黄土沟壑地貌下综放开采覆岩结构稳定性研究

秦喜文，杨秀宇，巨文涛

（1.中煤西安设计工程有限责任公司，陕西西安 710054；2.中煤华晋集团有限责任公司王家岭煤矿，山西运城 043000）

黄土高原地区赋存大量煤层，是我国主要的产煤区[1-2]。由于雨水冲刷、风化等因素导致黄土高原存在大量沟壑，且沟底与沟顶间存在极大的高差，导致黄土沟壑地貌下的岩层承受了不均匀的上覆岩层自重荷载，进而引起了岩层间原岩应力的重新分布，出现了同一埋深岩层内分布不同原岩应力的现象[3]。在这种黄土沟壑地貌影响下的岩层中进行采矿作业时，极有可能引起回采工作面的地压显现[4-6]。相关学者针对上述问题开展了大量研究工作[7-12]。杨秀宇等[13]采用数值模拟技术研究了黄土沟壑地貌下原岩应力场的分布特征，发现黄土沟壑地貌对原岩应力具有显著影响，且这种影响随着岩层埋深的增加而逐渐减弱；李建伟等[14]的研究表明浅埋煤层工作面过沟谷区域开采可分为上坡开采阶段、坡顶开采阶段和下坡开采阶段，而过沟谷区域上坡开采阶段其工作面易发生动载矿压事故；徐家林等[15]采用力学分析和物理实验模拟等手段研究了浅谷坡角对浅埋煤层工作面矿压的影响，发现当回采工作面推进到沟谷地形时，坡角越大，工作面关键层结构承受的荷载越大；邱帅等[16]发现当回采工作面处于山丘地形下时，承载层压力明显增大，且当坡度大于30°时，出现了矿压显现特征。上述学者的研究表明在沟壑地形下开采时极易引起矿压显现现象，对安全回采极为不利。为研究黄土沟壑地貌对覆岩结构稳定性的影响，以王家岭煤矿12309 工作面为研究对象，采用Get Data、Surfer 软件构建沟壑地貌三维模型，利用FLAC3D等软件开展数值模拟，研究沟壑地形对覆岩结构原岩应力场的影响，提出黄土沟壑地貌覆岩应力影响系数，分析黄土沟壑地貌下综放开采覆岩结构的稳定性。

1 工程背景

王家岭煤矿主要开采2#以及10#煤层，主要研究的12309 工作面位于2#煤层，该煤层平均厚度6.2 m，煤层倾角极小，为近水平煤层；12309 工作面位于123 盘区，盘区标高+527～+564 m。工作面设计推进长度1.32 km，宽度0.26 km；12309 工作面地表为黄土沟壑地貌，主要分为黄土台和黄土沟，黄土台最大标高975 m，黄土沟底最低标高810 m，形成了最大165 m 的高差，12309 工作面上覆岩体等高线如图1。

图1 12309 工作面上覆岩体等高线Fig.1 Contour of overlying rock mass at 12309 working face

鉴于12309 工作面地表黄土沟壑高差极大，为避免对该工作面的安全回采带来影响，因此拟开展黄土沟壑地貌下综放开采覆岩结构稳定性研究。

2 黄土沟壑地貌下原岩应力场分布特征

王家岭煤矿地表为黄土沟壑地貌，为研究黄土沟壑地貌对回采煤层覆岩应力的影响，利用Get Data 软件提取了12309 工作面回采范围内的高程数据，得到了黄土沟壑地形的三维坐标，采用Surfer 软件对三维坐标进行处理，构建的工作面地表黄土沟壑的三维地貌如图2。

图2 黄土沟壑三维地貌Fig.2 Three dimensional geomorphology of loess gully

2.1 黄土沟壑地貌下原岩应力场数值模拟

1）数值模型与初始应力场。使用FLAC3D软件[17-18]进行黄土沟壑地貌下的原岩应力场数值模拟，数值模型如图3。该模型尺寸与现场尺寸一致，模型长1.45 km，宽0.32 km，高0.28～0.43 km，共划分1 416 357 个单元格，966 355 个节点；模型四周边界施加水平位移约束，底边边界施加垂直位移约束，模型上边界施加自由约束，所受应力为岩体自重应力；经过初始应力平衡计算，得出垂向初始应力场。

图3 数值模型与初始应力场Fig.3 Numerical model and initial stress field

2）黄土沟壑地貌下原岩应力场分布特征。为研究黄土沟壑地貌对原岩应力场的影响，通过数值模拟对不同埋深下的覆岩原岩应力与自重应力进行比较，原岩应力与自重应力比较结果如图4～图6。在一定深度范围内，黄土沟壑地貌对原岩应力场的变化具有明显的影响，且覆岩原岩应力与自重应力的变化规律并不一致；原岩应力在沟壑底部出现较为明显的应力集中现象，应力集中程度随岩层埋深的增加而减弱，表明浅部原岩应力主要受到黄土沟壑地貌的影响，而深部原岩应力主要与岩层埋深有关。

图4 埋深50 m 时原岩应力与自重应力对比Fig.4 Comparison of in-situ stress and gravity stress at buried depth of 50 m

图5 埋深110 m 时原岩应力与自重应力对比Fig.5 Comparison of in-situ stress and gravity stress at buried depth of 110 m

图6 埋深260 m 时原岩应力与自重应力对比Fig.6 Comparison of in-situ stress and gravity stress at buried depth of 260 m

2.2 黄土沟壑地貌覆岩应力影响系数

在矿业相关研究中，常常认为采区覆岩应力为覆岩自重应力，前述分析表明，地表黄土沟谷对煤岩层原岩应力场产生了较大影响，主要表现在沟谷坡脚对应位置原岩垂直应力的增大（即覆岩应力大于原岩自重应力），因此提出沟壑地貌覆岩应力影响系数μ，则不同深度岩层上μ 值可以表征黄土沟谷地形对煤岩层原岩应力场的影响程度，由式（1）表示：

式中：σg为自重应力，σg=ρgh；ρ 为上覆岩层平均密度；h 为埋深；σ0为原岩应力。

以12309 工作面上方黄土沟底以下190 m 埋深为研究范围，提取研究范围内不同深度的原岩应力，并计算相应自重应力，原岩应力与埋深的关系如图7。

由图7 可以看出，随着岩层到黄土沟底的距离不断增大，原岩应力逐渐增大，覆岩自重应力增长系数逐渐减小，表明黄土沟壑地貌对覆岩自重应力的影响程度随着岩层埋深的增加而逐渐降低；采用origin 软件对应力增长系数进行拟合，得到应力增长系数与埋深的关系见式（2）：

图7 原岩应力与埋深的关系Fig.7 Relationship between original rock stress and buried depth

由该式可知，当矿岩层埋深距沟底超过700 m时，黄土沟壑地貌不再对覆岩自重应力产生影响；王家岭煤矿12309 工作面煤层距沟底距离小于300 m，因此黄土沟壑地貌会对其覆岩自重应力产生较大影响，所以在该工作面的开采中，应重点关注黄土沟壑地貌对采区稳定性造成的影响。

将式（2）代入式（1）得到黄土沟壑地貌影响下覆岩原岩应力的表达式：

3 黄土沟壑地貌对综放开采覆岩结构稳定性的影响

3.1 黄土沟壑地貌下综放开采对导水裂隙带的影响

1）构建模型。根据对王家岭煤矿钻孔岩心的分析测试，得出相应的岩石物理力学参数。根据钻孔资料，使用ABAQUS 建立模拟12309 工作面开采的数值计算模型如图8。根据地表黄土沟壑地貌，选取12309 工作面开切眼至工作面推进至540 m 的范围，建立长（工作面推进方向）×宽（工作面斜长方向）×高=750 m×1 m×426 m 的数值计算模型，同时模型中对力学性质相近的岩层作了合并处理。计算模型中以六面体单元为主，从下到上单元的平均尺寸从2 m（直接顶）增加至20 m（土层），共划分为35 500 个单元。设定每个分析步的工作面推进距离为10 m，从左向右总共推进540 m。由此模型分析2#煤回采对上覆岩层导水裂隙带发育的影响规律。

图8 数值计算模型Fig.8 Numerical calculation model

2）模拟结果。根据ABAQUS 建立的三维数值模型，计算王家岭煤矿2#煤层开采后覆岩破断垮落破坏过程，分析顶板岩层内裂隙随工作面推进的演化过程。煤层开采后的覆岩运动结果如图9。由图9 可知，2#煤开采会使上覆岩层出现贯通至地表的裂隙，特别是在黄土沟谷位置处，裂隙发育更加显著。尽管泥岩（灰色部分）有较强的塑性变形能力，会在一定程度上阻碍裂隙发育，但其厚度较薄、层数较少，因此判断12309 工作面的导水裂隙带高度为285 m 以上。

图9 覆岩层导水裂隙分布情况Fig.9 Distribution of water flowing fissures in overburden

3.2 黄土沟壑地貌下综放开采覆岩结构稳定性

为研究黄土沟壑地貌下综放开采覆岩结构稳定性，根据建立的FLAC3D数值模型，模拟计算王家岭煤矿12309 工作面回采350～1 100 m 阶段共750 m的应力、位移以及塑性区变化规律，以分析该工作面开采过程中的覆岩结构受力破坏特征。覆岩应力分布规律如图10，覆岩位移分布规律如图11，覆岩塑性区分布规律如图12。

图10 覆岩应力分布规律Fig.10 Overburden stress distribution

图11 覆岩位移分布规律Fig.11 Distribution law of overburden displacement

图12 覆岩塑性区分布规律Fig.12 Distribution of plastic zone in overburden

由图10 可知，工作面开切眼后，切眼周围原始应力平衡状态受到破坏，引起岩体内部的应力重新分布，切眼推进的前后方实体煤出现应力集中现象；随着工作面由10 m 推进到750 m，回采工作面超前煤体受到的集中应力进一步加大，垂直应力峰值达到原岩应力的近2 倍，若不采取有效措施，直接顶将在高应力作用下产生破坏，具有较大的失稳隐患。

由图11 可知，工作面开切眼推进10 m 后，工作面上方覆岩以及黄土层并未出现下沉现象，但回采部分中部出现了拱形下沉区，最大下沉量2.33 cm，此时采场整体结果较稳定；当工作面继续推进120 m 后，拱形下沉区范围进一步扩大，且最大下沉量增大到7.94 cm，直接顶出现失稳破坏的风险；当工作面推进到400 m 后，拱形下沉区最大下沉量达到85 cm，以直接顶上方拱形下沉区到黄土沟谷地表半坡较大范围内出现下沉现象，矿岩体失稳；当工作面推进到700 m 后，拱形破坏结果最大下沉量近4 m，黄土沟壑半坡最大下沉量2 m。

由图12 可知，12309 工作面开切眼后直接顶出现塑性破坏，破坏深度约3.2 m；随着工作面的推进，12309 工作面上覆岩层的塑性破坏范围逐渐增大，最终出现上覆岩层贯通至地表的裂隙，特别是在沟谷位置处；黄土沟壑半腰处塑性区分布广泛，此结果与位移分布结果一致，可见回采对地表黄土地貌产生了较大影响。

综合以上分析可知，黄土沟壑地貌对回采工作面的应力、位移以及塑性区影响明显。在工作面初采阶段，由于工作面上覆主关键层的承载，使得工作面矿压显现不明显；随着工作面的推进，上覆岩层受到的作用力越来越大，关键层开始失稳破断，其矿压显现明显受到黄土沟壑地貌影响，主要特征为：采空区下沉最严重的拱形区域持续滞后于空区几何中部位置，基本处于黄土沟谷上坡段下方；采空区上方卸荷区形状变异，明显有异于“拱形”、“马鞍形”卸压区，工作面超前支承压力集中程度受上覆黄土层厚度影响明显。

4 结 论

1）黄土沟壑地貌对原岩应力场的变化具有明显的影响，原岩应力在沟壑底部出现较为明显的应力集中现象，应力集中程度随岩层埋深的增加而减弱；黄土沟壑地貌对覆岩自重应力的影响程度随着岩层埋深的增加而逐渐降低。

2）当矿岩层埋深距沟底超过700 m 时，黄土沟壑地貌不再对覆岩自重应力产生影响；王家岭煤矿12309 工作面煤层距沟底距离小于300 m，因此黄土沟壑地貌会对其覆岩自重应力产生较大影响。

3）在黄土沟壑影响下，随着综采工作面的推进，上覆岩层受到的作用力越来越大，关键层开始失稳破断，其矿压显现明显受到黄土沟壑地貌影响，主要特征为：采空区下沉最严重的拱形区域持续滞后于空区几何中部位置，基本处于黄土沟谷上坡段下方；工作面超前支承压力集中程度受上覆黄土层厚度影响明显。