双系煤层群开采覆岩破裂演化规律

宗 建 强

（山西晋城无烟煤矿业集团有限责任公司长平公司，山西 晋城048000）

关键字：双系煤层；覆岩；相似模拟；应力分布

1 概 述

在覆岩破坏研究中，在确定覆岩破断高度后，要研究覆岩运动结构形式及其稳定条件，包括上部岩层的岩性、厚度等，构建上部岩层断裂破坏力学模型进行预计。本文采用物理模拟观察覆岩破裂演化过程及其应力分布变化[1-3]，是揭示覆岩破坏结构及其应力场变化的有效途径。

2 同忻矿地质及开采条件概况

同忻矿井坐落在大同煤田东北端，赋存有侏罗系和石炭系双系煤层，目前上部侏罗系3#、9#、11#、12#、14#煤层基本开采完毕，主要开采石炭系3-5#煤层。现采8207 工作面之上有同家梁矿侏罗系11#煤层8906 面采空区与14# 煤层8902-1、8902-2、8902-3 采空区，与11#煤层间距120～200m，与14#煤层间距140～220m。工作面上、下对照见图1。

图1 8207 工作面与侏罗系煤层群工作面上下位置对照图

8207 工作面埋深447m，倾向长度193m，走向长度1406m。工作面煤厚3.77 m～23.5 m，平均为13.6 m。工作面为一次采全厚放顶煤综合机械化开采，采高3.9m，放煤厚度9.7m，采放比约1：2.5。

8207 工作面煤层倾角为1°～2°，基本顶为炭质泥岩，厚度13.9m，灰白色，夹有部分煤层；直接顶为火成岩，厚度3.2m，极其坚硬。直接底为泥岩，厚度2.61m，褐灰色；基本底为高岭岩，厚度为6.1m，深灰色。

3 双系煤层群顶板破断结构相似材料模拟实验

3.1 试验手段及装备

试验台分为框架、加载和测试三个部分。试验台框架的规格为3.0m×0.4m×2.1m，有效高度为1.8m。应力测试系统由江苏东华仪器有限公司生产，能对应力、应变进行全程监测；位移测试采用尼康NIVO 2.M全站仪。

3.2 试验方案与模型制作

1）试验方案。相似模拟试验中共模拟11#、12#、14#、15# 和3-5# 煤共5 层煤，由上往下逐步开采11#、14#与3-5#煤层，在开采14#煤层时留设区段煤柱，石炭系3-5#煤层厚度为13.6m，采高3.9m，放煤高度9.7m，工作面深度为450m，模拟实验方案见图2。

图2 相似模拟试验开采方案

2）试验测试和分析内容。①分别在两系煤层底板和关键岩层处安装应力传感器，采集应力数据。分析下部石炭系煤层开采时，工作面超前支承压力变化特征，以及支承压力变化与各硬厚岩层破断之间的关系[4-5]。②通过全站仪记录3-5#煤层开采时顶板位移。③使用照相机记录顶板结构变化特征及离层裂隙发育变化规律。

3）相似模型参数。模型按1∶200 的几何比例，模型的相似条件为：

4）相似材料的配比。模拟实验配比材料用料是根据李鸿昌的《矿山压力的相似模拟试验》查表1 得到。

表1 材料配比用料及铺设层次

3.3 覆岩垮落及裂隙演化规律分析

3.3.1 开采11# 煤层

遵循相似比，按照开采顺序，试验台两侧需留设40cm 的边界煤柱以消除边界效应，首先开采11#煤，每2h 采煤一次，模拟对应现场24h；每次向前推进5cm，相当于现场采10m。与此同时记录顶板破断运动规律，见图3。

图3 11#煤开采顶板运动变化情况

据图3，工作面自开切眼持续推至90m 过程中，顶板上方约3m 的直接顶岩层（砂质泥岩、细砂岩）产生离层并相继弯曲下去，同时因岩层坚硬在采空区悬顶较大；工作面再次推进后（推进100m），直接顶岩层最终因弯曲下沉量过大在采空区垮落，垮落角为60°；同时，上部基本顶岩层因下部存在离层空间，而发生弯曲下沉。当工作面推进至120m 左右时，基本顶岩层在采空区破断，此时上部岩层表现为弯曲下沉，顶板破裂高度发育至22m。随着工作面持续推进，直接顶岩层在采空区即采即跨，且基本顶岩层周期性断裂，最终顶板断裂高度发育至42m。

3.3.2 开采14# 煤层

11#煤层开采结束，继续开挖14#煤层，中间留设煤柱。开采14#煤8902-1 工作面时，直接顶（砂质泥岩）产生离层，并在采空区垮落，随后基本顶岩层也相继垮落，最后顶板破坏高度大约是18m，垮落角为60°，如图4 所示。

图4 14#煤8902-1 工作面开采覆岩运动变化情况

图5 14#煤开采结束覆岩运动情况

分析图5 可知，14# 煤层8902-2 和8902-3 工作面覆岩运动情况与8902-1 工作面开采时基本一致，在8902-2 工作面的开采影响下，8902-1 工作面裂隙继续向上扩展，破坏高度达到20m 左右；8902-3 工作面开采后，破坏高度达到15m 左右。由于14#煤层的开采扰动导致间隔层断裂，引起11#煤顶板裂隙继续向上扩展，原生裂隙闭合，破坏高度大约为52m 左右。

3.3.3 开采3- 5# 煤层

上部侏罗系煤层群开采完后，重点开挖3-5#煤层。观测开采时特厚煤层顶板破断规律，见图6。

图6 3-5#煤层开采过程中顶板破断特征

由图6 可知，因3-5#煤层的开采厚度大，顶板岩层运动波及范围广；在工作面推至140m 范围内，因直接顶岩层厚度大、强度高，造成持续悬顶，但最终依次垮落，破断高度达到28m；同时，因3-5#煤层采出厚度大，垮落的直接顶岩层无法完全填充采空区，为上部岩层运动产生较大的活动空间，进而上部岩层弯曲下沉。

工作面推进距离切眼位置170m（即14#煤层遗留煤柱）左右时，由于14#煤层遗留煤柱的影响，亚关键层1（K3 砂砾岩）初次断裂，块度较大，顶板破坏高度达到58m；同时，其上方承担的软弱岩层随之垮落，亚关键层2 逐渐悬露，并开始弯曲下沉。当工作面推进210 m 时，亚关键层2 达到极限跨度而在采空区断裂，其上的软弱岩层整体性垮落，并迫使下方岩层破断，顶板破坏高度达到84m。此外，由于上覆硬厚岩层（主关键层）的存在，顶板破断运动并未波及到上部侏罗系煤层采空区，双系煤层未贯通。

当工作面推采260m 时，上覆主关键层的悬跨度不断增大，并最终因达到其极限值而破断，导致石炭系煤层顶板破断结构与侏罗系煤层采空区连通。此后，工作面推进距离切眼位置300m（即14#煤层第二遗留煤柱）左右时，14#煤遗留煤柱随之缓慢下沉，上覆顶板沿着煤柱边界产生竖向贯通性裂缝。由于3-5#煤层的开采影响，贯穿性裂缝越来越大，侏罗系煤层群覆岩破坏高度加大，达到63m 左右；当推进至400m（即上系煤层边界）时，由于遗留煤柱及边界的共同作用，覆岩沿着煤柱边缘切落，边界煤柱处产生竖向裂纹。

3.4 回采过程中遗留煤柱应力监测分析

模型共铺设26 个应力传感器，其中在11#煤边界煤柱内布设两个传感器（编号1、2）；在14#煤层边界以及区段煤柱内布设4 个传感器（编号分别为3、4、5、6），在14#煤区段煤柱正下布设1 个传感器，共4 个（编号分别为7、8、9、10）；在3-5#边界煤柱中各布设1 个传感器，在8207 工作面（遗留煤柱正下方）中每隔20cm 布设1 个传感器，共10 个传感器。

图7 14#煤左侧煤柱处4 号传感器监测结果

根据试验中传感器测得的压力，如图7，开采11#煤层时，14#煤柱处压力变化不大。当开采14#煤层第一工作面时，煤柱中垂直应力逐步变大，数据的变化呈现阶梯状增加，当开采完14#煤层第二工作面时，垂直应力达到最大，随着顶板垮落，采空区逐步被压实，煤柱处的垂直应力随之降低。当开采14#煤层第三工作面时，由于巷道距离传感器较远，开采对煤柱应力变化影响较小。开采3-5#煤经过遗留煤柱时，因为关键层断裂，区段煤柱切落，失去承载能力，应力得到释放，极易引发强矿压[6-8]。

3.5 回采过程中覆岩位移监测分析

3.5.1 测点布置

本次试验使用尼康NIVO2.M 型全站仪观测位移。本模型分别在关键层以及紧邻煤层的顶板中布设10 条观测线，其中11#顶板上方由上往下间隔20cm依次布设3 排测点（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ），在11#煤与14#煤间隔层布设2 排测点（Ⅳ、Ⅴ），分别距14#煤顶板2 cm、12cm。在3-5#顶板布设5 排测点（Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ、Ⅸ、Ⅹ），其中，分别距离3-5# 煤层顶板2cm、12cm、22cm、42cm、62cm。

3.5.2 监测结果分析

11#煤开采：由图8（a）可知，11# 煤刚开始开采时，覆岩几乎不移动，随着工作面的继续推进，下沉值慢慢变大，下沉曲线左右呈不对称的槽状。当推进至180m 时，1 号观测线7 号点的最大下沉值达2815mm。

14#煤开采：在14#煤开采过程中，由于区段煤柱的存在，阻碍顶板下沉，下沉曲线呈倒锯齿状，最大下沉量为2437mm。

3-5#煤开采：由图8（b）可知，在3-5#煤开采过程中，模型开挖至160m 时，上部22 m 位置的亚关键层垮落，其下沉量最大为12309 mm；以后，亚关键层呈周期断裂，其下沉值逐步增大，在开挖至240m 时达到13624 mm。

图8 顶板位移监测结果

由回采工程中顶板位移变化曲线可以看出，遗留煤柱以及关键层的存在对于顶板运动影响较大。

4 结 论

1）顶板破断结构裂隙演化规律：开采11#煤时，顶板最大破坏高度为42m，形态呈现拱形；随着14#煤的开采，11#煤上覆岩层裂隙进一步扩展，破坏高度加大，达到52m，同时两煤层之间的间隔层破坏，顶板裂隙贯通，形成破断顶板群结构。3～5#煤层厚、采高大，初采时由于关键层的存在，直接顶呈悬臂梁结构；当工作面推进至160m（14#煤层的遗留煤柱下方）时，亚关键层1 垮断，随后顶板周期性垮断，破坏高度达到60m；当工作面推至210m 时，亚关键层2断裂，之上控制的软弱岩层随之断裂，顶板破坏高度达到80m；当工作面推至260m，双系煤层群贯通，最终顶板破坏高度达到160m。

2）顶板破断结构应力演化规律：上部侏罗系煤层开采后，围岩应力平衡状态被打破，围岩应力重新分布，应力向围岩转移，在采空区上方形成应力拱，呈马鞍形。石炭系煤层的开采改变了上部侏罗系煤层群的应力及裂隙分布，使已稳定的顶板破断结构再次活动；同时，14#煤层遗留煤柱受到下部石炭系煤层的开采扰动，应力向下传递，造成应力场的叠加，极易引发下部石炭系煤层开采时发生强矿压事故。