榆神府矿区双煤层开采覆岩破坏及地面沉降特征研究

曹琰波，范 文，陶宜权，程 光，刘 魁，彭 敏

（1.长安大学 地质工程与测绘学院，陕西 西安 710054；2.信息产业部电子综合勘察研究院，陕西 西安 710054）

榆神府矿区开采时采动裂隙会引起地下水渗漏失水，加剧矿区内水资源短缺的现状，并造成严重的安全事故，这将成为制约矿区经济可持续发展的主要问题[1-2]。随着人们环境保护意识的增强，煤炭资源开采与矿区生态环境保护协调发展的理念应运而生[3-5]。范立民等[6-8]、李文平等[9-11]提出“保水采煤”的基本理念，并对榆神府矿区保水采煤技术、失水程度和工程地质条件进行深入研究与分析；李树刚等[12]采用物理相似模拟实验与结论分析，揭示了近距离煤层单层开采和重复采动条件下覆岩移动、裂隙分布及演化规律；孙学阳等[13-15]采用相似材料模拟实验与数值模拟方法研究双煤层开采对覆岩的破坏影响，确定了双煤层开采最优错距和最不利错距；侯恩科等[16-17]研究了浅埋煤层开采覆岩破坏规律及裂隙发育特征，认为导水断裂带发育过程分为4 个阶段；田成林等[18]通过数值模拟方法认为多煤层开采导水断裂带发育高度影响因素按重要程度依次为采高、间隔层强度、层间距；黄庆享等[19-20]研究浅埋煤层群开采覆岩与地表裂隙发育规律及机理，给出了裂隙发育高度计算公式。上述研究对煤层覆岩破坏规律及裂隙发育特征进行了研究，但对多煤层开采时隔水层与煤层厚度等因素对覆岩破坏及地表沉降的影响研究相对较少。为此，以榆神府矿区典型浅埋煤层为研究对象，利用UDEC 软件进行数值模拟计算，分析双煤层不同工况开采条件下浅埋煤层覆岩裂隙发育特征及地表沉降规律，并结合物理相似模拟实验进行验证。

1 榆神府矿区概况

榆神府矿区，地貌单元可划分为台塬、沟壑、沙丘及沙地地貌；矿区内地层起伏小，倾角小于1°，局部地区发育小断层，地层呈北北东走向。从西到东地层逐渐由老变新，出露地层自上而下依次为：第四系冲积层、风积沙、萨拉乌苏组、离石组，新近系保德组，白垩系洛河组，侏罗系安定组、直罗组和延安组[21]，主要开采的含煤地层为侏罗系中下统延安组，层厚为150～280 m，主采煤层有5 层，煤层间距短，埋藏深度浅，上覆岩层厚度薄，松散覆盖层较厚。

榆神府矿区煤层顶板多为黄绿、灰绿色块状中粗粒砂岩和粉砂岩，底板多为中细砂岩、砂质泥岩，砂岩裂隙较发育。榆神府矿区的含水层主要分为第四系上更新统含水层和侏罗系烧变岩含水层。第四系上更新统含水层由风积沙和萨拉乌苏组粉细沙及亚沙土组成，岩性主要为中粗沙、细沙和粉沙，含有少量沙质黏土，结构疏松，渗透性较好，入渗系数为0.4～0.5，主要补给方式为大气降水；烧变岩含水层厚度为20～30 m，以地下水补给为主，岩层裂隙发育，具有良好的渗透性和充足的储水空间。榆神府矿区的隔水层由新近系上新统保德红土和第四系中更新统离石黄土构成，透水性和富水性差，厚度约为20 m。

2 数值模型及模拟方案

2.1 数值模型和基本参数

依据陕北榆神府矿区的地层特征，对矿区浅埋煤层地质结构进行概化，设计数值模型开采煤层为2 层，同时为达到煤层充分开采和消除边界效应的目的，整个模型长度设定为350 m，煤层和各岩层走向按水平情况处理，设计模拟开采的2 层煤层与砂岩互层，从上至下分别是：风积沙、亚沙土及亚黏土含水层（40 m）—黏土隔水层—砂岩（30 m）—煤层—砂岩（20 m）—煤层—砂层（10 m），岩层单元格的密度主要与实际层位裂隙发育程度相关，其中煤层厚度和隔水层厚度根据模拟工况变化。

数值模型上边界为自由边界，左、右和下边界为固定边界，载荷的分布形式简化为均布载荷，上部边界条件为应力边界条件，数值模拟模型如图1。

图1 数值模拟模型Fig.1 Numerical simulation model

数值模拟模型中煤岩层本构关系采用Mohr-Coulomb 破坏准则，节理面采用面-面接触库伦滑移模型。根据野外实地调查及相关研究资料，各岩层物理力学参数接触面力学参数见表1 和表2。

表1 煤岩层物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of coal and rock stratum

表2 煤岩层接触面力学参数Table 2 Mechanical parameters of coal rock contact surface

2.2 数值模拟开采方案

开采从左边开切眼（80 m）处开始向右推进（至270 m 止），工作面长度共计190 m。留煤柱工况开采时，1#煤层留煤柱宽5 m，共5 个工作面，从左至右编号为1－1#～1－5#，前4 个工作面的开采距离为35 m，第5 个工作面的开采距离为30 m，2#煤层开采时不留煤柱；不留煤柱工况时，2 个煤层开采均不留煤柱。先开采1#煤层，再开采2#煤层。本次数值模拟根据不同目的，选取6 种模拟方案如下：

1）方案Ⅰ。1#煤层留煤柱，煤层厚度5 m，隔水层厚度40 m。

2）方案Ⅱ。不留煤柱，煤层厚度5 m，隔水层厚度40 m。

3）方案Ⅲ。不留煤柱，煤层厚度3 m，隔水层厚度40 m。

4）方案Ⅳ。不留煤柱，煤层厚度4 m，隔水层厚度40 m。

5）方案Ⅴ。不留煤柱，煤层厚度5 m，隔水层厚度30 m。

6）方案Ⅵ。不留煤柱，煤层厚度5 m，隔水层厚度50 m。。

3 数值模拟结果

3.1 覆岩破坏及裂隙分布特征

通过模拟6 种工况双煤层开采，得出的煤层开采过程中裂隙分布如图2 和图3。

图2 1#煤层工作面推进190 m 时覆岩裂隙分布图Fig.2 Distribution of overburden fractures when the working face of 1# coal seam advances 190 m

图3 2#煤层全部开挖后覆岩裂隙分布图Fig.3 Distribution of overburden fractures after full excavation of 2# coal seam

在方案Ⅰ和方案Ⅱ中，工作面推进相同距离时，不留煤柱开采大于留煤柱开采对上覆岩层的破坏程度，产生的裂隙数量更多，因为在留煤柱开采时，采空区两侧煤层与上覆岩层形成“拱形”结构以保持自稳性，而在不留煤柱开采工况下采空区两端的煤柱距离大于留煤柱时采空区两端的煤柱距离，在采空区两端位置形成更大的集中应力，上覆岩层更容易垮落，并且产生的垮落范围更大，裂隙扩展高度也增大；留煤柱开采时，煤柱对上覆岩层的质量起到一定的分担作用，使覆岩没有大量垮落入采空区，然而不留煤柱开采时覆岩缺少煤柱的支撑作用，使煤层之上的覆岩大量垮落进采空区之中。

根据方案Ⅱ、方案Ⅲ和方案Ⅳ裂隙分布特征可知：当开挖相同距离时，上覆岩层的破坏程度随着煤层采高的增大而逐渐加重，所产生的裂隙数量增多，裂隙高度不断增大。2 个煤层全部开采完后，对于煤层厚3 m 的模型，其导水裂隙深入隔水层之中5～10 m，煤层厚4 m 时，导水裂隙深入隔水层之中20～30 m，煤层厚5 m 时，导水裂隙完全贯穿整个隔水层。

在方案Ⅱ、方案Ⅴ和方案Ⅵ中，2 个煤层全部开挖后，当隔水层厚度为50 m 时，裂隙主要发育在煤层顶板砂岩层中，隔水层中零星发育裂隙，导水裂隙未切穿隔水层；当隔水层厚度为40 m 时，隔水层中裂隙数量增多，贯穿隔水层形成连通型裂隙；当隔水层厚度为30 m 时，砂岩中竖向的破断裂隙已经与隔水层中的裂缝形成连通型裂隙，切穿隔水层顶板且深入含水层之中。可见，随着隔水层厚度的减小，覆岩中裂隙数量逐渐增多，裂隙扩展高度变大。

综合以上分析，在留煤柱开采工况下，煤层刚开采时采空区上覆岩层没有垮落，仅出现一些离层裂隙；随着工作面向前推进，采空区两侧出现竖向的破断裂隙，但由于留煤柱的原因，只有1-3#采空区上覆岩层发生垮落；2#煤层开采过程中上覆岩层整体垮落，地表出现台阶状下沉，上覆岩层发生全厚切落式破坏，伴随产生较多竖向的破断裂隙，裂隙深入隔水层中2 m 左右，没有切穿隔水层，工作面继续推进时裂隙发育受到抑制，裂隙扩展高度保持稳定不再变化，即“泥盖效应”，这是由于黏土隔水层的水理力学性质较好，增强了其抗采动破坏能力，裂隙在采动过程中能够自然闭合，抑制了导水裂隙的发育。

在不留煤柱开采工况下，煤层开采初期和留煤柱时一样，随着工作面推进，地表呈台阶式下沉，上覆岩层产生全厚切落式破坏，并落入采空区中；2#煤层开挖后，采空区两侧形成连通的离层裂隙发育区，裂隙沿采空区两侧上方呈约45°发展，并随工作面推进从后至前、从下往上逐渐演变，采空区两侧上覆岩层中发育大量离层裂隙和破断裂隙。由于开采过程中上覆岩层不断垮落，挤压已垮落的岩层，早先形成的裂隙被压实，使采空区内部主要发育的是横向裂隙。2 种开采工况下，多煤层叠加开采均远大于单一煤层开采对上覆岩层的破坏程度，最明显的表现为裂隙数量增多和向上延伸高度变大。

3.2 地表沉降

在方案Ⅰ和方案Ⅱ中，由于留煤柱开采时上覆岩层变形很小，所以选取不留煤柱开采工况来分析地表下沉随工作面推进的变化情况。方案Ⅱ煤层开采过程中地表沉降过程如图4。

图4 不留煤柱开采工况地表沉降曲线Fig.4 Surface settlement curves under mining condition without coal pillar

由图4 可知：当1#煤层工作面推进距离为35 m时，地表几乎没有发生沉降；随着工作面不断向前推进，地表沉降量才缓慢增大；2#煤层开挖完成后，地表最大沉降量为6.54 m，地表沉降中心为180 m。由此可知，不留煤柱开采时，随着工作面向前推进，地表沉降量逐渐增大，地表沉降中心不断前移，地表沉降曲线的曲率也越大，即沉降曲线变得“瘦高”，使采空区两侧与中间的地表沉降值之差变大，造成地表严重的拉张破坏。

选取相同开挖距离下地表沉降量来分析不留煤柱时地表沉降与煤层厚度及隔水层厚度之间的关系，不留煤柱时不同工况下1#煤层开挖过程中地表沉降变化见表3，不留煤柱时不同工况下2#煤层开挖后地表沉降曲线见图5。

表3 不留煤柱时不同工况下1#煤层开挖过程中地表沉降变化Table 3 Changes of surface subsidence during excavation of 1# coal seam under different working conditions without coal pillar

图5 不留煤柱时不同工况下2#煤层开挖后地表沉降曲线Fig.5 Surface subsidence curves of 2# coal seam after excavation under different working conditions without coal pillar

随着工作面推进距离增大，地表沉降值不断变大，煤层厚度与地表沉降值呈正相关性，即相同开挖距离下，随着煤层厚度的增加，地表沉降值不断增大；2 个煤层全部开采后，煤层厚3 m 的地表最大沉降量为4.39 m，煤层厚度为4 m 时地表最大沉降量达到5.46 m，煤层厚5 m 的地表最大沉降量约6.54 m。煤层开采过程中，地表沉降中心向工作面推进方向前移，并且工作面推进相同距离时不同煤层厚度的地表沉降中心位置变化几乎一致，仅在工作面推进75 m 时厚度为3 m 的煤层地表沉降中心位置较大，表明煤层厚度对地表沉降中心位置变化基本无影响。

不同隔水层厚度的煤层在开挖过程中，当1#煤层工作面推进35 m 时，隔水层厚50 m 的地表沉降量最大，隔水层厚40 m 和30 m 的地表沉降量依次减小，表现为隔水层厚度越大，地表沉降量也越大；当开挖到115 m 以后，隔水层厚30 m 的地表沉降量大于隔水层厚50 m 的地表沉降量，规律变为隔水层厚度越小，地表沉降量越大；在开挖初期，不同厚度的隔水层引起的地表沉降中心位置变化基本一致，仅在工作面推进115 m 时隔水层厚30 m 的地表沉降中心位置更靠近工作面，在1#煤层开挖完成后，隔水层厚度越大地表沉降中心越靠近工作面。说明在开挖初始阶段，50 m 厚的隔水层整体质量较大，使上覆岩层破坏程度更严重，随着工作面推进，隔水层重量对地面沉降的影响减小，这时隔水层厚度较薄的覆岩破坏程度更严重，裂隙向上发展的更高。2#煤层开挖后，隔水层厚度越大地表沉降中心越靠近工作面，隔水层厚度越小地表沉降中心附近的地表沉降量越大，但是在采空区两侧，隔水层厚度越小地表沉降量也越小。由于在煤层开采过程中，隔水层厚度越小覆岩破坏程度越严重，沿采空区两侧上覆岩层中形成较多竖向的破断裂隙，使采空区上覆岩层整体垮落过程中对两侧覆岩影响较小，造成采空区两侧地表沉降量也越小。

3.3 覆岩应力场变化

为研究煤层开采过程中覆岩应力变化，分别对方案Ⅰ与方案Ⅱ2 种工况下水平和竖向应力进行分析，煤层开采水平应力云图如图6，煤层开采竖向应力云图如图7。

图6 煤层开采水平应力云图Fig.6 Cloud diagrams of horizontal stress in coal seam mining

图7 煤层开采竖向应力云图Fig.7 Cloud diagrams of vertical stress in coal seam mining

3.3.1 水平应力场

方案Ⅰ留煤柱工况开采时，当1#煤层工作面推进至190 m，采空区上方覆岩最大水平应力值达到20.0 MPa；2#煤层全部开挖完成后，采空区上方覆岩最大水平应力稳定在14.0 MPa 左右；方案Ⅱ不留煤柱开挖时，当1#煤层工作面推进至190 m，采空区上方覆岩最大水平应力值达到17.0 MPa；2#煤层全部开挖后，采空区上方覆岩最大水平应力稳定在16.0 MPa 左右。

根据水平应力模拟结果可知：煤层开采破坏了岩土体内天然应力的平衡状态，造成采空区周围岩土体应力的重新分布；在开采1#煤层时，2 种工况下采空区上覆岩层内均出现水平应力集中现象，离层裂隙发育区内水平应力较大，随着工作面推进距离增大，最大水平应力随之升高；2#煤层开挖结束后，地表水平应力减小。这是因为工作面开采后，采空区由垮落的上覆岩层松散介质充填，上覆岩层下沉弯曲变形，离层裂隙较发育，在离层裂隙发育区形成较大的水平应力；但随着工作面推进，工作面后方已垮落的岩石逐渐被垮落的上覆岩层压实，覆岩结构趋于稳定，水平应力逐渐减小并趋于稳定值。煤层开采时覆岩全厚切落，地层整体下沉，因此采空区两侧地表附近存在水平拉应力，造成地表产生拉张裂缝，不留煤柱开采比留煤柱开采所产生的水平拉应力范围更大，拉张裂缝数量更多。

3.3.2 竖向应力场

方案Ⅰ留煤柱开采时，当1#煤层工作面推进至190 m，采空区煤壁上方最大竖向应力稳定在35.0 MPa 左右，2#煤层全部开挖完成后，煤壁上方最大竖向应力约35.0 MPa；方案Ⅱ不留煤柱开挖时，当1#煤层工作面推进至190 m 时，采空区煤壁上方最大竖向应力稳定在16.0 MPa 左右，2#煤层全部开挖完成后，煤壁上方最大竖向应力约为16.0 MPa。

由竖向应力模拟结果可知：工作面推进至不同距离时，采空区两侧一定范围内均出现应力集中现象。留煤柱开采时煤柱中存在较大的竖向应力，表明煤柱对煤层顶板起到支撑作用，其中地表沉降中心附近的煤柱中竖向应力最大，应在煤层开采过程中对该位置处煤柱加强支护；不留煤柱开采时，在覆岩切落位置两侧存在应力集中现象，产生的竖向应力超过岩石强度极限，煤层顶板在拉应力和剪应力作用下发生垮落和下沉，其上部基本顶以梁弯曲的形式沿岩层面的法线方向发生移动、弯曲，直至断裂。正常开采过程中煤层覆岩在一定范围内均产生拉张应力，由于应力是靠岩层之间接触传递的，所以上覆岩层在拉张应力区域内会出现离层运动，从而产生具有一定规律的离层裂隙和破断裂隙；不留煤柱开采比留煤柱开采时采空区上覆岩层内拉张应力范围大，因此不留煤柱开采时覆岩内产生的裂隙更多，覆岩位移变形更大。煤层及上覆岩层中垂直应力沿煤层开采方向分布表现为：沿工作面方向依次出现应力集中区、应力卸压区和应力集中区。

4 物理相似模拟实验验证

为验证留煤柱开采时上覆岩层破坏呈现的“泥盖效应”，采用物理相似模拟实验进行模拟。根据相似原理，物理相似模拟实验中含水层采用矿区内风积沙及萨拉乌苏组原状样，隔水层由甘油、凡士林、石英砂及膨润土按照不同比例配制而成，岩层由河砂、石膏和大白粉按照40∶1∶4 混合制成，煤层由河砂、粉煤灰、大白粉和石膏按照25∶25∶5∶1 混合制成，模型尺寸为350 cm×40 cm×150 cm（长×宽×高）。

覆岩裂隙发展过程如图8。

图8 覆岩裂隙发展过程Fig.8 Development process of overburden fractures

物理相似模拟实验中覆岩裂隙发育规律和地层沉降变形规律主要表现为：

1）在1#煤层开采过程中，由于煤柱的支撑作用，地层未发生明显的弯曲下沉，部分工作面上覆岩层发生垮落。2#煤层采动造成覆岩发生5 次切落，2#煤层工作面推进58 cm 时覆岩第1 次切落，上覆岩层发生全厚切落式破坏，在开切眼上方岩层发育2 条平行裂隙，为剪切裂隙，深入黏土隔水层中约20 cm，2 条裂隙外侧错断的岩层基本保持水平，没有发生明显回转，裂隙之间的岩块则呈现出回转迹象，在第2 次至第5 次覆岩切落过程中，裂隙发育受到抑制，裂隙扩展高度保持稳定不再变化，在黏土隔水层中采动破坏产生“泥盖效应”，与数值模拟结果相比，两者均产生了“泥盖效应”，但数值模拟中裂隙仅深入隔水层中2 m 左右，模型实验中裂隙在隔水层中扩展高度更大。在覆岩切落过程中，通常会在煤柱上方发育拉张裂隙，裂隙两侧岩层之间没有明显错动，在下一次覆岩切落时，裂隙因侧面岩层下沉而闭合，同时产生新裂隙。2#煤层完成开挖后，上覆岩层的破坏程度趋于稳定。覆岩发生5 次切落过程中地表沉降曲线如图9。

图9 覆岩切落过程中地表沉降曲线Fig.9 Surface subsidence curves during rock cutting

2）在第1 次至第3 次覆岩切落过程中，地表最大沉降量不断增大，但地表沉降中心位置在110 cm处未发生变化，随着工作面推进距离增大，地表最大沉降量持续增大，采空区两侧的地表沉降量小于采空区中间的地表沉降量，地表沉降中心向工作面推进方向移动，地表呈台阶式下沉，这与数值模拟结果保持一致。

由模型实验模拟结果可知，第1 层留煤柱工况开采时数值模拟结果与模型实验结果基本一致。

5 结 论

1）浅埋煤层覆岩破坏方式为全厚切落，留煤柱开采时隔水层中采动破坏呈现“泥盖效应”，不留煤柱开采时采空区两侧形成连通的离层裂隙发育区，裂隙沿采空区两侧上方呈约45°发展，随工作面推进从后至前、从下往上演变，随着煤层厚度增大或隔水层厚度减小，覆岩裂隙数量增多，裂隙发育高度增大。

2）煤层开采时地表呈台阶式下沉，地表沉降中心向工作面推进方向不断前移，地表沉降量随煤层厚度的增大而变大，在开挖初始阶段，隔水层厚度越小地表沉降量越小，随着工作面推进，规律变为隔水层厚度越大地表沉降量越小，2#煤层开挖后地表沉降中心附近隔水层厚度越小地表沉降量越大，采空区两侧地表沉降量则与之相反。

3）煤层开采过程中，采空区两侧和上覆岩层内存在应力集中现象，覆岩在一定范围内产生拉张应力，在采煤过程中应加强对地表沉降中心附近煤柱的支护，上覆岩层中垂直应力沿煤层开采方向依次出现应力集中区、应力卸压区和应力集中区。