近距離煤層上行開采覆巖裂隙演化與移動(dòng)變形規(guī)律研究

吳 騰

（煤炭工業(yè)石家莊設(shè)計(jì)研究院有限公司貴州分公司）

我國(guó)近距離煤層大多采用下行開采，但在煤炭資源開采中，煤層賦存條件較好的煤層先被采出后，再對(duì)其上部煤層進(jìn)一步回收利用時(shí)，通常也會(huì)采用上行開采［1-4］。上行開采相比下行開采而言，具有準(zhǔn)備時(shí)間短、能快速出煤等優(yōu)點(diǎn)，在近距離煤層里能否凸顯上行開采的優(yōu)點(diǎn)則由煤層層間距、煤層厚度以及層間巖體強(qiáng)度等因素來(lái)決定［5-6］。在近距離煤層上行開采研究中，楊國(guó)樞等［7］根據(jù)煤層群開采時(shí)覆巖結(jié)構(gòu)的演化特征，闡述了煤層群開采時(shí)的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律；崔峰等［8］對(duì)上行開采條件下的覆巖結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，提出了關(guān)鍵層受力分析中所受沖擊地壓的危險(xiǎn)性指數(shù)；楊濱濱等［9］研究了上行開采時(shí)煤層采動(dòng)覆巖裂隙的時(shí)空演化特征，認(rèn)為覆巖裂隙的裂隙熵和裂隙率在變化趨勢(shì)上是相同的，并且在采動(dòng)時(shí)距離煤層底板越遠(yuǎn)，裂隙熵就會(huì)越小。孫世國(guó)等［10］對(duì)開采后的覆巖傾斜和水平變形進(jìn)行了分析，確立了移動(dòng)邊界和危險(xiǎn)邊界。孫學(xué)陽(yáng)等［11］探討了淺埋煤層不同開采速度條件下對(duì)覆巖變形的影響，提出了開采速度越快，其覆巖移動(dòng)變形量越小。

目前對(duì)于煤層采動(dòng)后覆巖裂隙演化與移動(dòng)變形規(guī)律的研究大多只針對(duì)于單一煤層開采，對(duì)上行開采研究較少［12］。為了緩解下煤層開采對(duì)上煤層開采的影響，同時(shí)滿足近距離上行開采的安全與高效，探究淺埋近距離煤層上行開采覆巖裂隙演化與移動(dòng)變形規(guī)律便顯得至關(guān)重要，這將為日后近距離煤層開采覆巖移動(dòng)變形與地表沉降控制、實(shí)現(xiàn)綠色開采奠定基礎(chǔ)。

1 工程概況

貴州某礦設(shè)計(jì)開采K8與K9煤層，采用上行開采，先采K9煤層，再采K8煤層。K8與K9煤層平均厚度分別為1.1、1.6 m，煤層間平均層間距約為10.0 m，層間巖層屬中硬巖層。現(xiàn)在對(duì)K9煤層進(jìn)行開采，以該煤層中布置的某一工作面為研究對(duì)象，工作面采深約為300 m，工作面傾斜長(zhǎng)度為150 m，走向長(zhǎng)度約為1 200 m，采用綜合機(jī)械化采煤工藝，全部垮落法處理采空區(qū)。工作面煤層賦存情況如圖1所示。

2 近距離煤層上行開采可行性分析

對(duì)于近距離煤層能否使用上行開采，通常看其下煤層開采后所產(chǎn)生的“三帶”是否會(huì)對(duì)上煤層產(chǎn)生較大影響。若下煤層開采時(shí)所產(chǎn)生的冒落帶高度大于上下煤層間距，則上煤層頂?shù)装褰Y(jié)構(gòu)都會(huì)受到嚴(yán)重影響，造成上煤層開采難度極大（圖2（a））；若上下煤層間距大于下煤層開采時(shí)產(chǎn)生的冒落帶高度，但小于裂隙帶高度，則上煤層結(jié)構(gòu)只會(huì)遭受中等破壞（圖2（b））；若上下煤層間距大于裂隙帶高度，上煤層結(jié)構(gòu)會(huì)保持基本完整，易于開采（圖2（c））。

2.1 冒落帶高度計(jì)算

上行開采過程中根據(jù)煤層間巖性的不同，冒落帶最大高度可按式（1）～式（3）計(jì)算：

式中，Hk為冒落帶最大高度，m；M為采高，m。式（1）適用于石灰?guī)r、砂質(zhì)頁(yè)巖等堅(jiān)硬的頂板巖層；式（2）適用于泥質(zhì)砂巖、砂質(zhì)頁(yè)巖等中硬的頂板巖層；式（3）適用于泥巖、砂質(zhì)砂巖類較軟弱的頂板巖層。

本工程下煤層厚度為中厚煤層，其煤層間距為細(xì)砂巖的中硬巖層，下煤層采高為1.6 m，取式（2）進(jìn)行計(jì)算，冒落帶最大高度Hk范圍為3.83～8.23 m。

2.2 裂隙帶高度計(jì)算

裂隙帶高度Hi計(jì)算公式可按式（4）～式（6）計(jì)算：

式中，Hi為裂隙帶最大高度，m。式（4）適用于堅(jiān)硬頂板巖層，式（5）適用于中硬頂板巖層，式（6）適用于軟弱頂板巖層。

本工程中煤層頂板為中硬頂板，下煤層采高為1.6 m，取式（5）進(jìn)行計(jì)算，裂隙帶最大高度Hi范圍為20.37～31.57 m。

所研究的兩煤層層間距平均約為10.0 m，結(jié)合以上對(duì)下煤層開采覆巖內(nèi)冒落帶與裂隙帶最大高度的計(jì)算可知，K9煤層開采工作面覆巖冒落帶最大高度小于兩煤層層間距，但是裂隙帶最大高度將可能升至K8煤層的上覆巖層，因此，K9煤層開采將會(huì)在一定程度上影響到K8煤層，但不影響其正常回采，只需要后期對(duì)K8煤層底板采取管理措施即可正常回采。

3 近距離煤層開采覆巖裂隙演化與移動(dòng)規(guī)律分析

3.1 模型構(gòu)建

采用3DEC數(shù)值模擬軟件構(gòu)建淺埋近距離煤層上行開采模型，上下2層煤模擬工作面推進(jìn)至120 m的情況，模型長(zhǎng)、寬、高分別設(shè)計(jì)為180、2、70 m，在工作面開切眼一側(cè)與工作面推進(jìn)120 m時(shí)煤壁一側(cè)各留30 m的煤柱，設(shè)計(jì)先后開采K9與K8煤層，設(shè)計(jì)煤層厚度分別是1.5與1.0 m，K9煤層中的工作面采深為350 m，K9與K8煤層層間距為10 m，兩煤層層間巖體強(qiáng)度約為3 MPa。模型煤巖體及節(jié)理物理力學(xué)參數(shù)具體如表1、表2所示，模型底部及周邊的水平、垂直位移以及速度固定為零，上表面施加載荷來(lái)模擬上覆巖層自重應(yīng)力，將所采K8、K9煤層及頂板巖層進(jìn)行不同程度加密細(xì)分。數(shù)值分析模型如圖3所示。

3.2 覆巖裂隙與位移演化特征分析

圖4所示為K9煤層工作面開采覆巖裂隙及位移演化圖。如圖4（a）、（c）、（e）所示，K9煤層工作面推進(jìn)至40 m之前，直接頂已開始冒落，工作面推進(jìn)到40 m時(shí)，初次來(lái)壓結(jié)束，處于二次來(lái)壓中，K9與K8煤層工作面直接頂與其上覆巖層均產(chǎn)生離層，由K9煤層工作面回采產(chǎn)生的裂隙帶最大高度為17.65 m，直至K8煤層工作面直接頂上方；K9煤層工作面推進(jìn)到80m時(shí)，采空區(qū)中部及后部巖石逐漸壓實(shí)，K9煤層工作面覆巖裂隙沿開采方向不斷延伸，產(chǎn)生裂隙主要集中在K9采空區(qū)中部及K8煤層工作面直接頂區(qū)域，并且K8煤層工作面直接頂與基本頂之間出現(xiàn)了離層，此時(shí)由K9煤層工作面回采產(chǎn)生的裂隙帶最大高度為21.53 m；K9煤層工作面推進(jìn)到120 m時(shí)，回采結(jié)束，直接頂呈周期性垮落，覆巖裂隙發(fā)育以采空區(qū)中部最為密集，裂隙發(fā)育高度到達(dá)K8煤層工作面直接頂上方，因受采動(dòng)時(shí)間影響，工作面一側(cè)的覆巖裂隙發(fā)育要大于開切眼側(cè)覆巖裂隙發(fā)育，最大高度到22.86 m。從圖4（b）、（d）、（f）可以看出，當(dāng)工作面推進(jìn)至40 m時(shí)，采空區(qū)中部垂直位移最大，為1.49 m，K9煤層工作面采空區(qū)覆巖垂直位移為拱形，并且在K8煤層工作面直接頂上端出現(xiàn)離層；當(dāng)工作面繼續(xù)推進(jìn)到80 m時(shí)，覆巖垂直位移持續(xù)增加，最大位移為1.53 m，覆巖垂直位移從采空區(qū)中部至兩端位移逐漸減小，最小垂直位移為0.28 m；K9煤層工作面回采完畢后，其上覆巖層垂直位移最大量為1.61 m，采空區(qū)中部覆巖的下沉量最大，并且在開切眼與工作面兩端也出現(xiàn)1.16 m的垂直位移。

圖5所示為上位K8煤層工作面開采覆巖裂隙及位移演化圖。

從圖5（a）、（c）、（e）中可以得到，K8煤層工作面推進(jìn)至40 m時(shí)，工作面直接頂發(fā)生周期性垮落形成冒落帶，同時(shí)直接頂與基本頂產(chǎn)生離層裂隙，裂隙帶高度在工作面開采后持續(xù)發(fā)育；K8煤層工作面推進(jìn)至80 m時(shí)，工作面覆巖裂隙沿工作面推進(jìn)方向持續(xù)發(fā)育，K9煤層工作面冒落帶逐漸壓實(shí)，裂隙發(fā)育橫向上以采空區(qū)中部為主，縱向上發(fā)育至K8煤層工作面基本頂上部區(qū)域；當(dāng)K8煤層工作面推進(jìn)至120 m時(shí)，工作面回采完畢，其覆巖裂隙主要發(fā)育在采空區(qū)側(cè)中部，工作面端覆巖裂隙相比開切眼端發(fā)育更為密集，在K8與K9兩層煤層工作面開采后，其裂隙帶最大高度發(fā)育至28.32 m。從圖5（b）、（d）、（f）中可以得到，工作面推進(jìn)至40 m時(shí)，K8煤層工作面覆巖最大垂直位移為2.46 m，在K9煤層工作面回采后，其覆巖位移進(jìn)一步增大，在K8煤層工作面直接頂上方出現(xiàn)離層；工作面進(jìn)一步推進(jìn)到80 m時(shí)，覆巖垂直位移也持續(xù)增大，最大垂直位移為2.60 m，采空區(qū)中部垂直位移最大；工作面推進(jìn)至120 m時(shí)，K8煤層工作面回采結(jié)束，覆巖垂直位移從中部到兩端垂直位移由高到低，其垂直位移范圍為0.38～2.70 m。

3.3 煤層間巖層不同強(qiáng)度覆巖移動(dòng)規(guī)律分析

結(jié)合以往研究，近距離煤層開采中的煤層層間巖體強(qiáng)度、煤層層間距、工作面采高以及工作面采深等都會(huì)對(duì)工作面上覆巖層移動(dòng)變形產(chǎn)生較大影響。煤層層間巖體強(qiáng)度與煤層層間距均表示層間巖層對(duì)上覆巖層的支撐能力，因此，可將二者視作同一類型影響近距離煤層開采上覆巖層穩(wěn)定性的因素，現(xiàn)僅研究近距離煤層之間巖層的巖體強(qiáng)度對(duì)工作面覆巖移動(dòng)變形的影響規(guī)律。圖6所示為煤層間巖層的巖體強(qiáng)度為2MPa時(shí)煤層開采覆巖裂隙及位移演化圖。

如圖6（a）、（c）所示，當(dāng)煤層層間巖體強(qiáng)度為2 MPa時(shí)，K9煤層工作面開采完畢后，其裂隙發(fā)育至K8煤層直接頂與基本頂之間，相比層間間距巖體強(qiáng)度較大的煤層而言，K8與K9煤層之間裂隙發(fā)育更多，更密集，其裂隙發(fā)育高度為30.29 m，相比層間巖體強(qiáng)度高的裂隙帶發(fā)育也更高。如圖6（b）、（d）所示，K9煤層工作面覆巖最大垂直位移出現(xiàn)在采空區(qū)側(cè)中部，在采空區(qū)底板兩端也出現(xiàn)垂直位移較大的情況，K8煤層工作面繼續(xù)推進(jìn)，最大垂直位移處于采空區(qū)側(cè)中部并繼續(xù)增加，K9煤層工作面采空區(qū)垂直位移保持一致。

模擬顯示，當(dāng)煤層層間巖體強(qiáng)度為4 MPa時(shí)，K8、K9兩煤層工作面回采完畢后，其覆巖裂隙發(fā)育更加稀疏，因?qū)娱g巖體對(duì)其上覆巖層有支撐作用，覆巖裂隙發(fā)育高度相比于層間巖體強(qiáng)度低的而言更低，裂隙發(fā)育高度為23.68 m。當(dāng)K9煤層工作面回采完畢后，對(duì)比層間巖體強(qiáng)度低的對(duì)照組來(lái)看，其采空區(qū)中部最大垂直位移更低。K8煤層工作面回采完畢后，其上覆巖層最大位移也比巖體強(qiáng)度低的更低，因?qū)娱g巖體強(qiáng)度較大，對(duì)上覆巖層有強(qiáng)支撐作用，所以在K8煤層工作面直接頂兩端出現(xiàn)離層。

通過對(duì)比層間巖體不同強(qiáng)度條件下的近距離煤層開采覆巖裂隙與位移演化特征，得到層間巖體強(qiáng)度較小的條件下，其上覆巖層裂隙發(fā)育更加密集，離層裂隙更多，煤層間距巖體對(duì)其上覆巖層不能提供有力支撐，導(dǎo)致上覆巖層垂直位移較大。層間巖體強(qiáng)度較大的條件下，其上覆巖層裂隙發(fā)育更稀疏，垂直位移更小。

3.4 工作面不同采深覆巖移動(dòng)規(guī)律分析

由于工作面采高包括上煤層工作面采高與下煤層工作面采高，結(jié)合第2章的分析結(jié)果，下煤層工作面開采以后，冒落帶最大高度達(dá)到了8.23 m，與K8、K9煤層間距相近，改變下煤層采高來(lái)研究工作面采高對(duì)上覆巖層移動(dòng)變形的影響規(guī)律，將不得不再次驗(yàn)證上行開采的可行性，另外，僅改變上煤層工作面采高來(lái)研究工作面采高對(duì)覆巖移動(dòng)變形的影響規(guī)律，并無(wú)太大的研究?jī)r(jià)值，綜合考慮以上原因，本次研究將不再分析工作面采高對(duì)覆巖移動(dòng)變形的影響規(guī)律。工作面采深作為煤礦中一個(gè)常變的量，同一層位煤層，傾向方向不同位置處的工作面由于采深不同，地應(yīng)力會(huì)隨著采深的增大而增大，其對(duì)上覆巖層的移動(dòng)變形會(huì)產(chǎn)生很大的影響，特別是近距離煤層上行開采，影響更大，因此，研究工作面不同采深對(duì)覆巖移動(dòng)變形的影響就顯得十分重要。

圖7所示為工作面采深為200 m時(shí)煤層開采覆巖裂隙及位移演化圖。

如圖7（a）、（c）所示，當(dāng)采深為200 m時(shí)，K9煤層工作面回采完畢后，其直接頂在工作面一側(cè)與基本頂離層，K8煤層工作面直接頂與基本頂也出現(xiàn)了離層現(xiàn)象，K9煤層工作面覆巖裂隙發(fā)育至K8煤層工作面直接頂上端。K8煤層工作面回采完畢后，其覆巖裂隙繼續(xù)發(fā)育，裂隙帶高度繼續(xù)增加。與采深300 m相比，采深越淺，其工作面開采覆巖裂隙發(fā)育更加密集，直接頂與基本頂離層裂隙高度增加。圖7（b）、（d）所示，煤層開采后覆巖最大位移始終處于采空區(qū)側(cè)中部，在K9煤層工作面直接頂?shù)牟煽諈^(qū)兩端出現(xiàn)垂直位移突變，形成“臺(tái)階”狀垂直位移云圖分布情況，當(dāng)K8煤層工作面回采完畢后，K8煤層工作面直接頂在采空區(qū)兩側(cè)區(qū)域出現(xiàn)離層，K9煤層工作面采空區(qū)垂直位移整體一致。

模擬顯示，當(dāng)工作面采深為400 m時(shí)，由K9煤層工作面回采產(chǎn)生的裂隙發(fā)育到K8煤層工作面直接頂上部分，與工作面采深200 m和300 m相比，K8煤層工作面上方出現(xiàn)離層裂隙較少。K8煤層工作面回采完畢后，K9煤層工作面采空區(qū)基本被壓實(shí)，K8煤層工作面覆巖裂隙持續(xù)向上發(fā)育。

針對(duì)不同采深條件下的近距離煤層工作面回采，因采深增加，其上覆巖層自重應(yīng)力增大，通過對(duì)煤層上覆巖層中距離工作面中部某一固定點(diǎn)處的垂直位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)隨著采深的逐漸增大，該定點(diǎn)的垂直位移也一定程度上增大。

4 結(jié)論

（1）通過計(jì)算得到K9煤層工作面開采覆巖冒落帶最大高度Hk范圍為3.83～8.23 m，裂隙帶最大高度Hi范圍為20.37～31.57 m。K9煤層工作面回采過程中，其覆巖冒落帶最大高度小于兩煤層層間距，但是裂隙帶最大高度將可能升至K8煤層工作面的上覆巖層，因此K9煤層的開采會(huì)對(duì)K8煤層產(chǎn)生較小影響，只需對(duì)K8煤層工作面底板采取加強(qiáng)措施即可正常回采。

（2）對(duì)比層間不同巖體強(qiáng)度下的近距離煤層開采，K8、K9兩層煤層工作面在回采完畢后，層間巖體強(qiáng)度為2 MPa的條件下裂隙帶發(fā)育高度為30.29 m，4 MPa時(shí)裂隙帶發(fā)育高度為23.68 m。層間巖體強(qiáng)度較小時(shí)，其上覆巖層裂隙發(fā)育更加密集，離層裂隙更多，煤層間距巖體對(duì)其上覆巖層不能提供有力支撐，導(dǎo)致層間巖體強(qiáng)度較小的煤層上覆巖層垂直位移較大；層間巖體強(qiáng)度較大時(shí)，其上覆巖層裂隙發(fā)育更稀疏，垂直位移越小。

（3）對(duì)比不同工作面采深下的近距離煤層開采，采深越小，其煤層開采覆巖裂隙發(fā)育越密集，直接頂與基本頂離層裂隙高度越大；采深越大，裂隙發(fā)育越稀疏，采空區(qū)側(cè)冒落矸石被壓實(shí)。煤層上覆巖層中距離工作面中部某一固定點(diǎn)處，隨著采深的增大，該定點(diǎn)的垂直位移也會(huì)越大。