特厚煤层相邻工作面开采覆岩运移规律研究

来兴平，李军伟，崔 峰 ，单鹏飞

（1.西安科技大学 能源学院，陕西 西安 710054；2.西安科技大学 教育部西部矿井开采及灾害防治重点实验室，陕西 西安 710054）

埋藏于地下工作面的煤层开采会引起覆岩原岩应力状态发生变化，导致覆岩产生位移变形和破坏，进而形成覆岩的垮落带和断裂带，以往对于采动覆岩运移和破坏规律多集中于单一工作面煤层开采条件的研究[1-9]，然而覆岩运移破坏是1 个复杂的时间和空间问题，采空区覆岩运移破坏不仅与本工作面煤层开采有关，而且受相邻工作面煤层开采的影响，王建军采用软件计算得到相邻工作面开采后地表变形值小于2 个工作面单采后的变形值的累加和[10]，张恒讨论了两侧采动范围不同时孤岛覆岩断裂破坏特征[11]，杨友伟通过FLAC3D数值模拟分析得到工作面推进支承压力分布规律与不同错距时两相邻工作面支承压力叠加的影响特征[12]，朱广安指出相邻多个工作面采空区上覆岩层大范围的协同破断和运动是孤岛煤柱冲击矿压的主要诱因[13]，何满潮运用FLAC3D数值模拟对相邻工作面区段煤柱4 种不同开采方式的应力分布特征进行了数值模拟和对比分析[14]，郝建研究得到孤岛工作面长度大于相邻工作面支承压力影响范围之和时，孤岛工作面支承压力无法叠加，工作面较安全[15]，王旭涛采用FLAC3D数值模拟大倾角厚煤层一次全高开采相邻两工作面基本顶的初次来压步距、周期来压步距以及支承压力系数进行了分析[16]。以上作者分别对相邻采空区支承压力分布、覆岩协同破坏运动以及孤岛工作面受相邻采空区影响研究，较少系统地从相邻工作面先后开采后空间应力、位移与破坏演化方面研究覆岩运移破坏规律。基于此，以某矿2 个典型相邻特厚煤层工作面为背景，通过FLAC3D数值模拟得到相邻工作面先后回采覆岩应力、位移和破坏数据，应用Origin 数据处理软件绘制三维空间应力和位移云图，结合覆岩三维破坏特征研究覆岩运移破坏规律，最后通过现场覆岩钻孔窥视探测证实覆岩运移破坏特征，并结合经验公式得到相邻工作面开采覆岩更为合理的“两带”破坏高度，为煤炭安全开采提供科学依据。

1 工程地质条件

模拟2 个相邻的上下区段工作面分别为某矿4#煤层的1141 工作面和1143 工作面，该煤层埋深613～619 m 左右，倾角 0°～3°，平均厚度为 6 m 左右，分布稳定，属于浅埋近水平特厚煤层。两相邻工作面走向长800 m，倾向长240 m，中间区段煤柱宽度40 m，应用大采高综采开采方法。覆岩地层岩性主要以不同粒度的粗粒砂岩、砾岩、泥岩、细粒砂岩及少量中粒砂岩组成，最上层有92 m 左右的土层覆盖，总体形态为走向西北-东南，倾向北东的单斜构造，地层倾角0°～7°，地质勘探没有断距大于20 m的断层及其它构造，属于稳定、构造简单地层。

2 FLAC 数值模拟模型建立

2.1 模型建立

以4#煤层相邻的1141 工作面和1143 工作面为对象，运用FLAC3D有限元软件建立三维计算模型，模拟采动覆岩的应力、位移和塑性破坏演化特征，考虑到工作面开挖覆岩影响范围、围岩变形的协调性以及数值模拟计算方便，建立680 m×1 000 m×539 m 的模型，其中x 轴为工作面倾向方向，y 轴为工作面推进方向，z 轴为垂直地层方向，模型共划分387 600 个单元和404 202 个节点；模型四周边界为单约束边界，下部边界为全约束边界，即水平和垂直方向均固定，上部边界为自由边界；模型共模拟14 层煤岩层，由于没有对黄土层进行模拟，故在上部边界施加1.64 MPa 的等效荷载；模拟4#煤层沿x方向布置2 个工作面（上、下区段工作面），工作面倾向长度均为240 m，走向长度均为800 m，两工作面间留40 m 的区段煤柱，为避免边界效应，模型留不小于80 m 边界，三维模型如图1。

图1 三维模型示意图Fig.1 Schematic diagram of 3d model

2.2 破坏准则的确定

根据现场地质资料和对采集的岩石力学试验结果，三维数值计算采用莫尔-库仑（Mohr-Coulomb）屈服准则描述煤岩体的破坏行为：

式中：fs为屈服函数；σ1、σ3分别为最大和最小主应力；c、φ 分别为黏聚力和内摩擦角。

当fs>0 时，材料将发生剪切破坏；在通常应力状态下，岩体的抗拉强度很低，因此可根据抗拉强度准则（σ3≥σT）判断岩体是否产生拉破坏，σT为抗拉强度；破碎岩体在极限应力状态下的应力状态和岩石强度参数之间的关系采用库仑准则表示，即：

式中：τ 为剪切面上的剪应力；σ 为剪切面上的正应力。

2.3 煤岩体物理力学特性

根据现场开采以及试验的需要，采集了工作面周围煤岩样品，完成单轴和三轴岩石力学参数试验，获得煤与岩体的定量物理力学参数（表1），为三维数值计算提供了可靠的依据。

3 数值模拟结果分析

数模拟中上下区段工作面分别对应矿井的1141工作面与1143 工作面，工作面模拟采高为6 m，模拟推进步距10 m，即工作面回采10 m 进行1 次模型计算，采集工作面回采 200、400、600、800 m 时采空区覆岩的应力和位移数据制作三维云图，结合覆岩走向和倾向塑性破坏从三维空间角度对比分析相邻工作面回采后覆岩应力、位移及塑性破坏演化特征。

表1 煤岩体力学参数Table 1 Mechanical parameters of coal and rock

3.1 采动覆岩应力演化特征

工作面回采的过程中破坏了覆岩的原岩应力场平衡状态，引起了应力重新分布，位于采空区低位岩层垮落，垂直应力得到释放，应力值随着回采趋于0 MPa，位于采空区高位岩层形成稳定结构，将岩层质量传递至采空区周围新的支承点，在采空区四周形成支承压力带，采集工作面覆岩10 m 层位在不同推进距离的垂直应力数据，绘制的采动覆岩垂直应力演化特征如图2，由图2 可知，覆岩原岩应力为13 MPa，在上区段工作面回采过程中，工作面前方70～100 m 形成超前支承压力，压力峰值距工作面煤壁20～30 m，应力增高系数为1.5～1.9，随工作面采过一段距离后，采空区周围60～80 m 形成1 种稳定的残余支承压力，压力峰值距采空区煤壁10～20 m，应力增高系数1.5～1.7；在下区段工作面推进400 m 时，上区段采空区在中间区段煤柱侧的残余支承压力与下区段的工作面超前支承压力叠加，在工作面煤体与区段煤柱的拐角形成较高的支承压力，应力增高系数可达1.9～2.2；在下区段回采工作面的后方，相邻采空区侧向支承压力相互叠加，在区段煤柱上形成1 种单峰值的叠合支承压力，峰值应力增高系数为2.2～2.4，当下区段工作面回采结束，相邻采空区垂直应力在中间区段煤柱上的叠加峰值应力增高系数达到2.4～2.9。

3.2 采动覆岩位移演化特征

工作面煤层回采过程中，后方采空区上部岩层由于失去支承而向采空区内逐渐移动、弯曲和破坏，从而产生向下的垂直位移，覆岩破坏随着回采工作面的不断推进，逐渐从采空区低位岩层向高位岩层扩展，采动覆岩垂直位移演化特征如图3，当上区段工作面推进200 m，采空区覆岩10～170 m 层位产生最大垂直位移为 1.77、1.47、1.13、0.89、0.69 m，采空区上方低位岩层位移大于高位岩层；在工作面推过一定距离后，覆岩垂直位移随回采趋于稳定，工作面从200 m 推进至800 m，采空区覆岩10 m 层位产生最大垂直位移为 1.77、2.52、3.36、3.61 m；下区段工作面开采，后方采空区覆岩不同层位垂直位移随着工作面回采逐渐趋于稳定值（同上区段相似），中间区段煤柱覆岩在极大应力的作用下产生垂直位移，当工作面推进至800 m，煤柱上方高位岩层垂直位移产生较大的垂直位移，煤柱覆岩170 m 层位最大垂直位移最终稳定在4.12 m。相邻上下区段采空区高位覆岩垂直位移在煤柱上方耦合同时向下运动。

图2 采动覆岩垂直应力演化特征Fig.2 Evolution characteristics of vertical stress in mining overlying strata

图3 采动覆岩垂直位移演化特征Fig.3 Evolution characteristics of vertical displacement in mining overlying strata

3.3 采动覆岩塑性破坏分析

工作面煤层开采会导致采空区覆岩发生不同程度破坏，从而使覆岩出现垮落带和导水断裂带，FLAC3D数值模拟通过塑性区展现覆岩的破坏，采动覆岩破坏演化特征如图4，工作面煤层开采，采空区上方覆岩产生拉裂破坏，两端覆岩产生剪切破坏，覆岩拉裂破坏沿走向形成1 个拱形，拱顶和拱脚分别位于采空区上方与两端，随着工作面推进，破坏拱高度上升，即工作面从200 m 推进至800 m，拱高度依次为23、35、43、43 m，覆岩破坏高度呈现“增大-稳定”趋势。同时，覆岩拉裂破坏沿倾向也是1种拱形破坏，在上区段工作面回采结束时，采空区覆岩拱形的高度为43 m，下区段工作面结束，覆岩沿倾向形成双破坏拱结构，上区段采空区破坏拱高度上升至59 m，下区段采空区覆岩破坏拱高度达到51 m，中间区段煤柱覆岩在极大的应力作用下产生了较高的剪切破坏，两侧采空区破坏拱与中间剪切破坏耦合形成1 个横跨2 个采区的破坏拱，拱形高度达到了74 m。

图4 采动覆岩破坏演化特征Fig.4 Failure evolution characteristics of mining overlying strata

4 覆岩破坏现场监测及经验估算

4.1 现场监测分析

矿井工作面在回采过程，为了解采空区覆岩破坏情况，对覆岩进行钻孔窥视，窥视钻孔布置在工作面中部与两端液压支架架前，以ZDY1000 钻机及其配套钻杆向采空区覆岩进行施工，孔径75 mm，孔深 60～80 m，仰角 70°，钻孔窥视采用 YSZ（B）钻孔窥视仪，测量深度能够达到80 m。为探明随工作面推进采空区覆岩破坏，每推进100 m 进行1 次钻孔窥视，统计分析每次钻孔窥视探测的破碎岩层和裂隙岩层临界深度，求解钻孔深度的正弦值（h×cos70°）得到工作面整个回采过程采空区覆岩破坏高度情况，随工作面推进覆岩破坏特征如图5，由图5 可知，覆岩破坏随工作面回采呈现“增大-稳定”趋势，沿工作面倾向方向，采空区中部覆岩破坏高于两端，在1141 工作面回采结束时，中部垮落带和断裂带高度分别为 15.65 m 与 32.65 m，两端高度分别均为 11.14 m 与 23.26 m 左右，采空区覆岩沿工作面倾向形成1 个拱形破坏；在1143 工作面回采结束时，其采空区中部垮落带和断裂带高度达到22.94 m 与 45.36 m，上端头高度（区段煤柱侧）达到 19.01 m 与 39.79 m，下端头高度为 13.02 m 与 33.30 m，相邻采空区覆岩沿工作面倾向形成双拱形破坏，且破坏拱高度整体上升，耦合形成1 个横跨两侧采空区的破坏拱。采空区覆岩钻孔窥视结果证实了数值模拟覆岩破坏特征，即采空区覆岩破坏随工作面回采呈现“增大-稳定”趋势，相邻采空区覆岩沿倾向形较大的双拱形破坏，耦合形成1 个横跨两采空区的破坏拱。

图5 随工作面回采覆岩破坏特征Fig.5 Failure characteristics of overlying strata with mining working face

4.2 覆岩“两带”经验估算

现场实测中覆岩钻孔窥视探测采空区前端（60～80 m）×cos70 范围内覆岩破坏状况，从数值模拟结果可知采空区覆岩破坏沿走向呈现拱形破坏，即采空区中部破坏高度大于两端破坏，因此，覆岩钻孔窥视得到最终的“两带”破坏高度需要结合经验公式进行适当的增大；根据覆岩断裂带和垮落带破坏高度计算经验公式，结合4#煤层开采地质条件，确定垮落带和断裂带高度理论公式：

式中：∑M 为煤层的累计开采厚度，m；Hk为垮落带高度，m；Hli为断裂带高度，m。

4#煤层的赋存厚度为6 m，工作面的采高∑M=6 m，通过计算：煤层开采后垮落带高度Hk为7.1～18.3 m，断裂带高度 Hli为 39.9～51.1 m。

与采空区覆岩“两带”破坏高度估算结果相比，可以发现相邻工作面采后实测垮落带最终稳定高度22.94 m 和断裂带最终稳定高度 45.32 m 接近相应估算的上限高度，且数值模拟最终横跨两采空区破坏拱高度59 m 接近估算断裂带上限高度51.1 m，即估算断裂带上限高度处于实测高度和数值模拟高度之间，因此矿井4#煤层开采导致覆岩“两带”破坏高度取估算上限值比较合理。

5 结 论

1）相邻工作面煤层开采，两侧采空区侧向残余支承压力在中间段煤柱形成应力增高系数为1.9～2.9 的叠加支承压力，在极大的应力作用下，中间区段煤柱覆岩产生较大的垂直位移和塑性破坏，两侧采空区高位覆岩垂直位移在煤柱上方耦合同时向下运动。

2）采空区覆岩沿走向和倾向形成拱形破坏，走向破坏拱高度随工作面回采呈现“增大-稳定”趋势，在相邻工作面开采后，覆岩沿倾向形成2 个较大的双拱形破坏，与中间区段煤柱较大的剪切破坏耦合，构成横跨两采空区更大的破坏拱。

3）采空区钻孔窥视证实覆岩破坏随工作面回采呈现“增大-稳定”趋势，相邻采空区覆岩沿倾向形成较大的双拱形破坏，且破坏拱高度整体上升，耦合形成1 个横跨两采空区的破坏拱，同时结合数值模拟破坏拱高度、现场实测覆岩破坏高度与“两带”高度经验公式结果相结合，得出了矿井4#煤层相邻工作面开采导致覆岩“两带”破坏高度取估算上限值更为合理。