峰叢地貌淺埋煤層重復開采地表變形規律試驗

馬振乾，張東岳，祖自銀，謝紅飛，丁萬奇

（1.貴州大學 礦業學院，貴州 貴陽550025；2.貴州盤江煤電集團技術研究院有限公司，貴州 貴陽550081）

貴州省是南方煤炭資源最豐富的省份，地質上屬揚子地臺及其東南大陸邊緣，區內碳酸鹽巖廣布，喀斯特景觀普遍發育。其中，峰叢地貌是貴州省典型的巖溶地貌類型。所謂峰叢，是指叢聚的峰林，其基部完全相連，頂部為圓錐狀或尖錐狀的山峰，峰與峰之間常形成U形的馬鞍山地貌。峰叢相對高度一般為200～300 m，在黔南惠水、羅甸以及黔西南的興義等地較為發育。峰叢地貌條件下淺埋近距離煤層群開采會造成覆巖運動和地表下沉，規律出現顯著差異。因此，研究峰叢地貌下重復采動對覆巖運動及地表變形的影響有重要意義。

國內外學者針對采動覆巖的變化規律開展了大量的研究工作，主要采用數值模擬、理論分析、現場觀測和相似模擬等手段，取得了豐碩成果。如張軍[1]采用相似模擬試驗對采動覆巖“三帶”高度劃分和變化規律進行相關研究。任艷芳[2]、胡青峰[3]采用相似模擬試驗對覆巖和地表變形規律進行了相關研究。王文學[4]采用現場觀測對重復開采覆巖破壞預測進行了分析。康永華[5]采用數值模擬對綜采重復開采下的覆巖破壞規律進行了深入研究。弓培林[6]、胡耀青[7]使用相似模擬試驗研究了帶壓開采下的底板三維變形破壞規律。姜耀東[8]、馮梅梅[9]采用相似模擬試驗揭示了承壓水上開采工作面的底板以及裂隙演化規律。付玉平[10]、楊治林[11]對淺埋厚層工作面頂板巖層斷裂演化規律進行了大量研究。張彥賓[12]采用相似模擬，研究了條帶開采下的煤層圍巖的采動影響。姚邦華[13]、王悅漢[14]等研究了重復采動下煤層上覆巖層的變形規律。徐剛[15]記錄了崔家溝煤礦2303綜放工作面數據，采用物理相似模擬和UDEC數值模擬試驗研究了采空區覆巖“三帶”演化規律，建立了采動裂隙橢拋帶數學模型。王憲勇[16]、陳卓立[17]、吳博文[18]、周清龍[19]、王創業[20]等采用相似模擬的方法對不同條件下的煤層覆巖變形規律，做出了相關研究。以上成果對于揭示重復采動下覆巖運動與地表沉陷規律起到了重要的推動作用，由于研究的側重點不同，對峰叢地貌條件下淺埋近距離煤層群開采覆巖運動和地表下沉規律研究不足。因此，以貴州典型峰叢地貌為工程背景，采用相似材料模擬試驗和UDEC數值模擬，研究峰叢地貌下近距離煤層群重復開采工作面覆巖破斷運移規律及峰叢峰體變形規律。

1 試驗方案

采用貴州大學礦業學院大型二維相似模擬試驗平臺，模型尺寸為3 m×0.3 m×1.5 m，幾何相似常數取100，密度相似常數取1.7。根據相似材料的性質及模型的特點，本試驗選取青石砂、石灰、石膏、云母粉作為相似材料，材料配比及用量見表1。為消除邊界效應，模型兩邊各留設30 cm的煤柱，模型中煤層采高2.5 cm，每次開挖10 cm，先開挖完1#煤層再開挖2#煤層，相似模擬模型高度為150 m，寬度為300 m，峰體高度為87 m。1#煤層埋深108 m，厚度為2.5 m，2#煤層埋深122 m，厚度為2.5 m，煤層傾角均為0°，兩煤層間間隔為13.7 m。模型開采方式布置圖如圖1。試驗現象以及覆巖變形規律采用拍照和鋼尺實測的手段。

表1 模型巖層物理力學參數及相似材料配比Table 1 Physical and mechanical parameters ofmodel rock stratum and proportion of sim ilar materials

圖1 模型開采方式布置圖Fig.1 Layout of modelm ining mode

2 相似材料模擬結果

根據幾何相似比和時間相似常數，確定模型開挖步距為10 cm，在試驗中遇到上覆巖層有任何大范圍的移動時，采用相機進行實況記錄。1#煤層直接頂初次垮落和基本頂初次來壓如圖2。1#煤層開采頂板變形情況如圖3，2#煤層開采頂板變形情況如圖4。

圖2 1#煤層直接頂初次垮落和基本頂初次來壓Fig.2 The first collapse of the working face directly and the initial pressure of the basic roof

1）當工作面推進到30m時，1#煤層直接頂初次來壓，直接頂出現下沉，如圖2（a）。隨著工作面進一步推進到60～75 m時，直接頂隨著開采而下沉，同時出現了斷裂的傾向，基本頂初次來壓，出現下沉，如圖2（b）。

2）當工作面推進到90 m時，1#煤層直接頂開始斷裂，并在山峰左側坡體出現大裂縫，最大裂縫寬度為14 mm，如圖3（a）。當工作面進一步推進到93 m時，頂板出現大范圍斷裂，如圖3（b）。推進到135 m時，在山峰右側坡體也開始出現裂縫，最大裂縫出現9 mm，這時的左側坡體裂縫開始變小，最大裂縫寬度由14 mm縮小至為8 mm。推進到215 m時，山峰坡體左右側的裂縫都有明顯的縮小，其基本頂出現大面積垮落，基本頂與上覆巖層之間出現較大裂縫，實測為8 mm，如圖3（c）。當工作面推進到275 m時，采空區已被垮落巖層覆蓋，山峰峰體出現大量裂紋，山峰左右兩側和中部曾出現的較大裂縫已被壓縮至不可測的裂紋。將1#煤層全部開采完畢后，頂板出現大范圍坍塌，采空區被垮落巖層覆蓋，山峰峰體出現很多細小裂紋，如圖3（d）。

圖3 1#煤層開采頂板變形情況Fig.3 Roof deformation of 1#coal seam m ining

3）1#煤層已經全部采完，開始開采2#煤層，此時1#煤層的底板變成2#煤層的頂板。當工作面推進到55 m時，頂板初次來壓，出現下沉，如圖4（a）。當工作面推進到135 m時，1#煤層上覆巖層出現巨大裂縫，開始坍塌，坡體兩側沒有出現明顯裂縫，如圖4（b）。當工作面推進到185 m時，上覆巖層出現大范圍坍塌，坡體兩側沒有出現明顯裂縫，山峰中部出現大量細小裂縫，如圖4（c）。

圖4 2#煤層開采頂板變形情況Fig.4 Roof deformation of 2#coal seam m ining

4）在2#煤層全部采完之后，可以看到，2#煤層的上覆巖層都出現了大量的坍塌，如圖4（d）。1#煤層的底板變成了2#煤層的頂板，使得2#煤層的頂板垮塌提前。但不同于1#煤層開采，在2#煤層開采過程中山峰兩側坡體沒有出現巨大裂縫，但山峰中部出現了大量的細小裂紋。

3 數值模擬試驗

3.1 數值計算模型

采用UDEC4.0建立數值計算模型，模型長300 m，高150 m。1#煤層埋深87 m，2#煤層埋深122 m。模型底部為全約束邊界，采用Mohr-Coulomb準則。煤巖層及其節理面力學參數見表2和表3。

表2 模擬的煤巖層力學參數Table 2 M echanical parameters of simulated coal strata

表3 模擬的煤巖層節理面力學參數Table 3 M echanical parameters of simulated coal seam joint surface

3.2 模擬結果

1）1#煤層開挖過程中覆巖裂隙發育特征如圖5，UDEC模擬開挖1#工作面推進至60 m時，1#煤層頂板及上覆巖層開始出現裂隙，如圖5（a）。推進至90 m時上覆巖層裂隙進一步發育，同時左側峰體裂隙開始發育如圖5（b）。推進至135 m時峰體左側出現裂縫，頂板出現斷裂。如圖5（c）。1#工作面推進至215 m時，峰體右側出現大量裂隙，峰體左側裂隙近一步發育，如圖5（d）。推進至275 m時，1#煤層上覆巖層大量斷裂，采空區被垮落巖層覆蓋。

圖5 1#煤層開挖過程中覆巖裂隙發育特征Fig.5 Fracture development characteristics of overburden rock during excavation of 1#coal seam

2）1#煤層完全開挖后垂直應力及位移場如圖6，UDEC模擬開挖1#煤層完畢后，在垂直應力分布圖中，可以看到垂直應力集中區主要分布在峰叢的中部位置。由豎直位移分布圖可以看出，峰體內部以及1#煤層上覆巖層的變形量較大，模型中央部分最大。

圖6 1#煤層完全開挖后垂直應力及位移場Fig.6 Vertical stress and displacement field of 1#coal seam after full excavation

3）2#煤層開挖覆巖裂隙發育特征如圖7，UDEC模擬開挖2#煤層，當工作面推進至55 m時，頂板出現裂隙，如圖7（a）。推進至135 m時2#煤層上覆巖層大量斷裂，采空區被垮落巖層覆蓋，如圖7（b）。當工作面推進至195 m時，峰體左右兩側裂隙近一步發展，如圖7（c）。當工作面推進至255 m時，2#煤層上覆巖層進一步坍塌，如圖7（d）。

圖7 2#煤層開挖覆巖裂隙發育特征Fig.7 2#fracture development characteristics of overburden rock during excavation of coal seam

4）2#煤層完全開挖后垂直應力及位移場如圖8，UDEC模擬開挖1#、2#煤層完畢后，在垂直應力分布圖中可以看到垂直應力集中區與1#煤層開采完畢時類似，主要分布在峰叢的中部位置。由豎直位移分布圖可以看出，相比于1#煤層開采，2#開采完畢后峰叢的變形量更大，變形突出部分同樣出現峰體內部，由外向內變形量遞增。

圖8 2#煤層完全開挖后垂直應力及位移場Fig.8 Vertical stress and displacement field of 2#coal seam after full excavation

5）通過將UDEC模型模擬開挖1#，2#煤層與原模型比較后發現，峰體內部出現大量的裂隙，模型單元變紅代表裂隙發育情況。尤其以峰體左右兩端更嚴重。1#、2#煤層頂板隨著工作面的向前推進，在重力作用下出現彎曲下沉，且同樣出現大量的裂隙無論是1#煤層的開采還是2#煤層的重復采動，變形量較大的部分均出現在峰體內部的中央位置。

3.3 地表變形規律

峰叢模型地表變形情況如圖9。如圖9（a），從1#煤層、2#煤層開挖后相似模擬模型的地表輪廓線可以看出，1#、2#煤層開挖后，整個峰叢模型均出現了一定程度的下沉情況，尤以峰叢峰頂部位為最。UDEC峰從模型也反映出這一點，圖9（b）上部綠色虛點代表UDEC峰從模型煤層未開挖時的模型邊界，1#煤層、2#煤層開挖后，峰從模型也出現下沉，可以從模型中看到，下沉量集中在峰叢頂部。這也與符合2#煤層完全開挖后垂直位移云圖中的表現。

圖9 峰叢模型地表變形情況Fig.9 Surface deformation of the peak cluster model

4結論

1）峰叢地貌下工作面隨著開采距離的增加，先后經歷直接頂和基本頂巖層的離層、斷裂、跨落過程；頂板出現裂隙、閉合的情況重復發生。

2）當工作面推進90 m時，山峰左側坡體出現大裂縫，隨工作面的推進裂縫逐漸縮小。推進到130 m時，右側也開始出現裂縫，后隨工作面繼續推進逐漸縮小，同時山峰中部山體開始出現裂縫。在1#煤層開采完畢之后，山峰峰體左右側的裂縫已經縮小到不可測的大小。

3）1#煤層開采，直接頂初次來壓為30 m，基本的來壓步距是60 m；重復采動2#煤層后，其直接頂的初次來壓為55 m，來壓步距較1#煤層初次來壓步距提前5 m。隨著開采推進至135 m，2#煤層上覆巖層開始坍塌，但山峰坡體左右兩側并未出現大裂縫，山峰中部出現大量細小裂縫。由此可以得出，較1#煤層的開采相比，2#煤層重復采動時對峰體左右兩側巖體結構產生較小，對峰體內部的巖體結構的破壞更大。

4）當1#煤層開采完畢后，在峰體中央部分出現豎直應力集中區及較大位移變形區域；2#煤層開采完畢后，峰體中部同樣出現豎直應力集中區，變形量更大，且由外向內變形量遞增。

5）將相似模擬試驗和UDEC數值模擬結果比較得出，煤層重復采動對峰體內部以及煤層頂板巖體結構破壞嚴重，無論是1#煤層的開采還是2#煤層的重復采動，峰體內部變形區域主要集中在峰從的中央部分，同時整個峰叢模型均出現了一定程度的下沉情況，尤以峰叢頂部為最。