòng)變形加劇的原因分析認(rèn)為:5－2煤采動(dòng)時(shí)，由于2－2煤采空區(qū)覆巖已經(jīng)經(jīng)歷過冒落、彎曲、離層和下沉等移動(dòng)變形，巖層的原始結(jié)構(gòu)遭到破壞，巖層強(qiáng)度減弱，其移動(dòng)變形依附于下伏巖層，當(dāng)5－2煤采動(dòng)上覆巖層移動(dòng)變形向上傳遞至頂部時(shí)，2－2煤覆巖就隨之再次發(fā)生移動(dòng)變形;2－2煤采空區(qū)覆巖內(nèi)的空隙、離層裂縫在重復(fù)采動(dòng)的作用下逐漸閉合而變成現(xiàn)實(shí)的下沉，從而加劇了巖層和地表的移動(dòng)與變形。同時(shí)，重復(fù)采動(dòng)時(shí)，2－2煤冒裂帶巖體進(jìn)一步破碎，地表拉伸裂縫寬度和深度都有所增大。

3 數(shù)值模擬

3.1 計(jì)算模型建立

為了進(jìn)一步分析大柳塔遠(yuǎn)距離多煤層開采覆巖變形破壞及地面沉陷規(guī)律，對(duì)應(yīng)相似模型中煤巖層結(jié)構(gòu)和巖石力學(xué)參數(shù)，應(yīng)用FLAC3D軟件進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。根據(jù)工作面的實(shí)際開采條件，計(jì)算模型的大小確定為500 m×300 m×281.3 m(長(zhǎng)×寬×高)，模擬采用Coulomb－Mohr 力學(xué)模型，邊界條件確定如下:模型前后和左右四側(cè)施加水平方向的約束，即x 和y方向的水平位移為零，只允許邊界節(jié)點(diǎn)沿垂直方向移動(dòng);模型底部為固定邊界，即底部邊界節(jié)點(diǎn)水平位移、垂直位移均為零;模型頂部為自由邊界條件。模型共由102 000個(gè)單元和109 089個(gè)節(jié)點(diǎn)組成。

3.2 模擬結(jié)果分析

FLAC3D數(shù)值模擬的過程實(shí)行分布開挖，考慮邊界對(duì)采煤工作面開采的影響，模擬開挖部分左右、前后兩側(cè)都留50 m 的邊界保護(hù)煤柱。2－2煤設(shè)計(jì)采高4.2 m，工作面斜長(zhǎng)200 m，工作面推進(jìn)400 m。5－2煤開采考慮不同工況下的采動(dòng)影響:采高固定為6.6 m時(shí)，工作面斜長(zhǎng)分別為200 m、180 m、170 m、160 m、140 m;斜長(zhǎng)固定為180 m，采高分別為6.6 m、5.5 m、4.4 m、3.3 m。工作面每次推進(jìn)長(zhǎng)度為10 m，模擬過程中煤層開采將開挖范圍的實(shí)單元變成空單元。

(1)采動(dòng)覆巖主應(yīng)力分布。隨著工作面推進(jìn)，上覆巖層彎曲、斷裂、垮落，并伴隨出現(xiàn)拉壓應(yīng)力集中和壓應(yīng)力降低等應(yīng)力傳遞和釋放現(xiàn)象。采空區(qū)上方巖體受力狀態(tài)按最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力的大小、方向及性質(zhì)進(jìn)行分析，以5－2煤工作面上覆巖層為研究對(duì)象(見圖6)。

圖6 采動(dòng)覆巖內(nèi)主應(yīng)力分布Fig.6 Distribution of principal stress in overlying strata during coal extraction

雙向拉應(yīng)力區(qū):σ1＞0 ，σ3＞0 ，主要分布于采空區(qū)冒落帶巖層內(nèi)，當(dāng)拉應(yīng)力超過巖體極限抗拉強(qiáng)度時(shí)，巖層斷裂、垮落，應(yīng)力釋放轉(zhuǎn)移(a 區(qū));

拉壓應(yīng)力區(qū):σ1＞0 ，σ3＜0 ，分布在冒落帶外圍巖層及正曲率區(qū)巖層中，巖層所受某一方向的拉(壓)應(yīng)力高于抗拉(壓)強(qiáng)度而產(chǎn)生剪切裂隙、拉張裂隙(2a、2b 區(qū));

壓應(yīng)力區(qū):σ1＜0 ，σ3＜0 ，包括采空區(qū)正上方巖體壓應(yīng)力區(qū)(3a)、采區(qū)兩側(cè)煤柱頂板巖層支承壓力區(qū)(3b)以及未受采動(dòng)影響的原巖應(yīng)力區(qū)。采區(qū)上方巖體中最大主應(yīng)力σ1為順層方向，此區(qū)域巖層易產(chǎn)生離層裂隙;支承壓力區(qū)頂板中σ1為豎直方向，此區(qū)域應(yīng)力集中，易產(chǎn)生塑性變形和剪切破壞。

冒裂帶一般位于采動(dòng)覆巖雙向拉應(yīng)力區(qū)和拉壓應(yīng)力區(qū)，其破壞形式以拉張破壞和剪切破壞為主，主應(yīng)力的大小和巖體性質(zhì)控制著冒裂帶的發(fā)育高度，采動(dòng)裂隙的張開度、密度和貫通性。

(2)采動(dòng)引起地表下沉計(jì)算。數(shù)值計(jì)算了5－2煤不同工作面斜長(zhǎng)和采厚條件下采動(dòng)引起的地表下沉值，并與2－2煤開采地表下沉作對(duì)比。比較不同工作面斜長(zhǎng)條件下的地表下沉曲線(見圖7)，從圖可以看出，從工作面斜長(zhǎng)140 ～200 m 的5 種模型中，地表最大下沉值分別為3.48 m、3.89 m、4.20 m、4.50 m、5.20 m，地表下沉值隨著5－2煤工作面斜長(zhǎng)的減小而降低，即采用短壁開采可以減小地面沉陷。

圖7 不同工作面斜長(zhǎng)地表下沉曲線Fig.7 Surface subsidence curve at different mining widths

比較5－2煤不同采厚條件下的地表下沉曲線(見圖8)，工作面斜長(zhǎng)180 m 條件下采厚3.3 ～6.6 m 的4 種模型中，地表最大下沉值分別為3.09 m、3.52 m、4.02 m、4.51 m，地表下沉值隨著采厚的減小而降低，即采用限高開采可以有效減小地表下沉。

圖8 不同采厚地表下沉曲線Fig.8 Surface subsidence curve at different mining height

在采煤方法一定的條件下，開采空間的大小決定著巖層與地表移動(dòng)變形。開采空間的大小主要由工作面斜長(zhǎng)及采厚來衡量，開采空間越大，工作面周圍的支承壓力越大，從而頂板的變形破壞越嚴(yán)重，冒裂帶發(fā)育就越高，地表沉陷越大。因此，在諸如有多煤層開采、突水危險(xiǎn)、地面塌陷嚴(yán)重的地區(qū)適當(dāng)?shù)販p小工作面斜長(zhǎng)或采厚可以防止災(zāi)害事故的發(fā)生。另外，不同的采煤方法對(duì)工作面覆巖冒裂帶發(fā)育起著控制作用，采用礦壓顯現(xiàn)不劇烈的采煤方法，可以減輕工作面頂板的破壞程度，尤其在大柳塔近水體下多煤層開采，采用短壁工作面開采、條帶開采或充填開采可以實(shí)現(xiàn)保水采煤。

4 結(jié) 論

(1)大柳塔淺部2－2煤覆巖關(guān)鍵承載層垮落后，頂板基巖會(huì)發(fā)生直達(dá)地表的整體切落現(xiàn)象，5－2煤一次采全高長(zhǎng)壁開采形成的冒落裂隙帶可連通2－2煤采空區(qū)，形成導(dǎo)水通道，容易引發(fā)工作面突水。

(2)覆巖采動(dòng)裂隙的發(fā)展有3 個(gè)階段:開切眼到老頂初次來壓前、頂板周期性來壓的正?；夭善?、回采工作面控頂期;裂隙分布在采空區(qū)中部形成裂隙壓實(shí)閉合區(qū)，采空區(qū)兩側(cè)形成裂隙貫通發(fā)育區(qū)。

(3)采空區(qū)上覆巖體依據(jù)主應(yīng)力分布可劃分為雙向拉應(yīng)力區(qū)、拉壓應(yīng)力區(qū)和壓應(yīng)力區(qū)3 個(gè)區(qū)，主應(yīng)力狀態(tài)對(duì)采動(dòng)裂隙的形成、發(fā)育起著控制作用;冒裂帶的破壞形式以拉張破壞和剪切破壞為主。

(4)采動(dòng)覆巖變形破壞不僅與頂板巖性有關(guān)，還受開采空間、采煤方法等因素控制，要減輕下部煤層對(duì)上部采空區(qū)覆巖及地表的擾動(dòng)，生產(chǎn)實(shí)踐中可采取選用合理采煤方法、減小工作面斜長(zhǎng)及采厚等措施，模擬試驗(yàn)結(jié)果對(duì)礦井安全生產(chǎn)具有一定的指導(dǎo)意義。

［1］ 王雙明.鄂爾多斯盆地聚煤規(guī)律及煤炭資源評(píng)價(jià)［M］. 北京:煤炭工業(yè)出版社，1996.

Wang Shuangming.Coal Accumulating and Coal Resource Evaluation of Ordos Basin［M］.Beijing:China Coal Industry Publishing House，1996.

［2］ 李遠(yuǎn)耀，唐朝暉，陳仁全.廣西合山煤田淺埋煤層采空區(qū)塌陷機(jī)理數(shù)值分析［J］.金屬礦山，2014(3):26-30.

Li Yuanyao，Tang Zhaohui，Chen Renquan. Numerical analysis on the mechanism of mining collapse in shallow seam of Heshan Coal Field，Guangxi［J］.Metal Mine，2014(3):26-30.

［3］ 屠世浩，竇鳳金，萬志軍，等. 淺埋房柱式采空區(qū)下近距離煤層綜采頂板控制技術(shù)［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2011，36(3):366-370.

Tu Shihao，Dou Fengjin，Wan Zhijun，et al.Strata control technology of the fully mechanized face in shallow coal seam close to the above room-and-pillar gob［J］. Journal of China Coal Society，2011，36(3):366-370.

［4］ 伊茂深，朱衛(wèi)兵，許李林，等. 補(bǔ)連塔煤礦四盤區(qū)頂板突水機(jī)理及防治［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2008，33(3):241-245.

Yi Maoshen，Zhu Weibing，Xu Lilin，et al. Water-inrush mechanism and prevention for fourth panel roof in Buliata Coal Mine［J］.Journal of China Coal Society，2008，33(3):241-245.

［5］ 初艷鵬.神東礦區(qū)超高導(dǎo)水裂隙帶研究［D］. 青島:山東科技大學(xué)，2011.

Chu Yanpeng. The Exploration of Ultra-high Water Flowing Fractured Zone in Shendong Mining Area［D］. Qingdao:Shandong University of Science and Technology，2011.

［6］ 楊榮明，陳長(zhǎng)華，宋佳林，等. 神東礦區(qū)覆巖破壞類型的探測(cè)研究［J］.煤礦安全，2013(1):25-27.

Yang Rongming，Chen Changhua，Song Jialin，et al. Detection study of overlying strata failure types in Shendong Mining Area［J］.Safety in Coal Mines，2013(1):25-27.