沟壑地貌下综放开采覆岩破断特征研究

申斌学，朱 磊，朱德福，陈 娜

(1.中煤西安设计工程有限责任公司，陕西 西安 710054；2.中煤能源研究院有限责任公司，陕西 西安 710054；3.太原理工大学，山西 太原 030600；4.陕西地矿物化探队，陕西 西安 710043)

煤炭作为我国主体能源的结构在短期内难以改变，随着西部大开发战略的深入实施，我国煤炭资源的开发重心逐渐向西部转移，主要集中于黄土高原及内蒙古高原南部[1]。但黄土高原地形复杂，地表起伏大且沟壑地貌发育，坡体产状变化大[2]。开采实践表明，工作面在开采过程中易受到地表沟谷地形的影响，导致采场来压时间短、矿压显现剧烈，且压力大于常规开采工作面压力，工作面常会发生支架活柱急剧下缩甚至压架等动载矿压灾害事故，严重威胁煤矿的安全生产[3]。同时综放开采技术作为厚煤层开采的主要方法，其工作面开采空间大，顶板运移的动力过程强烈，使得矿压显现剧烈，易出现工作面支架动载冲击现象[4]。研究沟壑地貌下厚煤层综放开采矿压显现规律和覆岩破断特征对于此地貌下的工作面安全高效开采具有重要的意义。

综放开采的显著特点是一次采出煤层厚度较大，导致上覆岩层运动规律异于常规开采的工作面[5]，但综放开采工作面依旧存在周期性的矿压显现，且其矿压显现程度不一定大于单一开采的工作面[6]。张海峰等[7]采用地震探测和钻孔窥视等技术研究了浅埋厚煤层综放工作面覆岩破坏情况，为确定三带分布特征提供了新技术。韩军等[8]研究了厚煤层综放开采条件下覆岩破坏特征和破坏高度，确定了综放开采覆岩破坏高度与采出厚度呈正相关关系，并对其进行了量化。张玉军等[9]研究了高强度综放开采覆岩破坏高度，确定了采动裂隙发育特征和裂隙富集区的位置，同时得到了裂隙数量和埋深、裂隙宽度和裂隙数量的近似关系。于斌等[10]针对坚硬顶板综放开采的强矿压显现问题，建立了开采大空间岩层结构演化模型和下位组合悬梁与上位多层砌体梁”的结构特征，确定了覆岩远、近场关键层都可能影响工作面矿压显现，以及远近场关键层破断后所形成的结构。

针对沟壑地貌下工作面矿压显现异常的现象，研究人员从不同角度进行了研究。张志强[11]研究了沟谷地形下的工作面矿压显现规律，确定了沟谷位置处主关键层的缺失造成其破断后的块体水平作用力较小，难以形成稳定的承载结构而造成强烈的矿压显现，同时分析了沟谷位置的沟深和沟谷坡脚对工作面动载矿压显现的影响规律。王旭峰[12]分别从基岩型采动坡体和沙土质型采动坡体的角度出发，研究了工作面背沟推进时冲沟发育区浅埋煤层采动坡体活动机理，并针对性的提出了应对措施。赵杰等[13]研究了沟谷区域浅埋特厚煤层开采的矿压显现和覆岩破断失稳特征以及应力场分布规律，确定了工作面支架工作阻力的表达式，并解释了工作面动载矿压的形成机理。

上述学者的研究成果极大丰富了沟壑地貌对工作面矿压显现影响机理的理论，但多数研究主要集中于浅埋煤层综采工作面，而对综放工作面过沟壑地貌的矿压显现规律鲜有研究，且不同的地质条件具有不同的矿压显现特征。基于此，论文以王家岭煤矿12309工作面过地表沟壑地貌的条件为工程背景，采用相似模拟和数值模拟相结合的研究方法，探讨沟壑地貌对综放工作面覆岩运移和矿压显现的影响规律，揭示沟壑地貌对综放开采矿压显现的影响机理。

1 工程概况

王家岭煤矿12309工作面由工作面运输巷、回风巷、切眼以及相关绕道和硐室等组成。工作面东侧为12311工作面采空区，西侧为设计的12307工作面，工作面位置关系如图1所示。

图1 工作面位置关系

12309工作面开采2#煤层，煤层厚度3.09～8.50m、平均6.20m；煤层埋深297～407m、平均360m。工作面推进长度1320m，倾向长度260m。采用综放开采，采高3.1m，放煤高度3m，按一刀一放的正规循环作业，循环进度和放煤步距均为0.80m，自然垮落法管理采空区顶板。煤层直接顶为1.73m的粉砂岩，基本顶为9.9m的中粒砂岩，直接底为0.27m的泥岩，基本底为9.16m的粉砂岩。工作面对应地表的地貌为黄土塬、黄土梁和沟壑地段，且为厚黄土层覆盖，黄土层厚度介于16～148m，同时地表无基岩出露。

12309工作面地表沟壑发育，沟谷深度和边坡角度较大。结合相关研究可知：工作面在经过地表沟谷阶段时矿压显现异常、来压强度较大，对工作面作业人员和设备产生较大的威胁，同时12309工作面采用综放开采，煤层开采后采空区空间较大，故有必要研究综放开采工作面过沟壑地貌的矿压显现规律和特征。

2 综放开采覆岩破断特征研究

相似模拟研究是一种重要的科学研究方法，是以相似理论为基础，借助事物或者现象之间存在的相似特征来研究自然规律的物理模拟方法。该方法具有试验条件易控、周期短、效率高、试验过程可重复及结果直观形象等优点，在采矿领域受到广泛应用，尤其是对工作面开采后的覆岩运移规律和破坏特征等方面的研究。

2.1 模型建立

试验采用平面应变相似模拟实验平台，设备尺寸为5.0m(长)×3.0m(高)×0.2m(厚)，其四周和底板采用20#槽钢和6mm厚的亚克力板进行约束。结合矿井具体地质条件和试验台尺寸，确定容重相似常数为1.5、几何相似常数为150、应力相似常数为225、时间相似常数为12.24以及速度相似常数为1836。同时根据相似材料选择及其配比的相关原理，相似模拟试验中以水、石灰、沙子和石膏为相似材料，各岩层以单轴抗拉强度为主要参考指标，按照强度相似比进行各材料的配比，各岩层相似材料配比方案见表1。

相似模型布置方案如图2所示。为减小边界效应对工作面开采的影响，模型左右两侧留设20cm的煤柱[14]。相似模型中开采高度为4cm(相当于实际煤层厚度6.0m)，模型从右向左依次开挖，开挖步距2.3cm(相当于实际工作面3.45m/d)，共计开挖140次。模型开挖过程中采用高速摄像机记录工作面覆岩运移和破断形态。

图2 相似模型布置方案

2.2 覆岩结构演化规律

考虑到相似模型设备的结构，模型分两阶段开挖，第一阶段开挖模型右侧部分，其中模型开挖后的覆岩结构变化如图3所示。

由图3可知：工作面推进初期，直接顶岩层出现少量横向裂隙，覆岩整体较稳定，如图3(a)所示。随着推进距离增大，垮落的下位直接顶难以充满采空区，使的裂隙向上层位发育以及上位直接顶开始垮落，同时直接顶形成组合悬臂梁结构，如图3(b)所示。推进至120m时，基本顶垮落岩块相互铰接形成砌体梁结构，如图3(c)所示，其上方较软弱岩层随基本顶同步变形破坏，之后随着推进距离进一步增大，当主关键层弯曲下沉并产生纵向裂隙时，直接顶呈悬臂梁式垮落，此时基本顶形成的砌体梁结构依旧保持稳定。当推进至345m时，基岩顶部与黄土层发生离层，如图3(d)所示，此时主关键层发生破断，失去了对上覆岩层的控制作用，地表黄土层不均布载荷与采动应力相互叠加。工作面开采结束并静置一段时间后，覆岩与黄土层间的裂隙闭合，黄土层呈拱形破坏，且破坏高度发育至地表，如图3(e)所示，同时在黄土层上坡段出线地表裂缝，如图3(f)所示。

图3 覆岩结构变化特征(第一阶段)

第一阶段工作面回采结束后进行第二阶段工作面开采，且工作面左右两端分别留设30m煤柱，以消除边界效应对模拟结果的影响。其中第二阶段开挖后的覆岩结构变化如图4所示。

由图4可知：工作面推进初期，直接顶岩层出现少量横向裂隙，覆岩整体较稳定；随着推进距离增大，下位直接顶垮落并使得裂隙向上层位发育，使的上位直接顶出现弯曲下沉并破断。当工作面推进至一定距离时，基本顶出现超前裂隙并整体向采空区后方回转。之后基本顶发生周期性破断，且破断块体形成铰接结构，同时覆岩弯曲下沉加剧，裂隙增多。随着推进距离进一步增大，主关键层弯曲下沉加剧，基岩与黄土层之间出现离层裂隙，此时上位直接顶形成的铰接结构遭到破坏。第二阶段工作面采完静置一段时间后，基岩与黄土层间的裂隙逐渐闭合，黄土层整体呈拱形破坏，且拱内纵向裂隙发育，高度发育至地表。

图4 覆岩结构变化特征(第二阶段)

综合工作面两阶段开挖过程中的覆岩结构变化规律可知：覆岩垮落形态整体近似梯形，且基本顶初次破断步距为35m，周期来压步距介于23～34m之间。工作面采完之后，直接顶全部垮落充填在采空区内，基本顶周期性破断形成的块体在采空区内形成砌体梁结构；且主关键层控制着基岩与黄土层之间的离层与否，同时工作面两侧形成沿破断角发育的裂隙，并贯通黄土层，进而形成地表裂缝。

3 综放开采覆岩塑性区演化特征研究

项目采用数值计算方法，研究工作面推进过程中的覆岩塑性区演化规律，进而验证相似模拟结果的正确与否。

3.1 模型建立

结合王家岭煤矿12309工作面具体地质条件，采用FLAC3D数值模拟软件，选取相似模拟研究的区段进行分析(工作面回采350～1100m之间)，建立直至地表的三维数值计算模型，如图5所示。

图5 数值计算模型

模型长度1450m、宽度320m和高度280～430m，模型共划分为1416357个单元格和966355个节点，采用摩尔库伦本构模型作为煤岩体的破坏准则。模型底部固定垂直方向位移，四周限制水平方向位移。

3.2 覆岩塑性区演化规律

数值计算模型初始平衡后，在模型左右两侧留设30m保护煤柱，以消除边界效应对模拟结果的影响，其中不同开挖距离的覆岩塑性区分布如图6所示。

图6 覆岩塑性区分布图

由图6可知：工作面推进初期，顶板塑性区扩展深度较小，约为3.2m，煤壁破坏深度约2.5m左右；随着工作面推进距离增大，顶底板塑性区扩展深度逐渐加大。当推进至10m时，直接顶岩层范围内全部出现拉破坏，可近似认为直接顶初次垮落，且煤壁前方4m范围内出现塑性破坏；工作面推进至30m时，煤层上方10m厚的基本顶出现大范围的拉破坏，且拉破坏两端出现剪切破坏，说明此时基本顶初次垮落。之后随着工作面继续推进，覆岩由下向上依次发生移动，当推进至120m时，主关键层下部软弱岩层发生超前工作面的破坏现象，此时可认为主关键层出现弯曲下沉；当推进至200m时，主关键层未完全破坏，但其随动岩层发生超前工作面的破坏，且黄土沟壑地表上坡段出现剪切破坏，说明基岩最上方的亚关键层(粉砂岩)发生弯曲下沉，此时由于地表起伏较大不稳定，在受到采动影响时出现破坏现象。推进至400m时，采空区基岩基本发生破坏，且地表黄土层出现超前剪切破坏，加之采空区最大位移集中在上坡段中部，说明此时地表黄土层的不均布载荷和采动应力相互影响，即沟壑地貌下的综放开采覆岩运移规律不同于一般的综放开采。推进至600m时，地表沟壑上坡段出现拉破坏，且顶板最大位移集中在上坡段中部，即此时黄土层出现向采空区后方回转下沉的趋势，其受采动影响严重。推进750m时，上坡段和黄土层底部出现塑性区，说明工作面覆岩破坏情况加剧，地表黄土层不稳定，易于和采动应力相互影响，进而造成工作面较大的矿压显现。

综上所述，黄土沟壑地貌对工作面覆岩塑性区发育影响明显。在开采初期，由于主关键层较稳定，使的黄土沟壑地貌下的综放开采与普通综放开采工作面矿压显现规律大致相同。当主关键层发生破断后，由于黄土沟壑地貌条件下的不均布载荷与采动应力相互叠加，使的顶板下沉量最大值偏向黄土沟壑上坡段下方，导致覆岩和黄土层上坡段区域整体出现向采空区后方回转下沉的趋势，进而造成强烈的矿压显现，数值模拟结果与相似模拟结果相互吻合。

4 结 论

1)针对沟壑地貌下综放开采工作面矿压显现规律易于常规开采工作面的现象，综合采用相似模拟和数值模拟的研究方法，揭示了主关键层破断后，地表不均布载荷与采动应力相互叠加，导致工作面矿压显现剧烈。

2)相似模拟研究了沟壑地貌下综放开采覆岩结构演化规律，量化了基本顶初次破断步距为35m，周期来压步距介于23～34m；确定了覆岩垮落形态整体近似梯形以及主关键层的破断将引起基岩与黄土层之间的离层，使的裂隙贯通黄土层，进而形成地表裂缝。

3)数值模拟研究了工作面覆岩塑性区演化规律，确定了主关键层破断与否决定了沟壑地貌下的综放开采和普通综放开采的矿压显现区别。主关键层破断后，黄土沟壑地貌的不均布载荷和采动应力相互耦合，导致顶板位移最大值偏向沟壑上坡段，引起覆岩和上坡段区域出现向采空区回转的趋势，造成强矿压显现。

4)通过揭示沟壑地貌对综放开采矿压显现的影响机理，研究沟壑地貌与综放开采的互馈规律是实现资源协同开发的主要手段，文中研究结论可为相似条件下的工作面推进规划提供借鉴。