厚煤层综放开采覆岩移动规律数值模拟分析

彭东东

（山西潞安矿业（集团）高河能源有限公司，山西 长治047100）

掌握工作面上覆岩层移动规律对于掌握工作面导水裂隙带范围，以及分析地表岩移规律均具有重要意义[1-4]。高河煤矿东盘区3#煤层整体较厚，埋深较西盘区大，且上覆地层中黄土层较薄、基岩较厚，为了充分掌握工作面上覆岩层移动规律，给工作面布置及矿井“三下”开采提供参考，需对综放工作面上覆岩层移动规律进行分析。

1 工程概况

高河煤矿主要开采煤层为山西组3#煤，含泥岩、炭质泥岩夹矸0～5层，一般1～2层，煤层厚5.15～12.10 m，平均厚6.71 m，倾角2°～8°。地面标高+902.02～+1003.20 m，地形总体呈南高北低趋势。

E1302工作面位于东一盘区东部，四周均未开采。工作面走向长约2140 m，倾向宽230 m，采厚7 m，煤层倾角3°，平均开采深度为400 m，表土层厚度为45 m。3#煤层直接顶板为泥质岩，局部为粉砂岩及砂岩，厚11.68 m，厚度稳定性差，结构松软，吸水易软化、强度较低；老顶为砂岩，厚20.10 m，不规则裂隙发育；直接底板为泥质岩石，局部为粉砂岩，厚3.05 m，其下为砂岩。3#煤层上覆岩层主要由砂岩、泥岩、砂质泥岩和第四纪黄土层组成，属厚冲积层覆盖区。

2 覆岩移动数值模拟分析

根据E1302综放工作面实际地质情况，对采矿地质条件进行简化，并采用FLAC3D数值模拟软件建立数值分析模型，对工作面地表移动、覆岩移动和破坏规律进行分析。数值模拟计算采用岩体力学参数见表1。

表1 数值模拟计算采用岩体力学参数

2.1 地表移动分析

E1302工作面综放开采后地表下沉和水平移动情况见图1、图2。由数值模拟的结果可知：

（1）E1302工作面采用综放开采后，地表最大下沉值达到4520 mm左右，下沉率达到0.64；地表最大水平移动值为1430 mm，水平移动系数为0.32；走向边界角为58°，倾向边界角为55°（表土层移动角Φ取45°）。表2为统计的数值模拟E1302工作面综放开采后地表沉陷情况。

表2 E1302工作面综放开采后地表沉陷情况

（2）与高河煤矿周边类似地质条件下的分层综采和普采对比可知，综放一次采全高开采后地表下沉系数和边界角均相比增大，工作面开采引起的地表沉陷久会相对剧烈，移动盆地非常陡峭，移动变形集中。与分层综放相比，地表下沉系数介于分层综放初采与复采之间，见表3。

表3 潞安矿区类似地质条件地表沉陷情况

（3）E1302工作面位于高河矿东一盘区，与西一盘区厚黄土层相比，东一盘区地表下沉系数、水平移动系数以及边界角均相对较小，但是通过数据观测分析可知工作面开采后地表变形则较为剧烈，移动变形也更加集中。对比分析可知西一盘区厚黄土层对地表沉陷变形具有平缓的作用，表现出了厚松散层的特点。由于东一盘区松散层相对较薄，不具备厚松散层的特点，在综放开采条件下，地表沉陷剧烈且变形集中，地表裂缝和破坏会比较严重。

图1 E1302工作面综放开采后地表下沉云图

图2 E1302工作面综放开采后地表水平移动云图

2.2 覆岩移动分析

E1302工作面综放开采后岩层走向和倾向主剖面上的垂直移动情况见图3。

图3 E1302工作面开采后岩层垂直移动云图

由图3分析可知：

（1）岩层移动量

E1302工作面开采后，在采动覆岩中，以采空区几何中心为参照点，在开采影响中央区域，离中心越近则岩层移动量越大，离中心越远则岩层移动量越小，直接顶板移动量最大，相对应的地表移动量最小，这反映了开采空间在上传过程中的耗散。

（2）岩层移动量大小变化特征

工作面煤层开采后应力重新分布，工作面上覆岩层产生自下而上的移动，并会逐步衰减，上覆岩层垮落后破碎岩块堆积是得松散体体积增大，会充填一部分开采空间，但是并不能完全充填，大部分仍会向上传递，形成地表呈现。数值模拟分析可知，基岩上位岩层和下位岩层下沉量差值很大，说明基岩内的岩层移动出现明显的衰减现象；与基岩内不同层位的下沉量差异相比，松散层内不同层位的下沉量基本保持一致，可见松散层为整体下沉变形，且松散层可以缓减基岩面的变形，降低地表变形了。东一盘区由于松散层相对较薄，地表变形更趋近于基岩面变形，变形剧烈且集中。

2.3 覆岩破坏分析

E1302工作面综放开采后岩层走向和倾向主剖面上的岩体塑性区分布情况见图4所示，分析可知：

（1）由于综放工作面的逐渐开采，采空区上方顶板将失去支撑体，煤层上覆岩层在其自重应力作用下，其内部储存的能量必然要通过一定的路径转移和释放。变形是顶板释放能量的最直接的方法，表现为顶板下沉，变形使顶板内形成了竖向的剪切力和一定的拉应力。由于采空区周边煤体的限制作用，采空区周边顶板所受剪切力较大。因此，这些部位将最先导致剪切破坏。而在离采空区较远处的顶板，由于周边煤体对其变形的限制作用小，顶板能量释放较为充分，主要表现为拉破坏。

（2）从岩层塑性区分布特征来看，沿倾向剖面的塑性区（即导水裂缝带）发育形态形成了两边高中间低较明显的马鞍形形态。数值模拟测得导水裂缝带两边发育高度约为140 m，裂高采厚比为20；中间发育高度约为98 m，裂高采厚比为24。而在同样采厚的条件下，采用分层综采和普采的裂高采厚比约为8～16。说明综放开采导水裂缝带高度较大，覆岩破坏严重。其原因在于综放开采采动空间大，直接顶冒落后不能充满采空区，使得上覆岩层在垂直应力的作用下产生较大的回转变形，采空区及上覆岩层应力重新分布，造成覆岩内的应力产生极不平衡状态，进而产生脆性怕破坏，从而导致上覆岩层垮落列席带的增加。

图4 E1302工作面开采后岩体塑性区分布

3 结语

1）研究表明岩层移动在基岩内衰减较为明显，在松散层内近似整体沉降，厚基岩具有一定的控制地表沉陷变形的能力；基岩塑性破坏区发育形态为马鞍形，导水裂缝带发育高度最大约为140 m，裂高采厚比为20，覆岩破坏非常严重。

2）综采放顶煤一次采全高开采强度大，垮落裂缝带高度增加，使得工作面开采后上覆岩层发生连续的沉降变形，逐步将垮落裂隙带岩层压实，地表的沉陷变形值增大，地表裂缝增加，从而导致地表下沉系数增大。