西部煤炭集约化开采损伤传导机理与源头减损关键技术

李全生，郭俊廷，张 凯，阎跃观，张 村，徐祝贺1,

(1. 煤炭开采水资源保护与利用国家重点实验室，北京 102209；2. 中国矿业大学(北京) 能源与矿业学院，北京 100083；3. 北京低碳清洁能源研究院，北京 102211;4. 国家能源投资集团有限责任公司，北京 100011)

集约化开采是相对粗放开采而言，指集高素质人才、先进装备、高水平管理等为一体，以节约、高效为目标的现代化开采方式，包含规模与效率2个方面。西部煤炭集约化开采实质是由新技术投入带来的生产成本的降低、生产效率与煤炭产量以及管理水平的提高。西部矿区具有煤层埋藏浅、瓦斯涌出量较低、水文地质条件相对简单等独特赋存特征，给集约化开采提供了有利条件，奠定了我国西部能源“金三角”煤炭开发在国民经济发展中的地位，为国家能源安全提供了保障[1]。同时，西部浅埋、高效开采也引起了覆岩含水层、地表建(构)筑设施或地表生态环境的损伤。为协调煤炭资源开发与矿区和谐可持续发展，我国科技工作者针对西部高强度开采进行了一系列研究，包括：① 地表移动变形规律；② 地表采动裂缝发育规律；③ 覆岩破坏形式与裂隙特征；④ 顶板结构及稳定性；⑤ 对水土植被的影响；⑥ 开采损伤预测预报；⑦ 开采损伤监测；⑧ 开采损害防治技术等。

西部高强度开采在覆岩与地表移动方面的研究，主要以现场实测或试验模拟的方式开展，其中非连续变形发育、地表下沉速度快和地表移动持续时间短为其主要特征[2]。地表采动裂缝主要分布在采空区边界对应地表位置附近，工作面上方地表以几何特征动态变化的裂缝为主，因松散层性质差异，工作面中部地表裂缝一般在工作面推过一段距离后闭合，部分条件下不完全闭合[3-8]；且对裂缝附近土壤含水量、氮磷钾含量、有机质含量及根际生物活性均产生影响，是造成生态损害的主要原因之一[9-11]。在覆岩破坏方面，着力解决采场矿压和覆岩含水层的保护问题，主要围绕“横三区”、“竖三带”理论开展覆岩破坏范围和高度的相关研究，其中西部浅埋高强度开采，因开采深厚比与覆岩性质的差异，覆岩破坏以“两带”和“三带”模式并存[12-15]，限于研究手段和探测技术水平，岩层分区仅为定性或经验性判断方法，缺少分区范围的准确判定方法；针对采场矿压显现与岩层控制，有学者提出并研究了基本顶周期来压的“短砌体梁”和“台阶岩梁”结构模型[16]。顶板结构稳定性也是围绕解决安全生产开展的相关工作，如工作面压架、片帮等问题[17-18]。顶板结构稳定性主要围绕传统砌体梁或台阶岩梁进行分析和研究，对于浅埋煤层开采顶板结构，许多学者进行了有益探索，提出了诸如关键块理论、岩块滑落失稳和回转失稳以及基于突变理论的相关理论与判定方法[19-22]，对工作面安全控制与评价提供了理论依据。

此外，有学者对西部集约化开采矿区含水层影响、土壤参数及植被的影响也进行了研究。研究表明，开采引起含水层水位降低后，一定时间后基本恢复到采前水平[23-26]；沉陷区土壤含水量、氮磷钾及有机质含量开采过程中会降低，采后12～18个月基本恢复至采前状态；因采动影响的时间效应，在开采影响区内植被变化稍滞后于开采时间，从植被覆盖度来看，开采影响区内植被盖度会低于周边未开采区域[26-27]，表明开采对植被产生了一定影响，具体影响程度和影响时间仍在进一步研究。为分析开采的影响情况，许多学者对覆岩导水裂隙及地表移动变形预测进行了研究，但因浅埋高强度开采覆岩破坏形式和地表移动状态与其他开采条件的差异，致使预测机理认识不足，其预测方法尚需进一步研究。为准确进行开采损害的预测预警，开采损伤现场监测是其必要手段，目前覆岩损伤监测常用的有瞬变电磁法或大地电磁方法、地面钻孔漏失液法、钻孔电视监测法、微震监测分析法以及井下仰孔的相关观测方法[28-29]，这些都是较为准确和可靠的研究方法，目前《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》中所用“三带”计算方法来自实测统计成果。随着现代监测技术的进步，除传统的水准仪、全站仪监测外，针对不同监测条件和精度要求GNSS、InSAR、三维激光扫描和无人机变形监测均在矿区得到了普遍使用，并在监测方式上进行了集成应用，克服了单一仪器在监测精度或效率方面的不足，可更加准确地把握地表移动的基本规律[30]。许多学者利用上述研究结果，提出了一些高强度开采的损伤防治的技术途径，如开采工艺选择(综采工艺、综放工艺和分层开采工艺)、工艺参数优化(采高、工作面长度、采放比、支架阻力等)、长壁机械化快速推进、风积沙充填以及“短充长采”等技术思路[16，31-34]，对损害防治进行了积极有益的探索。

从研究内容看，目前主要集中在采场、覆岩、地表或地表的水土植被影响与规律的某一方面，缺乏从损伤源头至地表影响整个过程的系统研究，尤其在损伤传导机理方面，还需进行深入系统研究。从研究手段看，目前的单点监测，虽具有较高的可靠性和精度，但效率低，不适于大范围开展，成本高也是一显著弊端。非接触、高效率、高精度的观测方法应是发展趋势。为此，笔者依托西部集约化开采损伤空天地一体化监测手段，对开采损伤传导机理和减损技术进行研究，以期为开采减损提供技术支撑。

1 西部煤炭集约化开采损伤规律

1.1 研究区概况

神东上湾煤矿12401综采工作面是1-2煤四盘区首采工作面，倾向长300 m，走向长5 255 m，采高8.6～8.8 m，地表标高+1 188～+1 300 m，底板标高+1 043～+1 066 m。地表为第四系风积沙覆盖，部分区域为黏土，地形复杂，沟谷纵横。煤层伪顶为泥岩，直接顶为灰白色细粒砂岩，基本顶为灰白色粉砂岩。

1.2 集约化开采覆岩移动特征

(1)通过高密度电法+覆岩钻孔观测+矿压在线监测实现覆岩运移规律探测，测得上湾煤矿12401工作面初次来压步距46.4 m，周期来压步距9～26 m，平均来压步距15 m(图1)；垮落带高度33 m，断裂带高度124 m。

图1 上湾矿12401工作面矿压分布Fig.1 Monitoring of rock pressure at 12401 panel in Shangwan Coal Mine

(2)西部煤炭现代高强度开采覆岩损伤严重，矿压显现强烈。与中低强度开采相比，周期来压步距增大0.41～0.73倍，动载系数增加0.24～0.31倍。

1.3 集约化开采地表移动及裂缝发育规律

1.3.1上湾矿12401工作面地表移动特征

上湾煤矿实测结果表明，地表移动变形剧烈。地表水平变形最大实测值达126 mm/m(为建筑物最大损坏等级指标的10倍以上)，地表下沉速度(800 mm/d)为中低强度开采的3倍左右，地表移动周期为中低强度开采的1/3；水平移动系数和拐点偏移系数均明显大于中低强度开采。

1.3.2上湾煤矿12401工作面地表裂缝发育规律

通过“无人机红外遥感+探地雷达+实地测量”采动裂缝精细化识别方法实现采动影响区裂缝全周期、精细化监测与识别。随工作面的推进，地表裂缝呈周期性的不断向前发育，2组断裂带中的2个主裂缝间距约为130 m，且90%以上的裂缝发育深度在4 m以内。主裂缝经历“产生—扩展—压缩—稳定”发育过程；主裂缝不闭合，稳定后裂缝残余宽度为裂缝最大宽度的37%左右(图2)；沿工作面推进方向裂缝密度约2 212条/km。

图2 实测裂缝宽度变化曲线Fig.2 Measured variation curves of crack width

1.3.3煤炭集约化开采地表移动规律

(1)地表移动剧烈，下沉量及下沉速度大。地表最大下沉6 m，最大下沉速度800 mm/d，下沉系数一般0.5～0.7，重复采动时一般大于0.7。

(2)地表移动持续时间短。移动延续时间一般为1.0H0(H0为平均采深，m)天左右。

(3)裂缝及台阶发育，周期性显著。部分开采条件伴随塌陷坑、台阶地堑。

(4)裂缝自修复程度受表土性质影响较大。风积沙区裂缝一般7～15 d会闭合；黏性土区裂缝达到最宽后一般会逐渐缩小，无人为干预时，主裂缝难以自然闭合。

(5)非连续变形对下沉影响小，但对水平移动影响大。非连续变形未改变地表下沉分布特征，但明显改变了水平移动及水平变形分布状况。

2 集约化开采损伤传导特征与机理

2.1 采动损伤井上下关联特征

高强度开采矿区覆岩损伤呈现下位基本顶破断-上位关键层断裂-地表主裂缝产生的周期性对应传导关系。发现神东上湾煤矿12401工作面下位基本顶破断距-上位关键层断裂距-地表主裂缝间距呈“331”对应关系(图3)，即3次下位基本顶的破断回转下沉造成1次上位主关键层破断，3次上位主关键层的破断运移形成1组地表主裂缝。

图3 上湾矿基本顶-关键层-地表裂缝实测对应关系Fig.3 Measured correspondence between the basic roof of the Shangwan Coal Mine basic top-key layers-surface cracks

2.2 覆岩移动变形特征

图4～6为以模拟速度5 m/d和15 m/d开采的覆岩损伤及传递结果。由图4，5可知，集约化开采覆岩移动无论纵向或横向均具有典型的阶段性变形或破坏特征，这与二维梁拱模型及三维板壳模型运动破坏特征一致。当工作面推进135 m时，模型Ⅰ，Ⅱ基本顶均发生断裂(图4)，且模型Ⅰ覆岩移动高度为72 m，模型Ⅱ覆岩移动高度为56 m，较模型Ⅰ覆岩垮落高度降低22.2%；当模型Ⅰ，Ⅱ工作面分别推进255，285 m，2者覆岩移动高度均发育至地表。因开采速度的差异，覆岩破断长度及工作面来压存在差异，试验及前期实测结果均表明，推进速度快周期来压步距增大，动载系数也相应增大，但相同开采尺寸和采动影响未波及覆岩主要承载结构时，快速开采可减小开采影响的范围和程度。

图4 基本顶初次破断覆岩破坏分布Fig.4 Distribution of overburden failure caused by primary breaking of basic roof

图5 不同开采速度下覆岩损伤传递相似模拟结果Fig.5 Similar simulation results of overlying rock damage transfer at different mining speeds

由图6可知，工作面自开切眼回采，直接顶随采随冒，开采速度对覆岩损伤的传导影响不显著；基本顶破断后，相同开采尺寸下，模型Ⅰ覆岩移动影响高度大于模型Ⅱ，快速推进时，采空区垮落矸石未充分压实，基本顶回转角减小，上覆岩层移动高度在同样开采尺寸时相对减小，减小量为20%～40%，这为快速开采条件下，覆岩结构稳定性控制和损伤传递控制提供了条件；但充分采动后，因覆岩最上层承载结构失稳，采动影响完全传至地表，开采速度对覆岩的影响基本一致。因此，必须在工作面充分采动前实施控制措施，才能有效控制覆岩及地表的采动损伤程度。

图6 覆岩移动高度随工作面推进距离变化曲线Fig.6 Movement height curves of overburden with advance distance of working face

2.3 覆岩损伤传导机理

相同地质与采矿条件下，在特定开采空间，采动引起损伤的总量为一定值，其中岩体的变形、断裂、垮落均为损伤的表现形式，为此，笔者将覆岩“三带”范围岩体的移动变形均称为损伤。

开采空间可引起的采动损伤总量，与岩层移动稳定后各层变形破坏耗散的损伤总量一致(因量级差异，本文忽略热能消耗)。开采损伤传至地面即为采动损伤能量传递的过程。以煤炭开采空间可引起的能量变化作为损伤能，根据煤层埋深所处的应变能计算，则每天采动损伤能Ed为

(1)

其中，K为煤体的体积模量，MPa；L为工作面长度，m；v为工作面的进尺，m/d；L为工作面长度，m；H为采高，m；εV为煤层原始地应力所造成的体积应变。由式(1)可知，采动损伤能与开采强度正相关，开采强度越大，对覆岩扰动越大，引起的损伤能越大。能量一般以波的形式由近及远传递，在范围扩张的同时，能量逐渐衰减耗散。因覆岩为非弹性体，在能量传递过程中发生塑性变形破坏，进一步消耗能量。因此，采用能量传递描述采动损伤传导可较好反映覆岩破坏特征。图5损伤传递模拟表明，随开采推进距离的增加，采动损伤能传递范围不断扩大，但存在临界损伤传播距离，即损伤能量传递过程中不断耗散，剩余损伤能不足以造成覆岩损伤的临界能量值。此时，采动损伤形成的范围称为采动损伤场，同时，在采动损伤能向上传递过程中，越靠近工作面采动损伤能越大，造成覆岩损伤程度越大，从而形成典型的覆岩“三带”特征。采动损伤场主要包含垮落带及断裂带和弯曲下沉带。采动损伤能临界值可由式(2)计算，假设弯曲下沉带内某一岩层的极限弹性体应变为εu，当应变超过εu时，岩体进入损伤区域。采动损伤能临界值为

(2)

其中，E0为弯曲下沉带内发生极限弹性应变岩体的弹性模量；Vm为岩体体积。采动损伤场耗散的能为EM-Eu，其中EM为煤矿开采造成的总采动损伤能。为量化采动损伤传递模型，笔者采用覆岩“三带”分区特征构建了采动损伤分区耗散传导模型。就损伤而言，仅断裂带与垮落带归为采动损伤场。但由于弯曲下沉带同样存在采动损伤能量(式(2))，故将覆岩“三带”全部纳入采动损伤分区传导耗散模型中。

煤层开采造成的总损伤空间在经历垮落带、断裂带、弯曲下沉带逐渐消耗，传至地表后主要表现为地表下沉。通过对神东矿区13个工作面主断面上采厚、垮落带、断裂带、弯曲下沉带高度与地表下沉系数回归分析，得到地表下沉系数与其他因素间的关系：

(1-q)M=1.1e-1H1+4.2e-3H2+4.5e-3H3

(3)

其中，q为地表下沉系数；M为煤层采厚；H1为垮落带高度；H2为断裂带与垮落带法向高度差；H3为基岩面至断裂带顶界面厚度。

由式(3)可知，开采损伤传递结束，纵向上存在明显的分区耗散特征，其中垮落带耗散能量最大，而覆岩损伤的传递又是自下而上的逐步传递过程，因此，源头减损是控制采动损伤的主要途径。

3 源头减损理念及关键技术

3.1 源头减损理念

根据开采损伤传导机理和式(3)开采空间与地表下沉、覆岩各带范围关系可知，开采引起的损伤程度由开采空间自下而上逐步衰减，典型特征为：① 越靠近开采空间下沉量越大，地表下沉量最小(含水厚松散层条件除外)，垮落带下沉量最大；② 垮落带至基岩面覆岩损伤程度逐步降低。

煤炭开采引起的覆岩和地表移动是矿区生态损伤的源头。开采减损技术主要从开采方法或工艺、影响传播方式、影响对象的抗损伤能力提升方面进行研究，提出了许多技术方法，如条带开采技术、协调开采技术、充填开采技术、离层注浆充填及限厚开采等。随着生产的发展，许多技术已不适用现代开采需求，有些技术可行，但成本代价太高，尤其对于当前集约化开采矿区，这些技术难以适应。为此，需要改变传统观念，从原来的控制损伤转变为降低损伤程度，充分利用受护对象的抗开采扰动能力，协调开采损害与受护对象的保护矛盾问题。

3.2 集约化开采源头减损关键技术

3.2.1开采工艺参数优化源头减损技术

开采损伤的影响包含地质与开采2类因素，其中地质因素无法人为改变，因此，开采工艺参数优化是目前可采用的惟一减损途径。常用的条带开采、宽条带开采、协调开采、对称开采、全部充填开采、部分充填开采等均具有显著的减损效果，但这些工艺方法存在采出率低或效率低的弊端，不符合集约化开采要求。

为满足集约化开采要求，弥补仅靠经验确定参数的不足，笔者以覆岩塑性破坏区总体积Vs占采动影响区覆岩体积Va的比例(损伤比)，作为开采损伤程度的评价指标。目前在工艺方面主要从开采的顺序和时空布置方面进行减损，其中开采参数对减损效果的评价仍处于定性分析或经验确定阶段。

根据损伤传导机理和集约化开采影响特征可知，工作面回采速度、面长以及采高等是集约化开采可以调节或优化的具体参数[19-20]，为量化开采参数对覆岩的损伤程度，笔者根据神东集约化生产工作面地质开采条件，采用数值分析方法，建立了煤炭开采工艺参数与覆岩损伤比关系，如图7所示。

从图7可知，开采损伤比随工作面采高、推进速度及面长增加均呈“S”型增长。从图7(a)可以看出，采高小于7.8 m、推进速度大于11.9 m/d(机械装备水平限制，开采速度一般不超过18 m/d)及工作面长度在304 m以内是开采损伤增加幅度较小的范围，超过这些范围，开采损伤引起上覆岩层中主要控制层的破坏，导致损伤比大幅度增加。因开采损伤是由开采空间逐层向上传递的一个过程，为此，若控制开采对地表的损伤程度，需将损伤比控制在一个合理范围内。

3.2.2覆岩承载结构稳定性维持减损技术

覆岩承载结构稳定性维持减损技术旨在维持采后覆岩中承载结构的稳定性，从而将岩层损伤控制在承载结构下方，阻止采动损伤向上传递，实现降低覆岩损伤范围、保护水资源和地表生态的目的。

由数值模拟及相似模拟结果可知，覆岩结构位于断裂带和弯曲带交界处，控制了采动损伤的传递。一般情况下，覆岩存在多层厚硬岩层，厚硬岩层在工作面推进过程中逐层变形和破断。为便于减损设计，根据当前对覆岩结构的认识，分别按照压力拱结构和梁板结构计算保持结构稳定所需支撑体尺寸的合理范围，从而调整开采工序或构筑承载体。

最后通过比较L1和L2的计算结果，取其小者作为减损控制设计的具体参数，指导工作面尺寸选择、人工构筑支撑体间距设计或工作面推进方向刀柱留设间距确定等。

3.2.3变形调控减损技术

变形调控减损技术旨在降低采动影响区内对变形敏感且下沉影响不大的地表附属物位置的地表变形量，从而达到降低开采损害或控制开采损伤的目的，如地表植被、建/构筑设施的保护等。基本原理是利用超大工作面或拉压变形叠加法控制整体变形量，增大小变形区域面积，减小大变形区域范围。

超大工作面是在开采装备及技术工艺成熟条件下的一种集约化减损开采方式，工作面长度一般为300～500 m，是常规工作面长度的3～4倍，相当于2～3倍工作面长度范围内仅受到采动过程中的动态变形影响，采动影响范围内大部分地表处于移动盆地的平底区域(理论上变形为0)，若工作面推进较快，工作面上方地表承受动态变形影响很小。超大工作面开采较常规开采可降低大变形区域50%以上。

当工作面无法实现超大开采时，可根据传统协调开采方式，利用2次或多次开采对保护区拉压变形叠加布置开采工作面和确定开采时间，通过首次开采控制保护区变形量，将拉/压变形控制在保护对象允许范围，二次采动影响时保护区拉伸变形范围受压缩变形，压缩变形范围受拉伸影响，从而降低总体开采影响程度。此外，在技术和管理条件允许时，也可根据动态预测结果，同时开采厚煤层(多煤层)的2个分层(煤层)，前后影响在同一时刻对保护区地表变形性质相反，总体叠加量不超过保护对象的允许变形值即可。

4 源头减损技术实践

神东矿区是西部典型的煤炭集约化生产矿区，在进行煤炭大规模、高强度开采的同时，为达到减轻上覆岩层及地表损伤程度，减弱地表生态损伤程度的目的，笔者提出基于工作面参数优化的生态损伤控制技术，并在上湾煤矿12402综采工作面进行优化设计。

12402工作面是1-2煤四盘区第2个工作面，东侧为尚未开采的12403综采工作面，西侧为12401综采工作面采空区，南北两侧为井田边界。综采工作面沿倾向布置，设计走向长度300 m，推进长度5 271 m，采高8.8 m，该综采工作面地面标高为+1 178～+1 314 m，煤层底板标高为+1 044.34～+1 067.40 m。伪顶为泥岩，抗压强度11.3～13.2 MPa，普氏系数约1.32，坚固性较低，属不坚硬类不稳定型；直接顶为灰白色细粒砂岩，抗压强度13.3～15.2 MPa，普氏系数约1.35，坚固性较强，属坚硬类不稳定型；基本顶为灰白色粉砂岩，抗压强度14.5～36.6 MPa，普氏系数约2.32。

根据具体地质条件，兼顾开采效率、效益与覆岩损伤程度，选择开采工艺优化参数，即在保证最大采高8.8 m情况下，工作面长度小于304.9 m，推进速度大于12.0 m/d。通过模拟分析，优化后的覆岩损伤比为0.32；若采用2层分层开采累积采出8.8 m，覆岩总体损伤为0.34，虽然损伤比相差不大，但效率远低于一次采全高开采方式，不符合集约化开采需求。

5 结 论

(1)神东矿区集约化开采具有矿压显现强烈，覆岩损伤严重，地表变形剧烈、移动周期短，地表裂缝发育程度高等特征。地表变形最大值达建筑物最大损坏等级指标的10倍，地表下沉速度为中低开采强度的3倍左右，地表移动周期为中低强度开采的1/3；与中低强度开采相比，周期来压步距增大0.41～0.73倍，动载系数增加0.24～0.31倍。

(2)发现神东上湾煤矿“基本顶破断-关键层断裂-地表主裂缝产生”呈“331”周期性对应传导规律；基于岩体弹性能守恒原理，建立了采动损伤分区耗散传导模型，得出开采源头减损是根本且有效的控制途径。

(3)分别以覆岩损伤控制、地表变形控制为目的，提出了开采工艺参数优化、覆岩承载结构稳定性维持和变形调控减损的集约化开采源头减损关键技术，并给出工作面采高、长度或推进速度的合理取值范围，并对上湾矿12402工作面参数进行了优化设计。