榆神府礦區雙煤層開采覆巖破壞及地面沉降特征研究

曹琰波，范 文，陶宜權，程 光，劉 魁，彭 敏

（1.長安大學 地質工程與測繪學院，陜西 西安 710054；2.信息產業部電子綜合勘察研究院，陜西 西安 710054）

榆神府礦區開采時采動裂隙會引起地下水滲漏失水，加劇礦區內水資源短缺的現狀，并造成嚴重的安全事故，這將成為制約礦區經濟可持續發展的主要問題[1-2]。隨著人們環境保護意識的增強，煤炭資源開采與礦區生態環境保護協調發展的理念應運而生[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，并對榆神府礦區保水采煤技術、失水程度和工程地質條件進行深入研究與分析；李樹剛等[12]采用物理相似模擬實驗與結論分析，揭示了近距離煤層單層開采和重復采動條件下覆巖移動、裂隙分布及演化規律；孫學陽等[13-15]采用相似材料模擬實驗與數值模擬方法研究雙煤層開采對覆巖的破壞影響，確定了雙煤層開采最優錯距和最不利錯距；侯恩科等[16-17]研究了淺埋煤層開采覆巖破壞規律及裂隙發育特征，認為導水斷裂帶發育過程分為4 個階段；田成林等[18]通過數值模擬方法認為多煤層開采導水斷裂帶發育高度影響因素按重要程度依次為采高、間隔層強度、層間距；黃慶享等[19-20]研究淺埋煤層群開采覆巖與地表裂隙發育規律及機理，給出了裂隙發育高度計算公式。上述研究對煤層覆巖破壞規律及裂隙發育特征進行了研究，但對多煤層開采時隔水層與煤層厚度等因素對覆巖破壞及地表沉降的影響研究相對較少。為此，以榆神府礦區典型淺埋煤層為研究對象，利用UDEC 軟件進行數值模擬計算，分析雙煤層不同工況開采條件下淺埋煤層覆巖裂隙發育特征及地表沉降規律，并結合物理相似模擬實驗進行驗證。

1 榆神府礦區概況

榆神府礦區，地貌單元可劃分為臺塬、溝壑、沙丘及沙地地貌；礦區內地層起伏小，傾角小于1°，局部地區發育小斷層，地層呈北北東走向。從西到東地層逐漸由老變新，出露地層自上而下依次為：第四系沖積層、風積沙、薩拉烏蘇組、離石組，新近系保德組，白堊系洛河組，侏羅系安定組、直羅組和延安組[21]，主要開采的含煤地層為侏羅系中下統延安組，層厚為150～280 m，主采煤層有5 層，煤層間距短，埋藏深度淺，上覆巖層厚度薄，松散覆蓋層較厚。

榆神府礦區煤層頂板多為黃綠、灰綠色塊狀中粗粒砂巖和粉砂巖，底板多為中細砂巖、砂質泥巖，砂巖裂隙較發育。榆神府礦區的含水層主要分為第四系上更新統含水層和侏羅系燒變巖含水層。第四系上更新統含水層由風積沙和薩拉烏蘇組粉細沙及亞沙土組成，巖性主要為中粗沙、細沙和粉沙，含有少量沙質黏土，結構疏松，滲透性較好，入滲系數為0.4～0.5，主要補給方式為大氣降水；燒變巖含水層厚度為20～30 m，以地下水補給為主，巖層裂隙發育，具有良好的滲透性和充足的儲水空間。榆神府礦區的隔水層由新近系上新統保德紅土和第四系中更新統離石黃土構成，透水性和富水性差，厚度約為20 m。

2 數值模型及模擬方案

2.1 數值模型和基本參數

依據陜北榆神府礦區的地層特征，對礦區淺埋煤層地質結構進行概化，設計數值模型開采煤層為2 層，同時為達到煤層充分開采和消除邊界效應的目的，整個模型長度設定為350 m，煤層和各巖層走向按水平情況處理，設計模擬開采的2 層煤層與砂巖互層，從上至下分別是：風積沙、亞沙土及亞黏土含水層（40 m）—黏土隔水層—砂巖（30 m）—煤層—砂巖（20 m）—煤層—砂層（10 m），巖層單元格的密度主要與實際層位裂隙發育程度相關，其中煤層厚度和隔水層厚度根據模擬工況變化。

數值模型上邊界為自由邊界，左、右和下邊界為固定邊界，載荷的分布形式簡化為均布載荷，上部邊界條件為應力邊界條件，數值模擬模型如圖1。

圖1 數值模擬模型Fig.1 Numerical simulation model

數值模擬模型中煤巖層本構關系采用Mohr-Coulomb 破壞準則，節理面采用面-面接觸庫倫滑移模型。根據野外實地調查及相關研究資料，各巖層物理力學參數接觸面力學參數見表1 和表2。

表1 煤巖層物理力學參數Table 1 Physical and mechanical parameters of coal and rock stratum

表2 煤巖層接觸面力學參數Table 2 Mechanical parameters of coal rock contact surface

2.2 數值模擬開采方案

開采從左邊開切眼（80 m）處開始向右推進（至270 m 止），工作面長度共計190 m。留煤柱工況開采時，1#煤層留煤柱寬5 m，共5 個工作面，從左至右編號為1－1#～1－5#，前4 個工作面的開采距離為35 m，第5 個工作面的開采距離為30 m，2#煤層開采時不留煤柱；不留煤柱工況時，2 個煤層開采均不留煤柱。先開采1#煤層，再開采2#煤層。本次數值模擬根據不同目的，選取6 種模擬方案如下：

1）方案Ⅰ。1#煤層留煤柱，煤層厚度5 m，隔水層厚度40 m。

2）方案Ⅱ。不留煤柱，煤層厚度5 m，隔水層厚度40 m。

3）方案Ⅲ。不留煤柱，煤層厚度3 m，隔水層厚度40 m。

4）方案Ⅳ。不留煤柱，煤層厚度4 m，隔水層厚度40 m。

5）方案Ⅴ。不留煤柱，煤層厚度5 m，隔水層厚度30 m。

6）方案Ⅵ。不留煤柱，煤層厚度5 m，隔水層厚度50 m。。

3 數值模擬結果

3.1 覆巖破壞及裂隙分布特征

通過模擬6 種工況雙煤層開采，得出的煤層開采過程中裂隙分布如圖2 和圖3。

圖2 1#煤層工作面推進190 m 時覆巖裂隙分布圖Fig.2 Distribution of overburden fractures when the working face of 1# coal seam advances 190 m

圖3 2#煤層全部開挖后覆巖裂隙分布圖Fig.3 Distribution of overburden fractures after full excavation of 2# coal seam

在方案Ⅰ和方案Ⅱ中，工作面推進相同距離時，不留煤柱開采大于留煤柱開采對上覆巖層的破壞程度，產生的裂隙數量更多，因為在留煤柱開采時，采空區兩側煤層與上覆巖層形成“拱形”結構以保持自穩性，而在不留煤柱開采工況下采空區兩端的煤柱距離大于留煤柱時采空區兩端的煤柱距離，在采空區兩端位置形成更大的集中應力，上覆巖層更容易垮落，并且產生的垮落范圍更大，裂隙擴展高度也增大；留煤柱開采時，煤柱對上覆巖層的質量起到一定的分擔作用，使覆巖沒有大量垮落入采空區，然而不留煤柱開采時覆巖缺少煤柱的支撐作用，使煤層之上的覆巖大量垮落進采空區之中。

根據方案Ⅱ、方案Ⅲ和方案Ⅳ裂隙分布特征可知：當開挖相同距離時，上覆巖層的破壞程度隨著煤層采高的增大而逐漸加重，所產生的裂隙數量增多，裂隙高度不斷增大。2 個煤層全部開采完后，對于煤層厚3 m 的模型，其導水裂隙深入隔水層之中5～10 m，煤層厚4 m 時，導水裂隙深入隔水層之中20～30 m，煤層厚5 m 時，導水裂隙完全貫穿整個隔水層。

在方案Ⅱ、方案Ⅴ和方案Ⅵ中，2 個煤層全部開挖后，當隔水層厚度為50 m 時，裂隙主要發育在煤層頂板砂巖層中，隔水層中零星發育裂隙，導水裂隙未切穿隔水層；當隔水層厚度為40 m 時，隔水層中裂隙數量增多，貫穿隔水層形成連通型裂隙；當隔水層厚度為30 m 時，砂巖中豎向的破斷裂隙已經與隔水層中的裂縫形成連通型裂隙，切穿隔水層頂板且深入含水層之中。可見，隨著隔水層厚度的減小，覆巖中裂隙數量逐漸增多，裂隙擴展高度變大。

綜合以上分析，在留煤柱開采工況下，煤層剛開采時采空區上覆巖層沒有垮落，僅出現一些離層裂隙；隨著工作面向前推進，采空區兩側出現豎向的破斷裂隙，但由于留煤柱的原因，只有1-3#采空區上覆巖層發生垮落；2#煤層開采過程中上覆巖層整體垮落，地表出現臺階狀下沉，上覆巖層發生全厚切落式破壞，伴隨產生較多豎向的破斷裂隙，裂隙深入隔水層中2 m 左右，沒有切穿隔水層，工作面繼續推進時裂隙發育受到抑制，裂隙擴展高度保持穩定不再變化，即“泥蓋效應”，這是由于黏土隔水層的水理力學性質較好，增強了其抗采動破壞能力，裂隙在采動過程中能夠自然閉合，抑制了導水裂隙的發育。

在不留煤柱開采工況下，煤層開采初期和留煤柱時一樣，隨著工作面推進，地表呈臺階式下沉，上覆巖層產生全厚切落式破壞，并落入采空區中；2#煤層開挖后，采空區兩側形成連通的離層裂隙發育區，裂隙沿采空區兩側上方呈約45°發展，并隨工作面推進從后至前、從下往上逐漸演變，采空區兩側上覆巖層中發育大量離層裂隙和破斷裂隙。由于開采過程中上覆巖層不斷垮落，擠壓已垮落的巖層，早先形成的裂隙被壓實，使采空區內部主要發育的是橫向裂隙。2 種開采工況下，多煤層疊加開采均遠大于單一煤層開采對上覆巖層的破壞程度，最明顯的表現為裂隙數量增多和向上延伸高度變大。

3.2 地表沉降

在方案Ⅰ和方案Ⅱ中，由于留煤柱開采時上覆巖層變形很小，所以選取不留煤柱開采工況來分析地表下沉隨工作面推進的變化情況。方案Ⅱ煤層開采過程中地表沉降過程如圖4。

圖4 不留煤柱開采工況地表沉降曲線Fig.4 Surface settlement curves under mining condition without coal pillar

由圖4 可知：當1#煤層工作面推進距離為35 m時，地表幾乎沒有發生沉降；隨著工作面不斷向前推進，地表沉降量才緩慢增大；2#煤層開挖完成后，地表最大沉降量為6.54 m，地表沉降中心為180 m。由此可知，不留煤柱開采時，隨著工作面向前推進，地表沉降量逐漸增大，地表沉降中心不斷前移，地表沉降曲線的曲率也越大，即沉降曲線變得“瘦高”，使采空區兩側與中間的地表沉降值之差變大，造成地表嚴重的拉張破壞。

選取相同開挖距離下地表沉降量來分析不留煤柱時地表沉降與煤層厚度及隔水層厚度之間的關系，不留煤柱時不同工況下1#煤層開挖過程中地表沉降變化見表3，不留煤柱時不同工況下2#煤層開挖后地表沉降曲線見圖5。

表3 不留煤柱時不同工況下1#煤層開挖過程中地表沉降變化Table 3 Changes of surface subsidence during excavation of 1# coal seam under different working conditions without coal pillar

圖5 不留煤柱時不同工況下2#煤層開挖后地表沉降曲線Fig.5 Surface subsidence curves of 2# coal seam after excavation under different working conditions without coal pillar

隨著工作面推進距離增大，地表沉降值不斷變大，煤層厚度與地表沉降值呈正相關性，即相同開挖距離下，隨著煤層厚度的增加，地表沉降值不斷增大；2 個煤層全部開采后，煤層厚3 m 的地表最大沉降量為4.39 m，煤層厚度為4 m 時地表最大沉降量達到5.46 m，煤層厚5 m 的地表最大沉降量約6.54 m。煤層開采過程中，地表沉降中心向工作面推進方向前移，并且工作面推進相同距離時不同煤層厚度的地表沉降中心位置變化幾乎一致，僅在工作面推進75 m 時厚度為3 m 的煤層地表沉降中心位置較大，表明煤層厚度對地表沉降中心位置變化基本無影響。

不同隔水層厚度的煤層在開挖過程中，當1#煤層工作面推進35 m 時，隔水層厚50 m 的地表沉降量最大，隔水層厚40 m 和30 m 的地表沉降量依次減小，表現為隔水層厚度越大，地表沉降量也越大；當開挖到115 m 以后，隔水層厚30 m 的地表沉降量大于隔水層厚50 m 的地表沉降量，規律變為隔水層厚度越小，地表沉降量越大；在開挖初期，不同厚度的隔水層引起的地表沉降中心位置變化基本一致，僅在工作面推進115 m 時隔水層厚30 m 的地表沉降中心位置更靠近工作面，在1#煤層開挖完成后，隔水層厚度越大地表沉降中心越靠近工作面。說明在開挖初始階段，50 m 厚的隔水層整體質量較大，使上覆巖層破壞程度更嚴重，隨著工作面推進，隔水層重量對地面沉降的影響減小，這時隔水層厚度較薄的覆巖破壞程度更嚴重，裂隙向上發展的更高。2#煤層開挖后，隔水層厚度越大地表沉降中心越靠近工作面，隔水層厚度越小地表沉降中心附近的地表沉降量越大，但是在采空區兩側，隔水層厚度越小地表沉降量也越小。由于在煤層開采過程中，隔水層厚度越小覆巖破壞程度越嚴重，沿采空區兩側上覆巖層中形成較多豎向的破斷裂隙，使采空區上覆巖層整體垮落過程中對兩側覆巖影響較小，造成采空區兩側地表沉降量也越小。

3.3 覆巖應力場變化

為研究煤層開采過程中覆巖應力變化，分別對方案Ⅰ與方案Ⅱ2 種工況下水平和豎向應力進行分析，煤層開采水平應力云圖如圖6，煤層開采豎向應力云圖如圖7。

圖6 煤層開采水平應力云圖Fig.6 Cloud diagrams of horizontal stress in coal seam mining

圖7 煤層開采豎向應力云圖Fig.7 Cloud diagrams of vertical stress in coal seam mining

3.3.1 水平應力場

方案Ⅰ留煤柱工況開采時，當1#煤層工作面推進至190 m，采空區上方覆巖最大水平應力值達到20.0 MPa；2#煤層全部開挖完成后，采空區上方覆巖最大水平應力穩定在14.0 MPa 左右；方案Ⅱ不留煤柱開挖時，當1#煤層工作面推進至190 m，采空區上方覆巖最大水平應力值達到17.0 MPa；2#煤層全部開挖后，采空區上方覆巖最大水平應力穩定在16.0 MPa 左右。

根據水平應力模擬結果可知：煤層開采破壞了巖土體內天然應力的平衡狀態，造成采空區周圍巖土體應力的重新分布；在開采1#煤層時，2 種工況下采空區上覆巖層內均出現水平應力集中現象，離層裂隙發育區內水平應力較大，隨著工作面推進距離增大，最大水平應力隨之升高；2#煤層開挖結束后，地表水平應力減小。這是因為工作面開采后，采空區由垮落的上覆巖層松散介質充填，上覆巖層下沉彎曲變形，離層裂隙較發育，在離層裂隙發育區形成較大的水平應力；但隨著工作面推進，工作面后方已垮落的巖石逐漸被垮落的上覆巖層壓實，覆巖結構趨于穩定，水平應力逐漸減小并趨于穩定值。煤層開采時覆巖全厚切落，地層整體下沉，因此采空區兩側地表附近存在水平拉應力，造成地表產生拉張裂縫，不留煤柱開采比留煤柱開采所產生的水平拉應力范圍更大，拉張裂縫數量更多。

3.3.2 豎向應力場

方案Ⅰ留煤柱開采時，當1#煤層工作面推進至190 m，采空區煤壁上方最大豎向應力穩定在35.0 MPa 左右，2#煤層全部開挖完成后，煤壁上方最大豎向應力約35.0 MPa；方案Ⅱ不留煤柱開挖時，當1#煤層工作面推進至190 m 時，采空區煤壁上方最大豎向應力穩定在16.0 MPa 左右，2#煤層全部開挖完成后，煤壁上方最大豎向應力約為16.0 MPa。

由豎向應力模擬結果可知：工作面推進至不同距離時，采空區兩側一定范圍內均出現應力集中現象。留煤柱開采時煤柱中存在較大的豎向應力，表明煤柱對煤層頂板起到支撐作用，其中地表沉降中心附近的煤柱中豎向應力最大，應在煤層開采過程中對該位置處煤柱加強支護；不留煤柱開采時，在覆巖切落位置兩側存在應力集中現象，產生的豎向應力超過巖石強度極限，煤層頂板在拉應力和剪應力作用下發生垮落和下沉，其上部基本頂以梁彎曲的形式沿巖層面的法線方向發生移動、彎曲，直至斷裂。正常開采過程中煤層覆巖在一定范圍內均產生拉張應力，由于應力是靠巖層之間接觸傳遞的，所以上覆巖層在拉張應力區域內會出現離層運動，從而產生具有一定規律的離層裂隙和破斷裂隙；不留煤柱開采比留煤柱開采時采空區上覆巖層內拉張應力范圍大，因此不留煤柱開采時覆巖內產生的裂隙更多，覆巖位移變形更大。煤層及上覆巖層中垂直應力沿煤層開采方向分布表現為：沿工作面方向依次出現應力集中區、應力卸壓區和應力集中區。

4 物理相似模擬實驗驗證

為驗證留煤柱開采時上覆巖層破壞呈現的“泥蓋效應”，采用物理相似模擬實驗進行模擬。根據相似原理，物理相似模擬實驗中含水層采用礦區內風積沙及薩拉烏蘇組原狀樣，隔水層由甘油、凡士林、石英砂及膨潤土按照不同比例配制而成，巖層由河砂、石膏和大白粉按照40∶1∶4 混合制成，煤層由河砂、粉煤灰、大白粉和石膏按照25∶25∶5∶1 混合制成，模型尺寸為350 cm×40 cm×150 cm（長×寬×高）。

覆巖裂隙發展過程如圖8。

圖8 覆巖裂隙發展過程Fig.8 Development process of overburden fractures

物理相似模擬實驗中覆巖裂隙發育規律和地層沉降變形規律主要表現為：

1）在1#煤層開采過程中，由于煤柱的支撐作用，地層未發生明顯的彎曲下沉，部分工作面上覆巖層發生垮落。2#煤層采動造成覆巖發生5 次切落，2#煤層工作面推進58 cm 時覆巖第1 次切落，上覆巖層發生全厚切落式破壞，在開切眼上方巖層發育2 條平行裂隙，為剪切裂隙，深入黏土隔水層中約20 cm，2 條裂隙外側錯斷的巖層基本保持水平，沒有發生明顯回轉，裂隙之間的巖塊則呈現出回轉跡象，在第2 次至第5 次覆巖切落過程中，裂隙發育受到抑制，裂隙擴展高度保持穩定不再變化，在黏土隔水層中采動破壞產生“泥蓋效應”，與數值模擬結果相比，兩者均產生了“泥蓋效應”，但數值模擬中裂隙僅深入隔水層中2 m 左右，模型實驗中裂隙在隔水層中擴展高度更大。在覆巖切落過程中，通常會在煤柱上方發育拉張裂隙，裂隙兩側巖層之間沒有明顯錯動，在下一次覆巖切落時，裂隙因側面巖層下沉而閉合，同時產生新裂隙。2#煤層完成開挖后，上覆巖層的破壞程度趨于穩定。覆巖發生5 次切落過程中地表沉降曲線如圖9。

圖9 覆巖切落過程中地表沉降曲線Fig.9 Surface subsidence curves during rock cutting

2）在第1 次至第3 次覆巖切落過程中，地表最大沉降量不斷增大，但地表沉降中心位置在110 cm處未發生變化，隨著工作面推進距離增大，地表最大沉降量持續增大，采空區兩側的地表沉降量小于采空區中間的地表沉降量，地表沉降中心向工作面推進方向移動，地表呈臺階式下沉，這與數值模擬結果保持一致。

由模型實驗模擬結果可知，第1 層留煤柱工況開采時數值模擬結果與模型實驗結果基本一致。

5 結 論

1）淺埋煤層覆巖破壞方式為全厚切落，留煤柱開采時隔水層中采動破壞呈現“泥蓋效應”，不留煤柱開采時采空區兩側形成連通的離層裂隙發育區，裂隙沿采空區兩側上方呈約45°發展，隨工作面推進從后至前、從下往上演變，隨著煤層厚度增大或隔水層厚度減小，覆巖裂隙數量增多，裂隙發育高度增大。

2）煤層開采時地表呈臺階式下沉，地表沉降中心向工作面推進方向不斷前移，地表沉降量隨煤層厚度的增大而變大，在開挖初始階段，隔水層厚度越小地表沉降量越小，隨著工作面推進，規律變為隔水層厚度越大地表沉降量越小，2#煤層開挖后地表沉降中心附近隔水層厚度越小地表沉降量越大，采空區兩側地表沉降量則與之相反。

3）煤層開采過程中，采空區兩側和上覆巖層內存在應力集中現象，覆巖在一定范圍內產生拉張應力，在采煤過程中應加強對地表沉降中心附近煤柱的支護，上覆巖層中垂直應力沿煤層開采方向依次出現應力集中區、應力卸壓區和應力集中區。