厚煤層綜放開采覆巖移動規律數值模擬分析

彭東東

（山西潞安礦業（集團）高河能源有限公司，山西 長治047100）

掌握工作面上覆巖層移動規律對于掌握工作面導水裂隙帶范圍，以及分析地表巖移規律均具有重要意義[1-4]。高河煤礦東盤區3#煤層整體較厚，埋深較西盤區大，且上覆地層中黃土層較薄、基巖較厚，為了充分掌握工作面上覆巖層移動規律，給工作面布置及礦井“三下”開采提供參考，需對綜放工作面上覆巖層移動規律進行分析。

1 工程概況

高河煤礦主要開采煤層為山西組3#煤，含泥巖、炭質泥巖夾矸0～5層，一般1～2層，煤層厚5.15～12.10 m，平均厚6.71 m，傾角2°～8°。地面標高+902.02～+1003.20 m，地形總體呈南高北低趨勢。

E1302工作面位于東一盤區東部，四周均未開采。工作面走向長約2140 m，傾向寬230 m，采厚7 m，煤層傾角3°，平均開采深度為400 m，表土層厚度為45 m。3#煤層直接頂板為泥質巖，局部為粉砂巖及砂巖，厚11.68 m，厚度穩定性差，結構松軟，吸水易軟化、強度較低；老頂為砂巖，厚20.10 m，不規則裂隙發育；直接底板為泥質巖石，局部為粉砂巖，厚3.05 m，其下為砂巖。3#煤層上覆巖層主要由砂巖、泥巖、砂質泥巖和第四紀黃土層組成，屬厚沖積層覆蓋區。

2 覆巖移動數值模擬分析

根據E1302綜放工作面實際地質情況，對采礦地質條件進行簡化，并采用FLAC3D數值模擬軟件建立數值分析模型，對工作面地表移動、覆巖移動和破壞規律進行分析。數值模擬計算采用巖體力學參數見表1。

表1 數值模擬計算采用巖體力學參數

2.1 地表移動分析

E1302工作面綜放開采后地表下沉和水平移動情況見圖1、圖2。由數值模擬的結果可知：

（1）E1302工作面采用綜放開采后，地表最大下沉值達到4520 mm左右，下沉率達到0.64；地表最大水平移動值為1430 mm，水平移動系數為0.32；走向邊界角為58°，傾向邊界角為55°（表土層移動角Φ取45°）。表2為統計的數值模擬E1302工作面綜放開采后地表沉陷情況。

表2 E1302工作面綜放開采后地表沉陷情況

（2）與高河煤礦周邊類似地質條件下的分層綜采和普采對比可知，綜放一次采全高開采后地表下沉系數和邊界角均相比增大，工作面開采引起的地表沉陷久會相對劇烈，移動盆地非常陡峭，移動變形集中。與分層綜放相比，地表下沉系數介于分層綜放初采與復采之間，見表3。

表3 潞安礦區類似地質條件地表沉陷情況

（3）E1302工作面位于高河礦東一盤區，與西一盤區厚黃土層相比，東一盤區地表下沉系數、水平移動系數以及邊界角均相對較小，但是通過數據觀測分析可知工作面開采后地表變形則較為劇烈，移動變形也更加集中。對比分析可知西一盤區厚黃土層對地表沉陷變形具有平緩的作用，表現出了厚松散層的特點。由于東一盤區松散層相對較薄，不具備厚松散層的特點，在綜放開采條件下，地表沉陷劇烈且變形集中，地表裂縫和破壞會比較嚴重。

圖1 E1302工作面綜放開采后地表下沉云圖

圖2 E1302工作面綜放開采后地表水平移動云圖

2.2 覆巖移動分析

E1302工作面綜放開采后巖層走向和傾向主剖面上的垂直移動情況見圖3。

圖3 E1302工作面開采后巖層垂直移動云圖

由圖3分析可知：

（1）巖層移動量

E1302工作面開采后，在采動覆巖中，以采空區幾何中心為參照點，在開采影響中央區域，離中心越近則巖層移動量越大，離中心越遠則巖層移動量越小，直接頂板移動量最大，相對應的地表移動量最小，這反映了開采空間在上傳過程中的耗散。

（2）巖層移動量大小變化特征

工作面煤層開采后應力重新分布，工作面上覆巖層產生自下而上的移動，并會逐步衰減，上覆巖層垮落后破碎巖塊堆積是得松散體體積增大，會充填一部分開采空間，但是并不能完全充填，大部分仍會向上傳遞，形成地表呈現。數值模擬分析可知，基巖上位巖層和下位巖層下沉量差值很大，說明基巖內的巖層移動出現明顯的衰減現象；與基巖內不同層位的下沉量差異相比，松散層內不同層位的下沉量基本保持一致，可見松散層為整體下沉變形，且松散層可以緩減基巖面的變形，降低地表變形了。東一盤區由于松散層相對較薄，地表變形更趨近于基巖面變形，變形劇烈且集中。

2.3 覆巖破壞分析

E1302工作面綜放開采后巖層走向和傾向主剖面上的巖體塑性區分布情況見圖4所示，分析可知：

（1）由于綜放工作面的逐漸開采，采空區上方頂板將失去支撐體，煤層上覆巖層在其自重應力作用下，其內部儲存的能量必然要通過一定的路徑轉移和釋放。變形是頂板釋放能量的最直接的方法，表現為頂板下沉，變形使頂板內形成了豎向的剪切力和一定的拉應力。由于采空區周邊煤體的限制作用，采空區周邊頂板所受剪切力較大。因此，這些部位將最先導致剪切破壞。而在離采空區較遠處的頂板，由于周邊煤體對其變形的限制作用小，頂板能量釋放較為充分，主要表現為拉破壞。

（2）從巖層塑性區分布特征來看，沿傾向剖面的塑性區（即導水裂縫帶）發育形態形成了兩邊高中間低較明顯的馬鞍形形態。數值模擬測得導水裂縫帶兩邊發育高度約為140 m，裂高采厚比為20；中間發育高度約為98 m，裂高采厚比為24。而在同樣采厚的條件下，采用分層綜采和普采的裂高采厚比約為8～16。說明綜放開采導水裂縫帶高度較大，覆巖破壞嚴重。其原因在于綜放開采采動空間大，直接頂冒落后不能充滿采空區，使得上覆巖層在垂直應力的作用下產生較大的回轉變形，采空區及上覆巖層應力重新分布，造成覆巖內的應力產生極不平衡狀態，進而產生脆性怕破壞，從而導致上覆巖層垮落列席帶的增加。

圖4 E1302工作面開采后巖體塑性區分布

3 結語

1）研究表明巖層移動在基巖內衰減較為明顯，在松散層內近似整體沉降，厚基巖具有一定的控制地表沉陷變形的能力；基巖塑性破壞區發育形態為馬鞍形，導水裂縫帶發育高度最大約為140 m，裂高采厚比為20，覆巖破壞非常嚴重。

2）綜采放頂煤一次采全高開采強度大，垮落裂縫帶高度增加，使得工作面開采后上覆巖層發生連續的沉降變形，逐步將垮落裂隙帶巖層壓實，地表的沉陷變形值增大，地表裂縫增加，從而導致地表下沉系數增大。