侯恩科， 張 萌， 孫學(xué)陽， 苗彥平， 楊 磊， 路 波

(1.西安科技大學(xué)地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，西安 710054； 2.陜西省煤炭綠色開發(fā)地質(zhì)保障重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710054；3.陜煤集團(tuán)神木紅柳林礦業(yè)有限公司，陜西榆林 719300)

0 引言

陜北侏羅紀(jì)煤田蘊(yùn)含豐富的優(yōu)質(zhì)煤炭資源，分布有陜北、神東兩個(gè)億噸級(jí)煤炭基地[1-2]。榆神府礦區(qū)是煤田內(nèi)一個(gè)重要的煤產(chǎn)地，其北部淺埋煤層區(qū)是目前主要的開采區(qū)域。隨著區(qū)內(nèi)煤炭資源的大規(guī)模開發(fā)利用，部分礦井首采煤層已逐漸回采完成，開始涉及多煤層回采[3-4]。由于上覆存在采空區(qū)使得淺埋煤層群開采導(dǎo)致的覆巖及地表移動(dòng)破壞比單一煤層開采更加復(fù)雜、多變，增加了工作面發(fā)生壓架、冒頂、切頂?shù)壬a(chǎn)事故的可能，致使工作面安全生產(chǎn)受到嚴(yán)重威脅[5-8]。

針對(duì)煤層群開采導(dǎo)致的覆巖及地表移動(dòng)破壞問題，眾多學(xué)者應(yīng)用相似材料模擬、數(shù)值模擬以及理論分析等方法進(jìn)行了不同程度的分析研究[9-11]，黃克軍等在物理相似模擬實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，通過分析頂板覆巖關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)，研究了多煤層重復(fù)采動(dòng)下對(duì)煤層頂板起主要控制作用的巖層[12]；黃慶享等采用物理模擬、理論分析以及實(shí)測(cè)驗(yàn)證的方法，以神府礦區(qū)淺埋煤層群開采為研究背景，綜合研究了淺埋煤層群開采的礦壓特征，在分析間采比的基礎(chǔ)上總結(jié)了基于巖層控制的淺埋煤層群科學(xué)分類[13]。李樹剛等通過研究煤層群開采的覆巖裂隙發(fā)育規(guī)律，分析得出覆巖采動(dòng)裂隙的5個(gè)動(dòng)態(tài)發(fā)育過程，建立了重復(fù)采動(dòng)下裂隙演化的橢拋帶數(shù)學(xué)模型[14]。程志恒等以近距離煤層群開采為對(duì)象，通過研究煤層圍巖應(yīng)力-裂隙演化特征，得出覆巖裂隙發(fā)育程度比單煤層開采顯著升高，基巖破壞裂隙頻數(shù)呈臺(tái)階式增長的變化規(guī)律[15]。胡浩等人基于FLAC3D數(shù)值模擬軟件分析了煤層群開采下的導(dǎo)水裂隙帶高度與采厚、推采長度的關(guān)系[16]。鄭英建以極近距離下多煤層開采為研究背景，在數(shù)值模擬和理論分析的基礎(chǔ)上，研究了工作面采場(chǎng)頂板破斷規(guī)律[17]。柳昭星針對(duì)近距離煤層重復(fù)采動(dòng)的“兩帶”發(fā)育規(guī)律，在理論分析的基礎(chǔ)上運(yùn)用數(shù)值模擬計(jì)算得出煤層間距對(duì)“兩帶”發(fā)育高度的影響[18]。

以上研究成果為進(jìn)一步研究淺埋近距離煤層群開采覆巖及地表移動(dòng)破壞奠定了基礎(chǔ)。但由于開采地質(zhì)條件、采煤工藝以及開采煤層數(shù)的差異，仍需對(duì)淺埋近距離煤層群開采誘發(fā)的覆巖及地表移動(dòng)破壞進(jìn)行更深入的探索和研究。本文以榆神府礦區(qū)紅柳林煤礦為例，采用相似材料模擬、數(shù)值模擬以及綜合分析方法，對(duì)淺埋近距離煤層群開采覆巖及地表移動(dòng)破壞規(guī)律進(jìn)行研究，為該煤礦的安全高效開采提供科學(xué)指導(dǎo)。

1 研究區(qū)概況

紅柳林煤礦位于陜北黃土高原北部，毛烏素沙漠南緣，地勢(shì)開闊，黃土沖溝發(fā)育，目前計(jì)劃開采中西部煤層，主要為波狀沙丘地，煤層埋藏淺，含煤地層傾角平緩，以中厚—厚煤層為主。根據(jù)鉆孔資料統(tǒng)計(jì)，2-2煤層可采厚度1.95～10.60m，埋深約90m；3-1煤層可采厚度0.80～3.42m，埋深約126.4m，與2-2煤層間距平均36.4m；4-2煤層可采厚度0.80～6.15m，埋深約169m，與3-1煤層間距平均42.6m。煤層上覆基巖主要由砂巖和泥巖組成，其上松散層厚度平均約63.75m(圖1)。

圖1 紅柳林煤礦地層柱狀圖

2 相似材料模擬實(shí)驗(yàn)

2.1 相似模擬試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)紅柳林礦鉆孔資料的巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)參數(shù)，對(duì)巖層合并優(yōu)化處理，建立相似比為1∶150的工程地質(zhì)模型，所建模型尺寸長×高×寬為200cm×80cm×20cm。試驗(yàn)各巖(煤)層采用河砂、粉煤灰、黏土、云母(兼做分層材料)為骨料，石膏、大白粉為膠結(jié)材料，水、甘油和凡士林為潤濕材料(表1)。2-2煤層采高為3.44m，3-1煤層采高為3.05m，4-2煤層采高為3.56m，先開采上部2-2煤層，當(dāng)上層2-2煤層開采到距模型右邊界50cm處時(shí)，上煤層結(jié)束開采。下部煤層采用錯(cuò)距方式開采，3-1煤層從距模型左邊界30cm處掘出開切眼，由開切眼處向模型右側(cè)模擬開挖煤層，當(dāng)3-1煤層工作面開采至距模型右邊70cm處時(shí)，結(jié)束開采。4-2煤層從距模型左邊界50cm處掘出開切眼，由開切眼處向模型右側(cè)模擬開挖煤層，當(dāng)4-2煤層工作面開采至距模型右邊50cm處時(shí)，結(jié)束開采。鋪裝好的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D2所示。

圖2 相似模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

表1 相似模擬試驗(yàn)材料配比及鋪裝順序

為了研究工作面回采過程中覆巖的破壞特征及移動(dòng)變形規(guī)律，在鋪裝好的模型上布置了5條觀測(cè)線A-E。測(cè)點(diǎn)水平間距100mm。實(shí)驗(yàn)?zāi)M開挖過程中，每當(dāng)巖層破斷、上覆巖層有明顯下沉及工作面回采完畢時(shí)，均用PENTAX R-322NX型光學(xué)全站儀對(duì)各條測(cè)線上的測(cè)點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)，并計(jì)算覆巖的下沉值。

2.2 多煤層開采覆巖垮落及裂隙發(fā)育規(guī)律

2.2.1 2-2煤層

1)覆巖垮落規(guī)律。當(dāng)2-2煤層推進(jìn)60m時(shí)，頂板巖層初次垮落，垮落高度約9m，切眼處覆巖垮落角為52°，如圖3所示。隨著2-2煤層不斷回采，上覆巖層共發(fā)生13次周期性垮落，周期性垮落步距13～17m，平均為15m。

(a)開挖60m (b)開挖112.5m

2)裂隙發(fā)育規(guī)律。回采邊界位置的豎向裂隙和采空區(qū)上方的離層裂隙是回采過程中出現(xiàn)的主要裂隙。其中，低位離層裂隙會(huì)在高位巖層彎曲下沉的作用下發(fā)生閉合。

2.2.2 2-2煤層、3-1煤層

1)覆巖垮落規(guī)律。當(dāng)3-1煤層推進(jìn)45m時(shí)，煤層上覆頂板的巖層發(fā)生冒落，出現(xiàn)了初次來壓，冒落高度累計(jì)4.5m，為采高1.5倍，切眼處覆巖垮落角為47°，如圖4(a)所示。隨著3-1煤層不斷回采，上覆巖層共發(fā)生13次周期性垮落，周期性垮落步距14～16m，平均為15m。

2)裂隙發(fā)育規(guī)律。當(dāng)工作面推進(jìn)75m時(shí)，開切眼側(cè)的覆巖破斷裂隙先貫通2-2煤層采空區(qū)(圖4(b))，3-1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，離層裂隙在自重應(yīng)力及上覆荷載的作用下逐漸閉合。

(a)工作面推進(jìn)45m (b)工作面推進(jìn)75m

2.2.3 2-2煤層、3-1煤層、4-2煤層

1)覆巖垮落規(guī)律。當(dāng)4-2煤層推進(jìn)75m時(shí)，頂板有3層巖層發(fā)生垮落，冒落高度累計(jì)為9m，為采高2.5倍，煤層頂板上方15m處出現(xiàn)離層，裂隙帶高度為15m，如圖5(a)所示。此時(shí)煤層開采出現(xiàn)初次來壓，初次來壓步距約為75m。切眼處覆巖垮落角為64°，當(dāng)4-2煤層推進(jìn)90m時(shí)， 覆巖冒落帶高度保持不變，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育至3-1煤層底板位置。隨著4-2煤層不斷回采，共發(fā)生14次周期性垮落，周期性垮落步距13～15m，平均為14m。

(a)工作面推進(jìn)75m (b)工作面推進(jìn)90m

2)裂隙發(fā)育規(guī)律。隨著下部煤層的回采，在上層已開采的工作面上方覆巖新發(fā)育的裂隙，由于覆巖下沉產(chǎn)生擠壓逐漸閉合。紅土層內(nèi)部的裂隙也逐漸彌合。由于多層煤層的開采，在開采邊界左右兩側(cè)上部產(chǎn)生較為明顯的下行裂隙。

整體覆巖破壞形態(tài)大致呈現(xiàn)以采空區(qū)垂向中心線為對(duì)稱的梯形，覆巖的破斷及垮落主要集中在工作面回采的兩側(cè)及上方。

2.3 導(dǎo)水裂隙帶高度分析

1)2-2煤。2-2煤工作面推進(jìn)距離達(dá)到60m時(shí)，礦壓逐漸顯現(xiàn)，此時(shí)覆巖的破壞高度僅為9m；煤層推進(jìn)距離到112.5m之前，導(dǎo)水裂隙帶高度發(fā)育緩慢，最大高度為34m；工作面推進(jìn)至112.5m之后，導(dǎo)水裂隙帶高度增長速度略有增大，這是由于上覆巖層中強(qiáng)度較高的厚層中粒砂巖(主關(guān)鍵層)破斷，不再對(duì)裂隙帶的向上發(fā)育起到抑制作用，導(dǎo)水裂隙帶突破松散層發(fā)育至地表，為94.7m。裂采比大于27.5，之后隨著工作面推進(jìn)，冒裂帶發(fā)育高度均到達(dá)地表(圖6)。

距離/m

2)3-1煤。工作面推進(jìn)至45m時(shí)，發(fā)生初次來壓，此時(shí)垮落帶高度4.5m；隨著工作面不斷向前推進(jìn)，導(dǎo)水裂隙帶高度不斷增加，工作面推進(jìn)至75m時(shí)，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度為32m，發(fā)育至2-2煤層底板；之后隨著工作面繼續(xù)推進(jìn)，導(dǎo)水裂隙帶貫通2-2煤采空區(qū)覆巖裂隙，并發(fā)生突增，工作面推進(jìn)至195m時(shí)，導(dǎo)水裂隙帶高度突破地表達(dá)126m。

3)4-2煤。工作面推進(jìn)至75m時(shí)，發(fā)生初次來壓，此時(shí)導(dǎo)水裂隙帶高度為15m；隨著工作面不斷向前推進(jìn)，導(dǎo)水裂隙帶高度不斷增加，當(dāng)工作面推進(jìn)至90m時(shí)，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度至48m，發(fā)育至3-1煤層底板；隨后導(dǎo)水裂隙帶高度相繼貫通3-1煤、2-2煤采空區(qū)上部覆巖裂隙，導(dǎo)水裂隙帶高度為175m。

2.4 地表移動(dòng)及地表裂縫發(fā)育規(guī)律

2.4.1 地表移動(dòng)下沉規(guī)律

當(dāng)2-2煤開采結(jié)束時(shí)，地表走向方向達(dá)到充分采動(dòng)，由于煤層埋深較淺，導(dǎo)水裂隙帶貫穿地表。地表的下沉移動(dòng)曲線的形態(tài)呈現(xiàn)盆狀，整體發(fā)生下沉的大體位置位于開采工作面的正上方。由E測(cè)線知地表最大下沉值為2.3m，2-2煤開采厚度3.44m，下沉系數(shù)為0.66(圖7a)。

當(dāng)2-2、3-1煤開采結(jié)束時(shí)，地表走向方向達(dá)到充分采動(dòng)，地表曲線呈現(xiàn)為盆地形態(tài)。地表最大下沉值為5.29m，3-1煤開采厚度3.05m，2-2、3-1煤重復(fù)采動(dòng)的下沉系數(shù)為0.82。3-1煤的開采使得上覆巖層受到重復(fù)采動(dòng)的影響，導(dǎo)水裂隙帶貫穿2-2煤層采空區(qū)，整體覆巖破壞程度加重，下沉位移量增大(圖7b)。

圖7 煤層回采結(jié)束地表垂直位移

當(dāng)2-2、3-1、4-2煤開采結(jié)束時(shí)，地表走向方向達(dá)到充分采動(dòng)，地表曲線呈現(xiàn)為盆地形態(tài)，地表最大下沉值為8.74m。4-2煤開采厚度3.56m，2-2、3-1、4-2煤重復(fù)采動(dòng)的下沉系數(shù)為0.87。4-2煤的開采使得上覆巖層再次受重復(fù)采動(dòng)影響，裂隙帶貫穿3-1煤層采空區(qū)，下沉位移量增大。

綜合分析巖層移動(dòng)加劇認(rèn)為，2-2煤層開采結(jié)束后上覆巖層發(fā)生冒落、彎曲、離層以及下沉等變形破壞，使覆巖結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞，強(qiáng)度減弱，地層的移動(dòng)變形依附于下部巖層，隨著3-1、4-2煤層采動(dòng)導(dǎo)致的上覆巖層移動(dòng)變形向上發(fā)育至上部煤層底板處時(shí)，上覆巖層再次發(fā)生移動(dòng)變形，同時(shí)已開采煤層采空區(qū)覆巖的離層裂隙由于重復(fù)采動(dòng)作用發(fā)生閉合加劇了巖層的移動(dòng)變形，導(dǎo)致先前破斷的巖體發(fā)生進(jìn)一步的下沉(圖8)。

圖8 多煤層回采后下沉曲線

2.4.2 地表裂縫發(fā)育規(guī)律

本次實(shí)驗(yàn)共發(fā)育3條地表裂縫，皆貫通冒裂帶。2-2煤層開挖至300m時(shí)，發(fā)育①號(hào)地表裂縫，裂縫實(shí)際寬度0.6cm，深度4.5cm，貫穿模型寬度，距切眼處約76.5cm；3-1煤推采開挖至300m時(shí)，發(fā)育②號(hào)地表裂縫，裂縫實(shí)際寬度0.9cm，深度5cm，貫穿模型寬度，與①號(hào)地表裂縫實(shí)際間距85.5m；4-2煤推采開挖至285m時(shí)，發(fā)育③號(hào)地表裂縫，裂縫實(shí)際寬度0.9cm，深度8.5cm，貫穿模型寬度，與②號(hào)地表裂縫實(shí)際間距108m(圖9)。煤層開挖過程中，地表裂縫形態(tài)隨工作面推進(jìn)先出現(xiàn)微小裂縫，進(jìn)而發(fā)育成錯(cuò)臺(tái)，隨著采空區(qū)覆巖充分垮落壓實(shí)錯(cuò)臺(tái)減小[19]。

圖9 多煤層回采后地表裂縫示意

3 數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)

3.1 計(jì)算模型建立

結(jié)合生產(chǎn)資料，以鉆孔數(shù)據(jù)為主，對(duì)地層結(jié)構(gòu)進(jìn)行整理分析，考慮到相鄰巖層的巖性及物理力學(xué)參數(shù)具有一定的相似性，因此對(duì)鄰近薄巖層進(jìn)行合理簡(jiǎn)化合并，利用FLAC3D有限差分軟件建立數(shù)值模擬模型。根據(jù)勘探取得的巖石力學(xué)參數(shù)和實(shí)驗(yàn)室測(cè)定的巖石力學(xué)參數(shù)進(jìn)行建模。模型走向長800m，傾斜長度350m，高193m，共劃分12 980個(gè)網(wǎng)格。先開采上部2-2煤層，左右留設(shè)100m的保護(hù)煤柱。下部3-1煤層采用錯(cuò)距方式開采，3-1煤層從距模型左邊界150m處掘出開切眼，由開切眼處向模型右側(cè)模擬開挖煤層，當(dāng)3-1煤層工作面開采至距模型右邊150m處時(shí)，結(jié)束開采。4-2煤層從距模型左邊界100m處掘出開切眼，由開切眼處向模型右側(cè)模擬開挖煤層，當(dāng)4-2煤層工作面開采至距模型右邊100m處時(shí)，結(jié)束開采。模擬分析隨著工作面不斷向前推進(jìn)，煤層頂?shù)装鍑鷰r的應(yīng)力場(chǎng)變化情況，研究工作面開采造成的應(yīng)力破壞規(guī)律分析。

3.2 覆巖破壞數(shù)值模擬分析

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，單煤層開采條件下，煤層采空區(qū)頂板垂直應(yīng)力曲線對(duì)稱分布，工作面兩端出現(xiàn)應(yīng)力集中，為16.16MPa，工作面上部應(yīng)力擾動(dòng)范圍隨著煤層的推采逐漸擴(kuò)大(圖10a)。雙煤層開采條件下，隨著工作面開采，覆巖破壞導(dǎo)通至上覆采空區(qū)，開切眼側(cè)及煤壁處垂直應(yīng)力發(fā)生釋放，應(yīng)力集中區(qū)的程度逐漸減弱，此時(shí)應(yīng)力峰值為15.69MPa(圖10b)。三煤層開采條件下，相對(duì)于單一開采，覆巖應(yīng)力分布形態(tài)無明顯的變化，分布規(guī)律一致，由于重復(fù)采動(dòng)，工作面開采結(jié)束后，開切眼側(cè)及煤壁處垂直應(yīng)力發(fā)生釋放，峰值約為11.76MPa，且工作面后方煤壁處的應(yīng)力比切眼處的要大，并且下部煤層3-1和4-2工煤層開采時(shí)，應(yīng)力隨著開挖方向均有先減小后增大的趨勢(shì)(圖10c)。

圖10 煤層開挖結(jié)束應(yīng)力分布

4 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

紅柳林煤礦三帶觀測(cè)孔的施工位置在紅柳林煤礦24201工作面，位于煤礦的北一盤區(qū)，該工作面開采4-2煤層，采厚為2.87m，煤層平均埋深159.28m，上覆基巖厚度約為90m，松散層厚度平均約60m。

在該工作面施工了2個(gè)導(dǎo)水裂隙帶高度探查孔，實(shí)測(cè)鉆孔導(dǎo)高探查結(jié)果為165～165.9m，裂采比為29.48～29.63[20]。根據(jù)相似材料模擬和數(shù)值模擬結(jié)果為導(dǎo)水裂隙帶貫通地表，得到裂采比大于27.5，符合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。

5 結(jié)論

1)根據(jù)相似模擬實(shí)驗(yàn)可知，紅柳林煤礦淺部2-2煤層開采初步來壓步距為60m，垮落帶最終高度為15m，上覆巖層關(guān)鍵承載層垮落后，頂板基巖會(huì)發(fā)生整體破斷，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育速度略有增大并直達(dá)地表，裂隙帶高度為94.7m，裂采比大于27.5。

2)多煤層開采時(shí)，隨著2-2煤下伏的3-1、4-2煤工作面推進(jìn)形成的裂隙帶可連通2-2煤采空區(qū)，3-1煤層開采初步來壓步距為45m，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育至2-2煤層底板之后發(fā)生突增，導(dǎo)水裂隙帶高度突破地表達(dá)126m；4-2煤層開采初步來壓步距為75m，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育至3-1煤層底板之后發(fā)生突增，導(dǎo)水裂隙帶高度突破地表達(dá)175m。因受下部煤層開采的影響上覆巖層的下沉量顯著大于單一煤層開采時(shí)的下沉量。

3)由數(shù)值模擬結(jié)果分析可知，多煤層的重復(fù)采動(dòng)導(dǎo)致工作面兩側(cè)應(yīng)力釋放，較單煤層開采最大應(yīng)力值變小。