特厚煤層相鄰工作面開采覆巖運移規律研究

來興平，李軍偉，崔 峰 ，單鵬飛

（1.西安科技大學 能源學院，陜西 西安 710054；2.西安科技大學 教育部西部礦井開采及災害防治重點實驗室，陜西 西安 710054）

埋藏于地下工作面的煤層開采會引起覆巖原巖應力狀態發生變化，導致覆巖產生位移變形和破壞，進而形成覆巖的垮落帶和斷裂帶，以往對于采動覆巖運移和破壞規律多集中于單一工作面煤層開采條件的研究[1-9]，然而覆巖運移破壞是1 個復雜的時間和空間問題，采空區覆巖運移破壞不僅與本工作面煤層開采有關，而且受相鄰工作面煤層開采的影響，王建軍采用軟件計算得到相鄰工作面開采后地表變形值小于2 個工作面單采后的變形值的累加和[10]，張恒討論了兩側采動范圍不同時孤島覆巖斷裂破壞特征[11]，楊友偉通過FLAC3D數值模擬分析得到工作面推進支承壓力分布規律與不同錯距時兩相鄰工作面支承壓力疊加的影響特征[12]，朱廣安指出相鄰多個工作面采空區上覆巖層大范圍的協同破斷和運動是孤島煤柱沖擊礦壓的主要誘因[13]，何滿潮運用FLAC3D數值模擬對相鄰工作面區段煤柱4 種不同開采方式的應力分布特征進行了數值模擬和對比分析[14]，郝建研究得到孤島工作面長度大于相鄰工作面支承壓力影響范圍之和時，孤島工作面支承壓力無法疊加，工作面較安全[15]，王旭濤采用FLAC3D數值模擬大傾角厚煤層一次全高開采相鄰兩工作面基本頂的初次來壓步距、周期來壓步距以及支承壓力系數進行了分析[16]。以上作者分別對相鄰采空區支承壓力分布、覆巖協同破壞運動以及孤島工作面受相鄰采空區影響研究，較少系統地從相鄰工作面先后開采后空間應力、位移與破壞演化方面研究覆巖運移破壞規律?；诖?，以某礦2 個典型相鄰特厚煤層工作面為背景，通過FLAC3D數值模擬得到相鄰工作面先后回采覆巖應力、位移和破壞數據，應用Origin 數據處理軟件繪制三維空間應力和位移云圖，結合覆巖三維破壞特征研究覆巖運移破壞規律，最后通過現場覆巖鉆孔窺視探測證實覆巖運移破壞特征，并結合經驗公式得到相鄰工作面開采覆巖更為合理的“兩帶”破壞高度，為煤炭安全開采提供科學依據。

1 工程地質條件

模擬2 個相鄰的上下區段工作面分別為某礦4#煤層的1141 工作面和1143 工作面，該煤層埋深613～619 m 左右，傾角 0°～3°，平均厚度為 6 m 左右，分布穩定，屬于淺埋近水平特厚煤層。兩相鄰工作面走向長800 m，傾向長240 m，中間區段煤柱寬度40 m，應用大采高綜采開采方法。覆巖地層巖性主要以不同粒度的粗粒砂巖、礫巖、泥巖、細粒砂巖及少量中粒砂巖組成，最上層有92 m 左右的土層覆蓋，總體形態為走向西北-東南，傾向北東的單斜構造，地層傾角0°～7°，地質勘探沒有斷距大于20 m的斷層及其它構造，屬于穩定、構造簡單地層。

2 FLAC 數值模擬模型建立

2.1 模型建立

以4#煤層相鄰的1141 工作面和1143 工作面為對象，運用FLAC3D有限元軟件建立三維計算模型，模擬采動覆巖的應力、位移和塑性破壞演化特征，考慮到工作面開挖覆巖影響范圍、圍巖變形的協調性以及數值模擬計算方便，建立680 m×1 000 m×539 m 的模型，其中x 軸為工作面傾向方向，y 軸為工作面推進方向，z 軸為垂直地層方向，模型共劃分387 600 個單元和404 202 個節點；模型四周邊界為單約束邊界，下部邊界為全約束邊界，即水平和垂直方向均固定，上部邊界為自由邊界；模型共模擬14 層煤巖層，由于沒有對黃土層進行模擬，故在上部邊界施加1.64 MPa 的等效荷載；模擬4#煤層沿x方向布置2 個工作面（上、下區段工作面），工作面傾向長度均為240 m，走向長度均為800 m，兩工作面間留40 m 的區段煤柱，為避免邊界效應，模型留不小于80 m 邊界，三維模型如圖1。

圖1 三維模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of 3d model

2.2 破壞準則的確定

根據現場地質資料和對采集的巖石力學試驗結果，三維數值計算采用莫爾-庫侖（Mohr-Coulomb）屈服準則描述煤巖體的破壞行為：

式中：fs為屈服函數；σ1、σ3分別為最大和最小主應力；c、φ 分別為黏聚力和內摩擦角。

當fs>0 時，材料將發生剪切破壞；在通常應力狀態下，巖體的抗拉強度很低，因此可根據抗拉強度準則（σ3≥σT）判斷巖體是否產生拉破壞，σT為抗拉強度；破碎巖體在極限應力狀態下的應力狀態和巖石強度參數之間的關系采用庫侖準則表示，即：

式中：τ 為剪切面上的剪應力；σ 為剪切面上的正應力。

2.3 煤巖體物理力學特性

根據現場開采以及試驗的需要，采集了工作面周圍煤巖樣品，完成單軸和三軸巖石力學參數試驗，獲得煤與巖體的定量物理力學參數（表1），為三維數值計算提供了可靠的依據。

3 數值模擬結果分析

數模擬中上下區段工作面分別對應礦井的1141工作面與1143 工作面，工作面模擬采高為6 m，模擬推進步距10 m，即工作面回采10 m 進行1 次模型計算，采集工作面回采 200、400、600、800 m 時采空區覆巖的應力和位移數據制作三維云圖，結合覆巖走向和傾向塑性破壞從三維空間角度對比分析相鄰工作面回采后覆巖應力、位移及塑性破壞演化特征。

表1 煤巖體力學參數Table 1 Mechanical parameters of coal and rock

3.1 采動覆巖應力演化特征

工作面回采的過程中破壞了覆巖的原巖應力場平衡狀態，引起了應力重新分布，位于采空區低位巖層垮落，垂直應力得到釋放，應力值隨著回采趨于0 MPa，位于采空區高位巖層形成穩定結構，將巖層質量傳遞至采空區周圍新的支承點，在采空區四周形成支承壓力帶，采集工作面覆巖10 m 層位在不同推進距離的垂直應力數據，繪制的采動覆巖垂直應力演化特征如圖2，由圖2 可知，覆巖原巖應力為13 MPa，在上區段工作面回采過程中，工作面前方70～100 m 形成超前支承壓力，壓力峰值距工作面煤壁20～30 m，應力增高系數為1.5～1.9，隨工作面采過一段距離后，采空區周圍60～80 m 形成1 種穩定的殘余支承壓力，壓力峰值距采空區煤壁10～20 m，應力增高系數1.5～1.7；在下區段工作面推進400 m 時，上區段采空區在中間區段煤柱側的殘余支承壓力與下區段的工作面超前支承壓力疊加，在工作面煤體與區段煤柱的拐角形成較高的支承壓力，應力增高系數可達1.9～2.2；在下區段回采工作面的后方，相鄰采空區側向支承壓力相互疊加，在區段煤柱上形成1 種單峰值的疊合支承壓力，峰值應力增高系數為2.2～2.4，當下區段工作面回采結束，相鄰采空區垂直應力在中間區段煤柱上的疊加峰值應力增高系數達到2.4～2.9。

3.2 采動覆巖位移演化特征

工作面煤層回采過程中，后方采空區上部巖層由于失去支承而向采空區內逐漸移動、彎曲和破壞，從而產生向下的垂直位移，覆巖破壞隨著回采工作面的不斷推進，逐漸從采空區低位巖層向高位巖層擴展，采動覆巖垂直位移演化特征如圖3，當上區段工作面推進200 m，采空區覆巖10～170 m 層位產生最大垂直位移為 1.77、1.47、1.13、0.89、0.69 m，采空區上方低位巖層位移大于高位巖層；在工作面推過一定距離后，覆巖垂直位移隨回采趨于穩定，工作面從200 m 推進至800 m，采空區覆巖10 m 層位產生最大垂直位移為 1.77、2.52、3.36、3.61 m；下區段工作面開采，后方采空區覆巖不同層位垂直位移隨著工作面回采逐漸趨于穩定值（同上區段相似），中間區段煤柱覆巖在極大應力的作用下產生垂直位移，當工作面推進至800 m，煤柱上方高位巖層垂直位移產生較大的垂直位移，煤柱覆巖170 m 層位最大垂直位移最終穩定在4.12 m。相鄰上下區段采空區高位覆巖垂直位移在煤柱上方耦合同時向下運動。

圖2 采動覆巖垂直應力演化特征Fig.2 Evolution characteristics of vertical stress in mining overlying strata

圖3 采動覆巖垂直位移演化特征Fig.3 Evolution characteristics of vertical displacement in mining overlying strata

3.3 采動覆巖塑性破壞分析

工作面煤層開采會導致采空區覆巖發生不同程度破壞，從而使覆巖出現垮落帶和導水斷裂帶，FLAC3D數值模擬通過塑性區展現覆巖的破壞，采動覆巖破壞演化特征如圖4，工作面煤層開采，采空區上方覆巖產生拉裂破壞，兩端覆巖產生剪切破壞，覆巖拉裂破壞沿走向形成1 個拱形，拱頂和拱腳分別位于采空區上方與兩端，隨著工作面推進，破壞拱高度上升，即工作面從200 m 推進至800 m，拱高度依次為23、35、43、43 m，覆巖破壞高度呈現“增大-穩定”趨勢。同時，覆巖拉裂破壞沿傾向也是1種拱形破壞，在上區段工作面回采結束時，采空區覆巖拱形的高度為43 m，下區段工作面結束，覆巖沿傾向形成雙破壞拱結構，上區段采空區破壞拱高度上升至59 m，下區段采空區覆巖破壞拱高度達到51 m，中間區段煤柱覆巖在極大的應力作用下產生了較高的剪切破壞，兩側采空區破壞拱與中間剪切破壞耦合形成1 個橫跨2 個采區的破壞拱，拱形高度達到了74 m。

圖4 采動覆巖破壞演化特征Fig.4 Failure evolution characteristics of mining overlying strata

4 覆巖破壞現場監測及經驗估算

4.1 現場監測分析

礦井工作面在回采過程，為了解采空區覆巖破壞情況，對覆巖進行鉆孔窺視，窺視鉆孔布置在工作面中部與兩端液壓支架架前，以ZDY1000 鉆機及其配套鉆桿向采空區覆巖進行施工，孔徑75 mm，孔深 60～80 m，仰角 70°，鉆孔窺視采用 YSZ（B）鉆孔窺視儀，測量深度能夠達到80 m。為探明隨工作面推進采空區覆巖破壞，每推進100 m 進行1 次鉆孔窺視，統計分析每次鉆孔窺視探測的破碎巖層和裂隙巖層臨界深度，求解鉆孔深度的正弦值（h×cos70°）得到工作面整個回采過程采空區覆巖破壞高度情況，隨工作面推進覆巖破壞特征如圖5，由圖5 可知，覆巖破壞隨工作面回采呈現“增大-穩定”趨勢，沿工作面傾向方向，采空區中部覆巖破壞高于兩端，在1141 工作面回采結束時，中部垮落帶和斷裂帶高度分別為 15.65 m 與 32.65 m，兩端高度分別均為 11.14 m 與 23.26 m 左右，采空區覆巖沿工作面傾向形成1 個拱形破壞；在1143 工作面回采結束時，其采空區中部垮落帶和斷裂帶高度達到22.94 m 與 45.36 m，上端頭高度（區段煤柱側）達到 19.01 m 與 39.79 m，下端頭高度為 13.02 m 與 33.30 m，相鄰采空區覆巖沿工作面傾向形成雙拱形破壞，且破壞拱高度整體上升，耦合形成1 個橫跨兩側采空區的破壞拱。采空區覆巖鉆孔窺視結果證實了數值模擬覆巖破壞特征，即采空區覆巖破壞隨工作面回采呈現“增大-穩定”趨勢，相鄰采空區覆巖沿傾向形較大的雙拱形破壞，耦合形成1 個橫跨兩采空區的破壞拱。

圖5 隨工作面回采覆巖破壞特征Fig.5 Failure characteristics of overlying strata with mining working face

4.2 覆巖“兩帶”經驗估算

現場實測中覆巖鉆孔窺視探測采空區前端（60～80 m）×cos70 范圍內覆巖破壞狀況，從數值模擬結果可知采空區覆巖破壞沿走向呈現拱形破壞，即采空區中部破壞高度大于兩端破壞，因此，覆巖鉆孔窺視得到最終的“兩帶”破壞高度需要結合經驗公式進行適當的增大；根據覆巖斷裂帶和垮落帶破壞高度計算經驗公式，結合4#煤層開采地質條件，確定垮落帶和斷裂帶高度理論公式：

式中：∑M 為煤層的累計開采厚度，m；Hk為垮落帶高度，m；Hli為斷裂帶高度，m。

4#煤層的賦存厚度為6 m，工作面的采高∑M=6 m，通過計算：煤層開采后垮落帶高度Hk為7.1～18.3 m，斷裂帶高度 Hli為 39.9～51.1 m。

與采空區覆巖“兩帶”破壞高度估算結果相比，可以發現相鄰工作面采后實測垮落帶最終穩定高度22.94 m 和斷裂帶最終穩定高度 45.32 m 接近相應估算的上限高度，且數值模擬最終橫跨兩采空區破壞拱高度59 m 接近估算斷裂帶上限高度51.1 m，即估算斷裂帶上限高度處于實測高度和數值模擬高度之間，因此礦井4#煤層開采導致覆巖“兩帶”破壞高度取估算上限值比較合理。

5 結 論

1）相鄰工作面煤層開采，兩側采空區側向殘余支承壓力在中間段煤柱形成應力增高系數為1.9～2.9 的疊加支承壓力，在極大的應力作用下，中間區段煤柱覆巖產生較大的垂直位移和塑性破壞，兩側采空區高位覆巖垂直位移在煤柱上方耦合同時向下運動。

2）采空區覆巖沿走向和傾向形成拱形破壞，走向破壞拱高度隨工作面回采呈現“增大-穩定”趨勢，在相鄰工作面開采后，覆巖沿傾向形成2 個較大的雙拱形破壞，與中間區段煤柱較大的剪切破壞耦合，構成橫跨兩采空區更大的破壞拱。

3）采空區鉆孔窺視證實覆巖破壞隨工作面回采呈現“增大-穩定”趨勢，相鄰采空區覆巖沿傾向形成較大的雙拱形破壞，且破壞拱高度整體上升，耦合形成1 個橫跨兩采空區的破壞拱，同時結合數值模擬破壞拱高度、現場實測覆巖破壞高度與“兩帶”高度經驗公式結果相結合，得出了礦井4#煤層相鄰工作面開采導致覆巖“兩帶”破壞高度取估算上限值更為合理。