浅埋煤层采动诱发覆岩应力响应及地裂缝动态发育特征

＊裴为豪 刘英

（安徽理工大学 地球与环境学院 安徽 232001）

浅埋煤层广泛分布于我国西部矿区，具有埋深浅、基岩薄、覆沙土层较厚等赋存特征[1]。浅埋煤层综放开采过程中，原始上覆岩层应力的平衡状态被破坏，岩层发生弯曲、断裂、垮落，形成垮落带、裂隙带和弯曲下沉带，在采空区上方地面形成沉陷区及地裂缝[2]，诱发一系列的地质环境问题，严重制约着西部矿区煤炭资源的安全高效开采与生态安全[3]。本文以甜水堡煤矿1302 工作面为例，基于UDEC 软件模拟研究浅埋煤层采动诱发覆岩应力响应及地裂缝动态发育特征，为该矿区浅埋煤层开采条件下沉陷控制与修复提供新的科学依据。

1.研究区概况

甜水堡煤矿位于甘肃环县西北部，地表被第四系黄土覆盖。根据煤层的赋存条件和开采技术条件，该工作面采用走向长壁垮落式采煤方法，综采工作面长度约为400 m，日循环推进距离8～10 m，煤层厚度0.33～5.92 m，综采工作面平均采高3.50 m。工作面老顶为泥岩，厚度为22 m，直接顶为粉砂岩，厚度为14 m，直接底为细粒砂岩，厚度为34 m，老底为中粒砂岩，厚度为16.5 m。

2.研究方法

（1）数值模型的建立。UDEC 可通过离散块体的旋转变形和节理面的压缩、分离和滑动最大程度地再现非线性变形和节理面破坏引起的岩体破坏和变形。依据甜水堡1302 工作面开采、地质、水文地质及钻孔资料，选取各岩层的岩体力学参数（表1）建立UDEC 数值模拟模型，计算模型尺寸长度×高度为400 m×125 m，模型划分为4530 个单元，模型自上而下依次为粉土、粉质黏土、黏土、泥岩、粉砂岩、煤、细粒砂岩、中粒砂岩（图1）。

表1 煤岩层力学参数

图1 数值模拟模型图

依据工作面钻孔柱状图（图2），模型中煤层顶底板分别位于54 m 和50.5 m 高度处，边界两侧均为实体煤和岩体，底部、左右施加边界位移约束，上边界为无约束自由界面，工作面开切眼至边界及停采线至边界分别设置50 m 保护煤柱。模拟计算采用摩尔-库伦屈服准则，节理面采用带有残余强度的库仑滑移模型[4]。模型块体微观力学参数通过室内单轴压缩及巴西劈裂数值计算模型校核得到。

图2 钻孔柱状图

（2）模拟方案。开挖速度设置为10 m/次，工作面推进每10 m、50 m、100 m、150 m、200 m、250 m、300 m 分别分析地裂缝的发育、上覆岩层应力云图演变及上覆岩层下沉量情况。在UDEC 模型高70 m 处设置一条测线，端点坐标为（0，70）、（400，70），测线上每间隔2 m 设置1 个测点。

3.结果与分析

（1）覆岩变形与地裂缝动态发育特征。根据模拟结果可知，当工作面推进10 m 时，直接顶开始垮落并堆积于采空区内，但是几乎没有裂缝产生（图3a）。工作面推进50 m 时，顶板周期性破坏，直接顶持续垮落，覆岩破坏向上发展，基本顶开始弯曲下沉，裂缝开始发育，直接顶与基本顶都出现了离层裂缝（图3b），裂缝发育相对较少；工作面推进100 m 时，采空区增大，上覆岩层破坏严重，高位离层裂隙消失，覆岩破坏贯通至地表（图3c），导致地表出现了裂缝，从采空区两边的裂缝一直延伸至地表，裂缝开始明显增多且分布密集。工作面推进300 m 时，采空区中部完全被压实，临时性裂缝逐渐闭合，部分永久性裂缝只在两端发育，且覆岩永久裂缝主要以竖向裂隙为主，部分裂隙直达地表形成地表裂缝（图3d）。

图3 工作面推进过程覆岩变形与地裂缝动态发育特征

（2）覆岩层移动规律变化特征。当工作面推进10 m 时，直接顶垮落产生小幅度下降位移，下降位移约1 m，此时覆岩较稳定且以弹性变形为主，岩层内部不会产生裂隙与损伤（图4a）。工作面推进50 m 时，直接顶完全垮落，直接顶下沉量为3.4 m，基本顶由于弯曲下沉也产生了大约0.6 m 的位移，此时岩层运动破裂滑移线是先向采空区内收敛至最上面主键层，其上覆软岩层（冲积层）运动破断滑移向采空区扩散一直到地表，地表下沉约0.4 m（图4b），覆岩变形处于裂缝扩展阶段，内部裂纹萌生与扩展，但没有形成宏观破坏面。工作面推进100 m 时，覆岩扰动区覆盖了三带，呈现出以采空区中部为对称轴，下沉区域左右对称（图4c）。随着工作面继续推进，开采达到充分采动，覆岩破坏横向扩展发生宏观破坏，承载力下降。工作面推进150 m、200 m、300 m 时，采空区被压实，下沉区域持续扩大，沉降量出现以采空区中部为对称轴，越靠近对称轴沉降量越大，地表最大下沉量为3.33 m，远离对称轴沉降量逐渐减少的趋势（图4d）。

图4 工作面推进过程上覆岩层位移变化特征

模型70 m 处各测点的下沉量见图5。地表土体开始沉陷变形，拐点均分布在采空区上方临近于开切眼的上方位置，工作面推进到100 m 时，直接顶完全垮落且扩散至地表，下沉量约为3.3 m，最大下沉位移区分布在采空区中部。此后随着工作面持续推进，采空区逐渐被完全压实稳定，最大下沉量不会有明显变化，趋于稳定，下沉区会向采空区两侧逐步扩展。

图5 工作面不同推进距离下沉量变化曲线

（3）上覆岩层应力变化。工作面推进10 m 时，采空区两端出现应力集中现象，采空区上层直接顶应力较小。工作面推进50 m 时，应力开始出现重新分布，采前上覆岩层应力平衡状态被打破，采空区两侧煤壁处产生应力集中区，应力变化量最大约1000 kPa。当工作面推进至100 m 时，采空区上方水平层状应力集中区逐渐由下向上破坏，垮落堆积于采空区内的岩块相互挤压产生竖向应力集中区，符合应力拱假说。工作面推进300 m 时，采空区上覆岩层应力扰动规律类似，工作面两侧煤壁应力集中，应力变化量最大可达3500 kPa，采空区上覆岩层逐渐趋于稳沉状态，前期发育的临时性裂缝逐渐闭合，表现出自修复的特征，永久裂缝主要分布于采空区左右两端（图6）。

图6 工作面不同推进距离上覆岩层应力变化

（4）模型验证。为了验证动态发育规律，自2021年10 月25 日至2022 年7 月5 日进行了1302 工作面上覆岩层移动与地裂缝周期观测。结果显示1302 工作面地裂缝最大宽度超30 cm，地裂缝两侧高差最大0.5 m。当工作面推过裂缝后，该区破断后岩层运动重新趋于平稳，部分裂缝逐步闭合，监测得到的裂缝动态发育结果与模型模拟结果基本一致，模拟结果符合实际所建UDEC 模型可行（图7）。

图7 工作面推进过程覆岩下沉变形特征

4.结语

随着工作面的推进，采空区面积增加，覆岩在重力作用下发生弯曲变形，上覆岩层的下沉位移区域随工作面推进距离增大而增大，位移呈现出采空区两侧下降距离最少，越靠近采空区中部对称轴中心下降距离越深的趋势。随着工作面推进，不同岩层在自重下应力数值分层明显，采空区两端出现应力集中。采空区上覆岩层应力变化依次为应力集中、损伤变形、断裂坍塌到应力释放过程。