葛 陽，王航龍，李克鋼，李 傲

(1.昆明理工大學(xué)國土資源工程學(xué)院，云南 昆明 650093；2.云南中-德藍(lán)色礦山與特殊地下空間利用重點(diǎn)實驗室，云南 昆明 650093；3.中煤大同能源有限責(zé)任公司，山西 大同 037034；4.太原理工大學(xué)安全與應(yīng)急管理工程學(xué)院，山西 太原 030024；5.晉能控股集團(tuán)，山西 大同 037010)

0 引 言

近幾十年，我國井工煤礦采煤方法和技術(shù)不斷發(fā)展，煤炭回采效率和安全系數(shù)逐年提高。但大多數(shù)礦井對于采空區(qū)的處理主要采用傳統(tǒng)的垮落法進(jìn)行充填，此方法工藝簡單，經(jīng)濟(jì)效益顯著，往往適用于直接頂易于垮落的礦井。但此方法隨著開采技術(shù)的發(fā)展逐漸暴露出明顯的缺點(diǎn)，特別是對圍巖產(chǎn)生劇烈的擾動。對于回采工作面長、頂板較好的礦井，一般存在一次性垮落周期長、范圍大的特點(diǎn)，極易誘發(fā)礦井頂板事故，尤其是開采形成的覆巖導(dǎo)水裂隙帶，為水和瓦斯涌入礦井提供了通道，對礦井的安全生產(chǎn)構(gòu)成直接影響。

目前，礦業(yè)領(lǐng)域的諸多學(xué)者對垮落帶和導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度進(jìn)行了大量的研究。曹始友等[1]研究了高莊煤礦煤層頂板巖層破裂過程，采用孔內(nèi)視電阻率法和直流電法超前探測相結(jié)合手段，為垮落帶和導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度研究提供了新思路；劉志高等[2]以騰達(dá)煤礦1501工作面為研究背景，通過UDEC數(shù)值模擬和理論分析等手段分析了傾斜煤層工作面開采后上覆巖層移動變形規(guī)律，確定了該工作面垮落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶臨界高度位置；陳建鵬等[3]以南陽煤礦3207工作面為背景，采用UDEC數(shù)值模擬軟件模擬傳統(tǒng)50 m煤柱開采和巷旁支護(hù)深孔爆破切頂兩種情況下垮落帶和導(dǎo)水裂隙帶高度，研究表明兩種情況導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育基本相同，但后者冒落帶較前者有所增加；楊達(dá)明等[4]通過研究厚煤層高強(qiáng)度開采覆巖垮落帶和導(dǎo)水裂隙帶特征及形成機(jī)制，分析了覆巖垮落帶和導(dǎo)水裂隙帶破壞模式的形成條件，建立了覆巖切落塌陷的力學(xué)模型及尖點(diǎn)突變模型；張廣超等[5]基于垮落巖體在壓實過程中表現(xiàn)出來的應(yīng)變硬化力學(xué)特征，通過理論分析和現(xiàn)場實際分析等手段揭示了垮落巖體應(yīng)變硬化特性對采場覆巖垮落帶和導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育規(guī)律的影響作用；劉世奇等[6]為解決《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》中近距離煤層組綜合采高計算公式在上下煤層間距較大時計算結(jié)果失真的問題，給出了垮落帶和導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)計公式。

現(xiàn)有研究對煤礦垮落帶和導(dǎo)水裂隙帶的預(yù)測和分析已經(jīng)取到了大量成果，但大多數(shù)研究主要針對單煤層開采，這就使得研究結(jié)論缺乏普遍性適用性；同時，如果只針對某一采(盤)區(qū)進(jìn)行單煤層研究往往會忽略上下煤層組應(yīng)力疊加和開采重復(fù)擾動效應(yīng)對整個采(盤)區(qū)的影響，使得數(shù)據(jù)缺乏準(zhǔn)確性。我國煤炭資源豐富，煤層賦存狀態(tài)錯綜復(fù)雜，尤其是對于極近距離雙煤層開采覆巖垮落帶研究較少。本文以山西省某大型煤礦為背景，利用FLAC3D6.0軟件模擬極近距離雙煤層開采垮落帶發(fā)育高度進(jìn)行研究，通過對極近距離雙煤層開采后上覆巖層沉降位移和主應(yīng)力變化趨勢進(jìn)行分析，揭示極近距離雙煤層開采垮落帶發(fā)育的一般規(guī)律，初步測算出垮落帶發(fā)育高度。

1 礦井概況

本文以山西省某大型煤礦3-5#煤層中30515工作面和上覆2#煤層為研究背景。30515工作面長160 m，煤層埋深380 m，平均煤層厚度15.0 m，煤層傾角為4°，為近水平煤層，采用綜采放頂煤方法開采。上覆存在層間距約為4.0 m的極近距離2#煤層，平均煤層厚度3.5 m，采用綜采一次采全高方法開采，已于2015年結(jié)束開采，具體煤層基本參數(shù)見表1。

2 模型建立

本文采用FLAC3D6.0軟件進(jìn)行模擬[7]，模型建立以該煤礦實際地質(zhì)賦存環(huán)境和力學(xué)參數(shù)為依據(jù)。為了便于分析和計算快捷選取巖層傾向0°，傾角90°，同時剔除賦存厚度小于5 m的巖層。其中，2#煤層和3-5#煤層厚度分別取3.5 m和15.0 m，煤層回采長度取400 m，工作面長度取160 m。同時底板厚度留設(shè)80 m，為了消除邊界效應(yīng)煤層兩側(cè)各留300 m的保護(hù)煤柱。模型中各巖層選取莫爾-庫侖塑性模型，煤層選取應(yīng)變軟化模型。具體數(shù)值模擬模型參數(shù)見表2。根據(jù)相關(guān)地質(zhì)資料和工程實測得出模型各巖層物理力學(xué)參數(shù)，具體參數(shù)見表3。

表1 煤層基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of coal seam

表2 模型參數(shù)Table 2 Model parameters

表3 模型巖層物理力學(xué)參數(shù)Table 3 Physical and mechanical parameters of model rock formations

給已建立的模型施加邊界約束條件如下所述。模型前后和左右邊界施加水平約束，達(dá)到邊界水平位移為零：①模型底部邊界固定，達(dá)到底部邊界水平位移、垂直位移均為零；②模型頂部為自由邊界，依靠各巖層自重達(dá)到模擬地下一定深度埋深的情況，模型示意如圖1所示。

圖1 模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of the model

建立上述模型后，使用命令流按照表3力學(xué)參數(shù)對各巖層進(jìn)行賦值，重力加速度取10 m/s2，模擬軟件通過各巖層密度和體積自動計算巖層自重達(dá)到施加垂直應(yīng)力的效果，本次模擬采用煤層一次性回采方法進(jìn)行，回采長度400 m，工作面長度160 m，具體模擬方案如下所述。

1) 模型在未開挖前，系統(tǒng)進(jìn)行初次計算，達(dá)到初始應(yīng)力平衡。

2) 分別模擬單獨(dú)回采2#煤層和3-5#煤層，系統(tǒng)求解應(yīng)力平衡直至收斂，模擬完成后收集上覆巖層沉降位移和主應(yīng)力云圖。

3) 上述模擬完成后位移清零，恢復(fù)回采煤層，同時在相同初始應(yīng)力平衡條件下模擬連續(xù)回采2#煤層和3-5#煤層，系統(tǒng)求解應(yīng)力平衡直至收斂，模擬完成后收集上覆巖層沉降位移和主應(yīng)力云圖。

4) 為了后續(xù)更好地分析回采煤層上覆頂板位移和主應(yīng)力變化情況，分別對上覆煤層頂板和主應(yīng)力布置監(jiān)測點(diǎn)位。即位移第一個監(jiān)測點(diǎn)位布置在工作面推進(jìn)20 m，頂板高度10 m處；之后保持監(jiān)測點(diǎn)位高度不變，每隔20 m布置1個監(jiān)測點(diǎn)位，直至工作面回采完畢，共計20個監(jiān)測點(diǎn)位。主應(yīng)力第一個監(jiān)測點(diǎn)位布置在未開采前10 m煤柱中心處，第二個監(jiān)測點(diǎn)布置在工作面推進(jìn)20 m，頂板高度10 m處。之后保持監(jiān)測點(diǎn)位高度不變，每隔20 m布置1個監(jiān)測點(diǎn)位，最后一個監(jiān)測點(diǎn)位布置在工作面開采完畢后10 m煤柱中心處，共計22個監(jiān)測點(diǎn)位。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

煤層的采出對頂板產(chǎn)生巨大的擾動，周圍巖體的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，地下應(yīng)力場產(chǎn)生新的應(yīng)力分布[8-9]。在上覆巖層重力作用以及各煤層的相互疊加影響下，頂板不斷下沉直至垮落，通過模擬上覆巖層沉降位移和主應(yīng)力分布變化狀態(tài)可以了解上覆巖層在煤層采出后豎直方向運(yùn)動狀況及離層情況等，如圖2～圖7所示。通過分析圖2～圖7可以得出以下結(jié)論。

1) 工作面上覆巖層沉降位移量受煤層開采厚度的影響較為明顯，煤層采出空間越大，上覆巖層沉降位移量越大，影響范圍也就越廣[10]，其中，單獨(dú)開采2#煤層和3-5#煤層時上覆巖層最大沉降位移量分別約為1.80 m和5.36 m，依次連續(xù)開采上述煤層時，上覆巖層最大沉降位移量為6.20 m。這也意味著多煤層開采巖層豎向位移更大，破壞范圍更廣。同時最大位移距離由采空區(qū)中部向上逐漸減緩，這主要是由于巖層中的關(guān)鍵層控制著巖層離層的產(chǎn)生、發(fā)展與時空分布，位移范圍較大的離層空間一般出現(xiàn)在關(guān)鍵層的下方。其主要原因是隨著煤層的開采，直接頂在地應(yīng)力和上覆巖層壓力的影響下不斷垮落充填采空區(qū)，垮落的巖體下部呈散體分布，上部呈塊體分布[11]。隨著垮落塊體的塊度變大，塊體之間相互咬合形成外觀上呈梁狀，實質(zhì)為拱狀的穩(wěn)定砌體梁結(jié)構(gòu)，形成的砌體梁結(jié)構(gòu)由于運(yùn)動的不協(xié)調(diào)從而產(chǎn)生離層。離層不斷向上發(fā)育，當(dāng)達(dá)到關(guān)鍵層時，由于關(guān)鍵層一般是強(qiáng)度和厚度更大的巖層，在未達(dá)到充分的開采擾動時，一般很難完全斷裂垮落，只是整體呈現(xiàn)一定的彎曲，所以在關(guān)鍵層附近下部巖層位移影響逐漸變小，垮落帶高度發(fā)育也隨之減緩。

2) 通過對比單煤層開采和依次各煤層開采主應(yīng)力云圖可知，無論是單煤層開采還是極近距離雙煤層連續(xù)開采，在煤柱兩側(cè)都出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。這主要是煤層采出后，采空區(qū)上方會形成應(yīng)力拱[12]。由于應(yīng)力拱的存在，采空區(qū)上方巖層應(yīng)力進(jìn)行重新分布，向采空區(qū)新的支點(diǎn)轉(zhuǎn)移(煤柱側(cè))，從而在煤柱周圍形成支撐壓力帶，支撐壓力帶受開采方式和開采擾動等影響也逐漸向深部轉(zhuǎn)移。由于2#煤層、3-5#煤層的極近距離開采，開采厚度大，開采擾動影響范圍廣，煤柱側(cè)應(yīng)力較單獨(dú)開采2#煤層和3-5#煤層時更為集中。

圖2 單獨(dú)開采2#煤層上覆巖層沉降位移圖Fig.2 Settlement and displacement diagram of overlying rock of single mining 2# coal seam

圖3 單獨(dú)開采2#煤層主應(yīng)力分布圖Fig.3 Main stress distribution map of single mining 2# coal seam

圖4 單獨(dú)開采3-5#煤層上覆巖層沉降位移圖Fig.4 Settlement and displacement diagram of overlying rock of single mining 3-5# coal seam

圖5 單獨(dú)開采3-5#煤層主應(yīng)力分布圖Fig.5 Main stress distribution map of single mining 3-5# coal seam

圖6 依次連續(xù)開采2#煤層和3-5#煤層上覆巖層沉降位移圖Fig.6 Settlement and displacement diagram of overlying rock of sequential continuous mining 2# and 3-5# coal seams

圖7 依次連續(xù)開采2#煤層和3-5#煤層主應(yīng)力分布圖Fig.7 Main stress distribution map of sequential continuous mining 2# and 3-5# coal seams

3) 通過對比發(fā)現(xiàn)，單獨(dú)開采2#煤層和3-5#煤層位移總合要略大于依次連續(xù)開采2#煤層和3-5#煤層位移。根據(jù)關(guān)鍵層理論，這主要是由于連續(xù)開采2#煤層和3-5#煤層時，開采擾動變大，應(yīng)力改變和重新分布頻率加大導(dǎo)致關(guān)鍵層破斷。錢鳴高等[13]、許家林等[14]認(rèn)為，一旦關(guān)鍵層初次破斷后，關(guān)鍵層下離層量減少。說明關(guān)鍵層斷裂后，上位巖層的重力作用傳遞給下位巖層，對下位巖層具有壓實作用。上部巖層為下部垮落帶巖體提供了一個壓力增量，加快了關(guān)鍵層下部巖體的壓實?？迓鋷r體垮落后填充采空區(qū)，巖體內(nèi)存在著較大的可被壓縮消除的殘余應(yīng)變，隨著上覆巖層的下沉，垮落帶巖體不斷被壓實，垮落帶高度不斷降低。

為了更好地分析三種開采條件下上覆巖層沉降位移量和主應(yīng)力變化趨勢，將三種回采方式的監(jiān)測點(diǎn)位數(shù)據(jù)進(jìn)行整理并繪制變化趨勢對比圖，如圖8和圖9所示。

通過對比圖8和圖9可知，巖層沉降位移量呈現(xiàn)兩邊小、中間逐漸增大的規(guī)律，最大位移量集中在回采170～250 m區(qū)間。根據(jù)錢鳴高院士礦壓理論研究，這主要是由覆巖巖層的破斷形式所導(dǎo)致。已開采煤層的上覆巖層頂板可以簡單地看作“固支梁”力學(xué)模型，其上部受力視為均布載荷的情況下，根據(jù)最大擾度計算公式見式(1)。

(1)

式中：Ymax為梁的最大擾度，mm；q為梁上的垂向載荷，kN/m；L為梁長，m；E為梁的彈性模量，N/mm2；IZ為梁的截面慣性矩，mm4。

根據(jù)式(1)可知，固支梁的最大擾度在梁跨度中點(diǎn)處，即x=L/2。因此，隨著開采的推進(jìn)，彎矩的絕對值最大在長邊的中心部位，因而首先在長邊處形成沿長邊的裂縫，而后在短邊的中央處再形成沿兩邊發(fā)育的裂縫，待四周裂縫貫通形成類似“O”形后，頂板強(qiáng)度受裂隙發(fā)育影響從中間斷裂，最后形成“X”新破壞[15]。

此外，各開采方式和開采水平的巖層應(yīng)力呈現(xiàn)兩邊高、中間低的分布，這主要是由于煤層采出后，直接頂下部支撐力為零，作用于工作面上方的覆巖壓力部分會隨著工作面的推進(jìn)由直接頂?shù)闹鸩娇迓涠尫?。直接頂上方其余巖層由于其本身巖石厚度大、結(jié)構(gòu)性強(qiáng)等特點(diǎn)，難以立即垮落釋放壓力，為了維持其上覆巖層新的應(yīng)力狀態(tài)開始重新分布應(yīng)力尋求平衡，并逐漸向工作面兩側(cè)的煤柱轉(zhuǎn)移而達(dá)到新的應(yīng)力平衡狀態(tài)。煤柱側(cè)應(yīng)力不斷集中，上覆煤柱承受的應(yīng)力也不斷向下伏煤柱傳遞從而達(dá)到整體平衡。

圖8 工作面上覆巖層沉降位移變化趨勢對比Fig.8 Comparison of displacement trend of overlying rock layer on the working face

圖9 工作面上覆巖層主應(yīng)力變化趨勢對比Fig.9 Comparison of main stress trend of overlying rock layer on the working face

通過觀察圖8和圖9可知，隨著煤層采厚的增加，煤層上覆巖層的沉降位移量不斷加大，而煤柱側(cè)應(yīng)力表現(xiàn)出相反的現(xiàn)象。這主要是單獨(dú)開采2#煤層時，由于其開采方法(一次采全高)和采煤厚度等因素，回采過程中應(yīng)力擾動不充分，上覆頂板巖層不能完全垮落釋放壓力，導(dǎo)致煤柱側(cè)應(yīng)力較單獨(dú)開采3-5#煤層和依次連續(xù)開采2#煤層和3-5#煤層極近距離煤層組時大。同時，單獨(dú)開采2#煤層和3-5#煤層累計總位移量較依次連續(xù)回采2#煤層和3-5#煤層時要大，這主要是由關(guān)鍵層破斷對下部巖層的壓實作用引起的。就關(guān)鍵層下部巖層而言，上部巖層的重力作用不斷傳遞給下部巖層，下部巖層抗彎剛度不斷減小直至破斷，斷裂后的巖層逐層釋放上部巖層的壓力，導(dǎo)致垮落帶內(nèi)的巖體不斷被壓實，可被壓縮的殘余應(yīng)變不斷減小，垮落帶高度不斷降低。

4 覆巖垮落帶高度預(yù)測計算

通過實地鉆孔取樣，對2#煤層和3-5#煤層覆巖進(jìn)行單軸抗壓實驗得到覆巖高嶺質(zhì)泥巖、粉細(xì)砂巖單軸抗壓強(qiáng)度為40～70 MPa，可知覆巖屬堅硬巖類，穩(wěn)定性好。根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》和《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采指南》中分層開采和綜放開采垮落計算公式，分別計算單獨(dú)開采2#煤層和3-5#煤層垮落帶高度。

1) 單獨(dú)開采2#煤層垮落帶高度。由上文可知2#煤層采厚選取3.5 m，垮落帶高度公式選取分層開采覆巖巖性為堅硬的計算公式，可得式(2)。

(2)

式中：Hm為垮落帶高度，m；M為煤層厚度，m。

2) 單獨(dú)開采3-5#煤層垮落帶高度。由上文可知3-5#煤層采厚選取15.0 m，垮落帶高度公式選取綜放開采覆巖巖性為堅硬的計算公式，可得式(3)。

Hm=7M+5=7×15+5=110

(3)

3) 依次連續(xù)開采2#煤層和3-5#煤層垮落帶高度。由于2#煤層和3-5#煤層組層間距只有4 m，屬于極近距離煤層組，而《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》未給出此類情況的采高折算方法，通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)，此次采高折算選取中國礦業(yè)大學(xué)劉世奇等[6]研究的關(guān)于極近距離煤層組采高折算公式，可得式(4)。

(4)

再通過綜放開采覆巖巖性為堅硬的垮落帶計算公式計算，可得式(5)

Hm=7Mzs3-5#+5=113.99

(5)

則依次連續(xù)開采2#煤層和3-5#煤層垮落帶高度為113.99 m。

綜上，根據(jù)經(jīng)驗公式計算可知，單獨(dú)開采2#煤層和3-5#煤層垮落帶高度之合略大于依次連續(xù)開采2#煤層和3-5#煤層垮落帶高度，這也說明垮落帶內(nèi)巖體存在著較大的可被壓縮消除的殘余應(yīng)變，關(guān)鍵層初次破斷，上覆巖層下降，垮落帶巖體不斷被壓實，垮落帶高度降低。

5 結(jié) 論

1) 通過數(shù)值模擬可知，煤層開采后上覆巖層沉降位移受開采尺寸影響較為明顯，極近距離煤層組連續(xù)開采會加大煤層上覆巖層的沉降位移。同時極近距離煤層組相比于單煤層開采，煤柱附近主應(yīng)力分布更為集中，煤柱受新應(yīng)力分配擾動更加明顯，實際生產(chǎn)中極近距離煤層組上下工作面煤柱的留設(shè)要盡量避免應(yīng)力疊加傳遞。

2) 煤層上方的關(guān)鍵層在一定情況下對巖層垮落帶高度發(fā)育起到抑制作用，而關(guān)鍵層下部巖層的發(fā)育也會加大垮落帶高度的發(fā)育。同時，極近距離煤層組的開采會增加關(guān)鍵層頂板的破斷幾率。

3) 通過計算得出極近距離煤層組實際垮落帶高度為113.99 m，略小于各煤層組單獨(dú)開采累計垮落帶高度127.5 m，誤差主要來源于極近距離煤層組開采時巖層擾動劇烈，回采煤層上覆巖層裂隙發(fā)育完全，影響了關(guān)鍵層的穩(wěn)定，關(guān)鍵層的斷裂和彎曲下沉對已形成的垮落帶重新壓實，抑制垮落帶高度的繼續(xù)發(fā)育。