＊裴為豪 劉英

（安徽理工大學(xué) 地球與環(huán)境學(xué)院 安徽 232001）

淺埋煤層廣泛分布于我國(guó)西部礦區(qū)，具有埋深淺、基巖薄、覆沙土層較厚等賦存特征[1]。淺埋煤層綜放開(kāi)采過(guò)程中，原始上覆巖層應(yīng)力的平衡狀態(tài)被破壞，巖層發(fā)生彎曲、斷裂、垮落，形成垮落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶，在采空區(qū)上方地面形成沉陷區(qū)及地裂縫[2]，誘發(fā)一系列的地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題，嚴(yán)重制約著西部礦區(qū)煤炭資源的安全高效開(kāi)采與生態(tài)安全[3]。本文以甜水堡煤礦1302 工作面為例，基于UDEC 軟件模擬研究淺埋煤層采動(dòng)誘發(fā)覆巖應(yīng)力響應(yīng)及地裂縫動(dòng)態(tài)發(fā)育特征，為該礦區(qū)淺埋煤層開(kāi)采條件下沉陷控制與修復(fù)提供新的科學(xué)依據(jù)。

1.研究區(qū)概況

甜水堡煤礦位于甘肅環(huán)縣西北部，地表被第四系黃土覆蓋。根據(jù)煤層的賦存條件和開(kāi)采技術(shù)條件，該工作面采用走向長(zhǎng)壁垮落式采煤方法，綜采工作面長(zhǎng)度約為400 m，日循環(huán)推進(jìn)距離8～10 m，煤層厚度0.33～5.92 m，綜采工作面平均采高3.50 m。工作面老頂為泥巖，厚度為22 m，直接頂為粉砂巖，厚度為14 m，直接底為細(xì)粒砂巖，厚度為34 m，老底為中粒砂巖，厚度為16.5 m。

2.研究方法

（1）數(shù)值模型的建立。UDEC 可通過(guò)離散塊體的旋轉(zhuǎn)變形和節(jié)理面的壓縮、分離和滑動(dòng)最大程度地再現(xiàn)非線(xiàn)性變形和節(jié)理面破壞引起的巖體破壞和變形。依據(jù)甜水堡1302 工作面開(kāi)采、地質(zhì)、水文地質(zhì)及鉆孔資料，選取各巖層的巖體力學(xué)參數(shù)（表1）建立UDEC 數(shù)值模擬模型，計(jì)算模型尺寸長(zhǎng)度×高度為400 m×125 m，模型劃分為4530 個(gè)單元，模型自上而下依次為粉土、粉質(zhì)黏土、黏土、泥巖、粉砂巖、煤、細(xì)粒砂巖、中粒砂巖（圖1）。

表1 煤巖層力學(xué)參數(shù)

圖1 數(shù)值模擬模型圖

依據(jù)工作面鉆孔柱狀圖（圖2），模型中煤層頂?shù)装宸謩e位于54 m 和50.5 m 高度處，邊界兩側(cè)均為實(shí)體煤和巖體，底部、左右施加邊界位移約束，上邊界為無(wú)約束自由界面，工作面開(kāi)切眼至邊界及停采線(xiàn)至邊界分別設(shè)置50 m 保護(hù)煤柱。模擬計(jì)算采用摩爾-庫(kù)倫屈服準(zhǔn)則，節(jié)理面采用帶有殘余強(qiáng)度的庫(kù)侖滑移模型[4]。模型塊體微觀力學(xué)參數(shù)通過(guò)室內(nèi)單軸壓縮及巴西劈裂數(shù)值計(jì)算模型校核得到。

圖2 鉆孔柱狀圖

（2）模擬方案。開(kāi)挖速度設(shè)置為10 m/次，工作面推進(jìn)每10 m、50 m、100 m、150 m、200 m、250 m、300 m 分別分析地裂縫的發(fā)育、上覆巖層應(yīng)力云圖演變及上覆巖層下沉量情況。在UDEC 模型高70 m 處設(shè)置一條測(cè)線(xiàn)，端點(diǎn)坐標(biāo)為（0，70）、（400，70），測(cè)線(xiàn)上每間隔2 m 設(shè)置1 個(gè)測(cè)點(diǎn)。

3.結(jié)果與分析

（1）覆巖變形與地裂縫動(dòng)態(tài)發(fā)育特征。根據(jù)模擬結(jié)果可知，當(dāng)工作面推進(jìn)10 m 時(shí)，直接頂開(kāi)始垮落并堆積于采空區(qū)內(nèi)，但是幾乎沒(méi)有裂縫產(chǎn)生（圖3a）。工作面推進(jìn)50 m 時(shí)，頂板周期性破壞，直接頂持續(xù)垮落，覆巖破壞向上發(fā)展，基本頂開(kāi)始彎曲下沉，裂縫開(kāi)始發(fā)育，直接頂與基本頂都出現(xiàn)了離層裂縫（圖3b），裂縫發(fā)育相對(duì)較少；工作面推進(jìn)100 m 時(shí)，采空區(qū)增大，上覆巖層破壞嚴(yán)重，高位離層裂隙消失，覆巖破壞貫通至地表（圖3c），導(dǎo)致地表出現(xiàn)了裂縫，從采空區(qū)兩邊的裂縫一直延伸至地表，裂縫開(kāi)始明顯增多且分布密集。工作面推進(jìn)300 m 時(shí)，采空區(qū)中部完全被壓實(shí)，臨時(shí)性裂縫逐漸閉合，部分永久性裂縫只在兩端發(fā)育，且覆巖永久裂縫主要以豎向裂隙為主，部分裂隙直達(dá)地表形成地表裂縫（圖3d）。

圖3 工作面推進(jìn)過(guò)程覆巖變形與地裂縫動(dòng)態(tài)發(fā)育特征

（2）覆巖層移動(dòng)規(guī)律變化特征。當(dāng)工作面推進(jìn)10 m 時(shí)，直接頂垮落產(chǎn)生小幅度下降位移，下降位移約1 m，此時(shí)覆巖較穩(wěn)定且以彈性變形為主，巖層內(nèi)部不會(huì)產(chǎn)生裂隙與損傷（圖4a）。工作面推進(jìn)50 m 時(shí)，直接頂完全垮落，直接頂下沉量為3.4 m，基本頂由于彎曲下沉也產(chǎn)生了大約0.6 m 的位移，此時(shí)巖層運(yùn)動(dòng)破裂滑移線(xiàn)是先向采空區(qū)內(nèi)收斂至最上面主鍵層，其上覆軟巖層（沖積層）運(yùn)動(dòng)破斷滑移向采空區(qū)擴(kuò)散一直到地表，地表下沉約0.4 m（圖4b），覆巖變形處于裂縫擴(kuò)展階段，內(nèi)部裂紋萌生與擴(kuò)展，但沒(méi)有形成宏觀破壞面。工作面推進(jìn)100 m 時(shí)，覆巖擾動(dòng)區(qū)覆蓋了三帶，呈現(xiàn)出以采空區(qū)中部為對(duì)稱(chēng)軸，下沉區(qū)域左右對(duì)稱(chēng)（圖4c）。隨著工作面繼續(xù)推進(jìn)，開(kāi)采達(dá)到充分采動(dòng)，覆巖破壞橫向擴(kuò)展發(fā)生宏觀破壞，承載力下降。工作面推進(jìn)150 m、200 m、300 m 時(shí)，采空區(qū)被壓實(shí)，下沉區(qū)域持續(xù)擴(kuò)大，沉降量出現(xiàn)以采空區(qū)中部為對(duì)稱(chēng)軸，越靠近對(duì)稱(chēng)軸沉降量越大，地表最大下沉量為3.33 m，遠(yuǎn)離對(duì)稱(chēng)軸沉降量逐漸減少的趨勢(shì)（圖4d）。

圖4 工作面推進(jìn)過(guò)程上覆巖層位移變化特征

模型70 m 處各測(cè)點(diǎn)的下沉量見(jiàn)圖5。地表土體開(kāi)始沉陷變形，拐點(diǎn)均分布在采空區(qū)上方臨近于開(kāi)切眼的上方位置，工作面推進(jìn)到100 m 時(shí)，直接頂完全垮落且擴(kuò)散至地表，下沉量約為3.3 m，最大下沉位移區(qū)分布在采空區(qū)中部。此后隨著工作面持續(xù)推進(jìn)，采空區(qū)逐漸被完全壓實(shí)穩(wěn)定，最大下沉量不會(huì)有明顯變化，趨于穩(wěn)定，下沉區(qū)會(huì)向采空區(qū)兩側(cè)逐步擴(kuò)展。

圖5 工作面不同推進(jìn)距離下沉量變化曲線(xiàn)

（3）上覆巖層應(yīng)力變化。工作面推進(jìn)10 m 時(shí)，采空區(qū)兩端出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，采空區(qū)上層直接頂應(yīng)力較小。工作面推進(jìn)50 m 時(shí)，應(yīng)力開(kāi)始出現(xiàn)重新分布，采前上覆巖層應(yīng)力平衡狀態(tài)被打破，采空區(qū)兩側(cè)煤壁處產(chǎn)生應(yīng)力集中區(qū)，應(yīng)力變化量最大約1000 kPa。當(dāng)工作面推進(jìn)至100 m 時(shí)，采空區(qū)上方水平層狀應(yīng)力集中區(qū)逐漸由下向上破壞，垮落堆積于采空區(qū)內(nèi)的巖塊相互擠壓產(chǎn)生豎向應(yīng)力集中區(qū)，符合應(yīng)力拱假說(shuō)。工作面推進(jìn)300 m 時(shí)，采空區(qū)上覆巖層應(yīng)力擾動(dòng)規(guī)律類(lèi)似，工作面兩側(cè)煤壁應(yīng)力集中，應(yīng)力變化量最大可達(dá)3500 kPa，采空區(qū)上覆巖層逐漸趨于穩(wěn)沉狀態(tài)，前期發(fā)育的臨時(shí)性裂縫逐漸閉合，表現(xiàn)出自修復(fù)的特征，永久裂縫主要分布于采空區(qū)左右兩端（圖6）。

圖6 工作面不同推進(jìn)距離上覆巖層應(yīng)力變化

（4）模型驗(yàn)證。為了驗(yàn)證動(dòng)態(tài)發(fā)育規(guī)律，自2021年10 月25 日至2022 年7 月5 日進(jìn)行了1302 工作面上覆巖層移動(dòng)與地裂縫周期觀測(cè)。結(jié)果顯示1302 工作面地裂縫最大寬度超30 cm，地裂縫兩側(cè)高差最大0.5 m。當(dāng)工作面推過(guò)裂縫后，該區(qū)破斷后巖層運(yùn)動(dòng)重新趨于平穩(wěn)，部分裂縫逐步閉合，監(jiān)測(cè)得到的裂縫動(dòng)態(tài)發(fā)育結(jié)果與模型模擬結(jié)果基本一致，模擬結(jié)果符合實(shí)際所建UDEC 模型可行（圖7）。

圖7 工作面推進(jìn)過(guò)程覆巖下沉變形特征

4.結(jié)語(yǔ)

隨著工作面的推進(jìn)，采空區(qū)面積增加，覆巖在重力作用下發(fā)生彎曲變形，上覆巖層的下沉位移區(qū)域隨工作面推進(jìn)距離增大而增大，位移呈現(xiàn)出采空區(qū)兩側(cè)下降距離最少，越靠近采空區(qū)中部對(duì)稱(chēng)軸中心下降距離越深的趨勢(shì)。隨著工作面推進(jìn)，不同巖層在自重下應(yīng)力數(shù)值分層明顯，采空區(qū)兩端出現(xiàn)應(yīng)力集中。采空區(qū)上覆巖層應(yīng)力變化依次為應(yīng)力集中、損傷變形、斷裂坍塌到應(yīng)力釋放過(guò)程。