近浅埋煤层重复采动覆岩裂隙发育相似模拟

王创业，张 琪，李俊鹏，刘 伟

(内蒙古科技大学 矿业研究院，内蒙古 包头 014010)

近浅埋煤层重复采动覆岩裂隙发育相似模拟

王创业，张 琪，李俊鹏，刘 伟

(内蒙古科技大学 矿业研究院，内蒙古 包头 014010)

为了得到近距离浅埋煤层重复采动对覆岩裂隙发育的影响，以神东集团石圪台矿为工程背景，利用相似理论进行相似模拟实验，通过对比单层煤开采与重复采动在矿压显现和移动破坏等方面的变化对覆岩裂隙发育进行分析，得出了近距离煤层重复采动对覆岩位移、矿压及裂隙演化的特征影响。结果表明：相比于单一煤层开采，重复采动覆岩裂隙明显增多，来压步距有所减短；覆岩达到最大下沉量位置更靠近开切眼一侧，为工程实践提供了一定理论基础。

近距离煤层；重复采动；裂隙发育；相似模拟

目前国内外就覆岩裂隙发育的研究主要体现在单一煤层开采的条件下，而对煤层群开采对覆岩裂隙影响的研究相对较少，近年来对于采动覆岩裂隙发育分布的研究，刘天泉、钱鸣高院士等经过理论分析、现场实测之后，建立了“横三区”、“竖三带”的理论体系，袁亮院士提出了“顶板环形裂隙圈”的概念，李树刚对重复采动条件下覆岩运移特征及裂隙发育特征进行分析。重复采动造成覆岩的二次破坏，相比于单一煤层的开采在覆岩移动规律和裂隙演化方面有着明显的差异，神东矿区煤田埋藏较浅，地质结构简单，煤层开采覆岩破断会发展到对地表造成灾害，重复采动更是加剧了这一现象，本文主要分析近距离浅埋煤层重复采动对覆岩裂隙发育的影响。

1 近距离煤层重复采动相似模拟实验

1.1 煤层地质条件

本实验以神东矿区石圪台矿30205工作面的2-2煤和3-1煤为工程研究背景，上煤层距离地表75m，煤层平均厚度为4.3m，下煤层平均煤厚为4m，开采的煤层间距为15.3～26.4m，平均距离为18m，煤层倾角为3°，开采方式采用下行开采，下煤层开采垮落带贯通上煤层采空区，属近距离煤层，覆岩各岩层物理力学参数见表1。

1.2 模拟实验方案

在上煤层的覆岩中按照设计方案布置位移监测点，从上到下布置7条监测线，每条线间隔100mm，沿着煤层开采方向布置11条监测线，每条线间隔150mm，以此来观测上下煤层采动对覆岩移动破坏和裂隙发育规律，监测点的位移由电子全站仪观测和记录。

表1 覆岩各岩层物理力学参数

1.3 工作面现场实测数据

在上下工作面开采完毕后，归纳总结石圪台矿重复采动矿压实测数据，分析上下煤层不同开采阶段矿压显现规律，以此验证相似模拟实验的结果，由于相似模拟条件所限，截取工作面前120m实测数据，见表2、表3。

表2 上煤层来压显现规律

表3 下煤层来压显现规律

2 上煤层开采覆岩裂隙发育及移动规律

2.1 上煤层开采覆岩裂隙发育特征

当工作面推进到38m时，开切眼和工作面两端产生裂隙，顶板多层下沉垮落，此为基本顶初次来压，当工作面推进到52m时，裂隙向上和向前发展，顶板出现离层现象并再次垮落，基本顶出现第1次周期来压，离层区距离上煤层顶板15.8m，当工作面推进到68m时，采空区两端竖向裂隙向上和向内延伸，与上部覆岩离层区连接贯通，基本顶第2次周期来压，如图1(a)。当工作面推进到96m时，覆岩发生整体下沉，竖向裂隙并没有贯通地表，接近地表处覆岩产生弯曲下沉，地表发生沉陷形成下沉盆地，地表下沉距离达2m，如图1(b)。工作面继续推进下沉盆地范围变大，但是下沉距离变化不明显，所以工作面在96m时已达充分采动，来压步距为12m左右，开切眼和停采线两侧的断裂角分别为65°和60°。

图1 上煤层开采裂隙发育分布

由于覆岩各岩层的碎胀性的不同，导致各岩层下沉量相差较大，上煤层工作面沿着走向开采后，在开切眼和工作面停采线一侧形成的覆岩竖向裂隙区加宽，裂隙向上发育并向推进方向中部集中，对采空区上部覆岩形成包围结构，外观形状大致形如梯台。当顶板的抗拉强度达到岩石的极限强度时，在采空区上方覆岩在自重应力的作用下发生离层、下沉和垮落，随着工作面的推进两端裂隙区和中部离层区范围扩大，垮落的岩块接触矸石后对覆岩产生支撑作用，使得新垮落岩层间的离层被压实，所以覆岩离层裂隙在上下方向上经历了离层、压实、再离层、再压实的过程，总体上采空区上部覆岩内的裂隙以边界斜交向内为主，上部以离层裂隙为主。

2.2 上煤层开采覆岩移动规律

为了研究距开切眼不同距离覆岩的移动规律，用电子全站仪测量各岩层的下沉量，见图2，从图中看出距离煤层上方10～30m的覆岩下沉量曲线的连续性差，在采空区中部有较大的波动，而距离煤层40～70m的覆岩下沉量曲线较连续，两者下沉量差距较大，主要由于垮落带岩石破断下落接触矸石的不规则性。距离煤层不同高度的覆岩下沉量并不呈对称式，各岩层从下到上的影响范围和下沉量逐渐降低，最大的下沉量基本都位于采空区中部偏向于开切眼一侧。

图2 上煤层开采覆岩下沉量

3 重复采动下覆岩裂隙发育及移动规律

3.1 重复采动覆岩裂隙发育特征

待覆岩移动破坏稳定后，进行下煤层3-1煤的开采。工作面推进到34m时，在采空区上部出现离层裂隙，在两端出现竖向裂隙并向上发展，基本顶发生初次垮落。当工作面推进至48m时，3-1煤上下煤层端部裂隙相连采空区相互贯通，上煤层已压实的裂隙区在二次采动的情况下重新发育，边界裂隙加宽，但是离层裂隙发育不明显，上煤层采空区底板下沉触矸，基本顶发生第1次周期来压，如图3(a)。当工作面推进到62m时，基本顶发生第2次周期来压，煤层间的岩层发生大面积垮落，如图3(b)，上部覆岩在重力的作用下发生整体下沉，边界裂隙宽度进一步加大并向上延伸，地表下方岩层进一步弯曲下沉。当工作面推进到88m时，上部覆岩裂隙继续发育贯通地表，地表发生明显的裂缝, 基本顶第4次周期来压，如图3(c)。随着工作面进一步推进地表裂缝趋于稳定，下沉量不再增加，来压步距为10m左右，两侧的断裂角和裂隙角分别为69°和63°。相比较于单一煤层开采，重复采动后覆岩裂隙明显增多，来压步距缩短，来压频率升高，此重复采动相似模拟实验结果与现场实测数据相互验证。

图3 重复采动覆岩裂隙发育特征

3.2 重复采动覆岩移动规律

下煤层3-1煤开采120m时覆岩监测点下沉量如图4所示，通过与上煤层开采对比，重复采动覆岩各岩层下沉量明显增大，覆岩岩层各测线间的距离减小，各测线的波动情况加剧，这主要由于重复采动对覆岩的扰动破坏进一步加大，上下煤层采空区贯通，岩层的不规则性加大，重复采动后覆岩最大下沉量发生在采空区中部，但是相比于单一煤层开采更靠近开切眼一侧。

图4 重复采动覆岩下沉量

4 结 论

(1)近距离浅埋煤层重复采动时覆岩移动得到进一步发育，裂隙明显增多，竖向裂隙加宽，离层裂隙经历了离层和压实的循环过程，裂隙贯通向采空区上部和内部发展，形如梯台。当上下采空区贯通时，地表裂缝增大，应该提高地表的防水措施以免发生灾害。

(2)相比于单一煤层开采，近距离重复采动覆岩垮落带被进一步压实，覆岩下沉量明显增大，影响范围变广，垮落带贯通岩层的波动情况加剧，来压步距有所减短，下沉量达到最大值时的位置更接近开切眼一侧。

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SimilarSimulationofOverlyingStrataFractureDevelopmentunderRepeatedMininginShallow

WANG Chuang-ye，ZHANG Qi，LI Jun-peng，LIU Wei

(Mining Researching Institute，Inner Mongolia University of Science and Technology，Baotou 014010，China)

In order to study the influence that repeated mining of contiguous seams in shallow to overlying strata fracture development，it taking Shigetai coal mine of Shendong group as engineering background，similar simulation experiment that based on similar theory was utilized，the influence that some variations of strata behavior and convergence failure of single coal seam mining and repeated mining to overlying strata fracture development were analyzed，the characters influence that repeated mining in contiguous seams to overlying strata movement，strata behavior and fracture development.The results showed that fractures developed quickly under repeated mining as single coal seam mining，and pressure distance decreased obviously，the maximum subsidence of overlying strata was close to the side of open-off cut，it references for engineering practical.

contiguous seams；repeated mining；fracture development；similar simulation

2017-09-10

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.06.019

国家自然科学基金(51464036，51564038)

王创业(1976-)，男，山西临猗人，副教授，主要从事采矿及岩石力学方面研究。

王创业，张 琪，李俊鹏，等.近浅埋煤层重复采动覆岩裂隙发育相似模拟[J].煤矿开采，2017，22(6)：78-81.

TD325

A

1006-6225(2017)06-0078-04

潘俊锋]