復合煤層多組工作面開采條件下覆巖破壞規律研究

汪傳吉

（陜西陜煤曹家灘礦業有限公司）

相較于單一煤層開采，復合煤層開采過程中的重復擾動作用將會導致覆巖結構發生劇烈運動。其礦壓顯現規律與覆巖“三帶”發育規律均存在顯著差異［1-3］。下行開采過程中，將會二次激化上組煤采空區的應力平衡狀態，裂隙帶將會進一步擴展［4］。

為探明覆巖運移與破斷規律，許家林等［5］通過相似模擬試驗，理論分析了復合煤層下行開采時關鍵層破斷與來壓規律，表明切眼距保護煤柱的距離對礦壓顯現具有重要影響。孫力等［6］對煤層群下行開采進行研究，表明覆巖最大下沉點在采空區后方。高彬等［7］運用數值模擬方法分析了上工作面過下工作面切眼時的應力分布規律，表明液壓支架阻力未異常增大的原因是組間頂板存在短暫愈合期。為此，以陜西某礦復合煤層開采為例，對雙組工作面開采情況下覆巖破壞與裂隙場發育規律進行研究。

1 數值模擬方案

由于礦井地表以黃土塬地形居多，部分工作面存在過溝開采情況，復合煤層開采導水裂隙帶存在波及溝谷區域地表的可能，模型建立中考慮了地表溝谷發育形態，雙組工作面模擬中1個工作面地表對應凹陷型溝谷，地面坡度大、黃土厚度小，另一個工作面地表對應凸出型溝谷，黃土覆蓋厚度大、地表坡度較小。

模型設計如圖1 所示，模型的外形尺寸為800 m×550 m×600 m（長×寬×高），據此分析雙組工作面（12 煤12101-1 工作面、12101-2 工作面，22 煤22101-1工作面、22101-2工作面）煤層群復合開采過程中的覆巖變化特征及其兩帶發育規律。其中12101-1 與12101-2 工作面走向長600 m，斜長160 m，采厚3 m；22101-1 與22101-2 工作面走向長600 m，斜長160 m，采厚12 m。

3DEC 數值模擬建模時，開挖過程中以6 m/次的進尺進行煤層回采，盡可能保證接近實際開采情況，模型的開挖順序與實際回采順序相同，順序為①12101-1 工作面、②12101-2 工作面、③22101-1 工作面、④22101-2 工作面。模型累計模擬巖層15 層，模型上表面的邊界模擬地表，僅設置重力條件。模型其余邊界設置允許的變形0.2 m。模型的地下模擬以陜西某礦12 煤及22 煤復合煤層開采為基礎條件，煤巖綜合柱狀分布統計如表1所示。

2 雙組工作面復合煤層開采模擬

根據三維模型以及工作面開采中部位置剖面（X方向的150 m處、Y方向的采空區中部位置）內部模型為例，做出切片處的工作面采后覆巖運移場、裂隙場分布特征，以此分析12 煤12101-1、12101-2 工作面與22 煤22101-1、22101-2 工作面回采過程中的覆巖運移場、裂隙場演化規律，如圖2、圖3所示。

12101-1工作面回采60 m后，工作面頂板產生彎曲變形，發生明顯的垮落現象，裂隙帶發育的最大高度為13.03m；工作面開采120 m 后，采空區頂板中部區域產生明顯破壞，上部覆巖形成彎曲變形明顯，裂隙帶發育的最大高度為35.09 m；在工作面回采300m后，覆巖破壞范圍增大，導水裂隙帶繼續向上發育，裂隙帶呈現出類馬鞍狀的裂隙帶形態，隙帶發育的最大高度為88.92 m，垮落高度達到11.75 m；工作面推采至400 m 后，導水裂隙帶發育高度基本保持穩定，最大高度為83.77～89.29 m，垮落帶高度17.42～18.68 m。

12101-2工作面回采60 m后，裂隙帶發育的最大高度為13.43 m；工作面開采120 m 后，上部覆巖形成彎曲變形明顯，裂隙帶發育的最大高度為36.18 m。工作面開采至180 m 的裂隙帶發育高度為68.35 m，垮落高度達到8.85 m；在12101-2 工作面回采300 m后，裂隙帶發育的最大高度為87.72 m，垮落高度達到14.08 m；工作面推采至400 m 后，導水裂隙帶發育高度基本保持穩定，裂隙帶發育的最大高度為88.59～92.04 m，垮落帶高度19.14～20.21 m。

22101-1工作面回采60 m后，從三維模型內部可以看出，裂隙帶發育的最大高度為38.17 m；工作面開采120 m 后，裂隙帶發育的最大高度為140.77 m。工作面開采至180 m 的裂隙帶發育高度為198.24 m，垮落高度達到55.26 m；在工作面回采300 m 后，覆巖破壞范圍增大，導水裂隙帶繼續向上發育，裂隙帶呈現出類馬鞍狀的裂隙帶形態，裂隙帶發育的最大高度為271.15 m，垮落高度達到61.89 m；工作面推采至400 m 后，導水裂隙帶發育高度隨推進增大幅度很小，發育的最大高度為340.67～358.32 m，垮落帶高度63.05～63.52 m。

22101-2工作面回采60 m后，裂隙帶發育的最大高度為36.82 m；工作面開采120 m 后，采空區頂板中部區域產生明顯破壞，上部覆巖形成彎曲變形明顯，且采空區中部的覆巖運移變化明顯大于兩端的特征，裂隙帶發育的最大高度為131.15 m。在工作面回采300 m 后，覆巖破壞范圍增大，導水裂隙帶繼續向上發育，裂隙帶呈現出類馬鞍狀的裂隙帶形態，裂隙帶發育的最大高度為261.58 m，垮落高度達到59.83 m；工作面推采至400 m后，導水裂隙帶發育最大高度為341.24～347.76 m，垮落帶高度60.77～61.35 m，裂隙帶高度約為上組煤層開采時的3.5倍。

3 覆巖導水裂隙帶發育規律分析

繪制垮落帶、裂隙帶隨工作面推進的變化曲線，如圖4 所示。對12 煤開挖過程中的裂隙帶及垮落帶發育規律進行分析。垮落帶隨著工作面推進逐漸增大，在推采至300 m 以后其發育高度趨于穩定，回采完成后垮落帶高度為38～41 m，工作面推采的前300 m 導水裂隙帶發育高度逐漸增大，在300 m 以后導水裂隙帶充分發育，基本不再隨著推采逐漸增大，回采結束后導水裂隙帶發育高度為183～189 m。

但由于上組煤開采已經形成了垮落帶，所以22煤采動垮落帶增長速率較快，在推采至240 m 以后其發育高度趨于穩定，回采完成后垮落帶高度為61～64 m，工作面推采的前400 m 導水裂隙帶發育高度逐漸增大，在400 m 以后導水裂隙帶充分發育，基本不再隨著推采逐漸增大，回采結束后導水裂隙帶發育高度為268～293 m。

根據上文分析可知，下組煤開采時垮落帶相較于裂隙帶會更快地達到穩定狀態，原因是下組煤的直接頂板受到重復采動的影響，巖層離散型和破碎程度較高，因此，在回采垮落時，巖層間的破斷與摩擦擠壓作用時間較短。相應地，下組煤開采以后形成的復合煤層采空區將會引起深部覆巖破斷，破壞范圍急劇擴展，所以相較于上組煤開采時裂隙帶會更慢達到穩定狀態。

4 地表下沉特征分析

模型回采結束后，主要分析上下組煤采后對于地表變形的影響程度及不同地形的地表變形量情況，明確地表水害防治的重點監測地形區域，為礦井埋深較淺區域地表水害防治提供參考依據。

如圖5 所示，在12101-1 工作面開采結束時，地表明顯下沉區域呈明顯的“條帶狀”分布特征，地表最大下沉量達到2.59 m，凹陷型溝谷內亦存在明顯的變形特征，發生明顯變形的塊體增多，局部變形量達到2.4 m。12101-2 工作面回采后，12101-1 采空區地表受相鄰工作面的采動影響，變形量增加至約2.50 m。兩工作面地表下沉區域呈明顯的“條帶狀”分布特征，其地表最大下沉量達到2.50 m，凹陷型溝谷內亦存在明顯的變形特征，發生明顯變形的塊體增多，局部變形量達到2.69 m。

如圖6 所示，在22101-2 工作面開采結束時，兩工作面地表下沉區域均呈明顯“條帶狀”分布特征，22101-1 工作面原地表最大下沉量達到9.61 m，受22101-2工作面采動影響，增大至10 m左右；22101-2工作面開采結束的地表最大下沉量達到11.26 m，凸出型溝谷內亦存在明顯的變形特征，發生明顯變形的塊體增多，其變形量普遍達到5.0 m；地表黃土層的垂直應力普遍較小，此時黃土層下部區域的最大應力為12.19 MPa。

綜上所述，12 煤層厚度較小，以綜采為主，覆巖破壞程度有限，煤層開采可能造成地表裂隙發育，但并不是導水裂隙帶直接波及地表，12 煤開采時防治水重點區域在于溝谷中心及其凹陷型溝谷處；22 煤厚度大，在復合煤層開采區域其累計采厚較大，對地表變形影響嚴重，對比導水裂隙帶發育高度，地表溝谷區域可能直接受導水裂隙帶波及，復合煤層開采的地表水重點防治區域在于溝谷中心及凸出型溝谷一側。

5 結語

（1）以陜西某礦12 煤及22 煤復合煤層開采為基礎條件，運用3DEC 軟件建立雙組工作面復合煤層模型，復現了垂直方向全尺度的地質模型，包括底邊的溝谷型黃土層。

（2）對雙工作面開采條件下的覆巖運移場、裂隙場演化規律進行計算分析，開采120 m 后，采空區頂板中部區域產生明顯破壞，工作面回采300 m 后，裂隙帶呈現出類馬鞍狀的裂隙帶形態，400 m 后導水裂隙帶發育高度基本保持穩定。

（3）下組煤開采時巖層離散性更高，巖石間的擠壓摩擦作用力更小，垮落帶會更快達到穩定狀態，裂隙帶高度是上組煤層開采時的3.5 倍，相較于上組煤開采時裂隙帶會更慢達到穩定狀態，導致溝谷型地表下沉區域均呈明顯“條帶狀”分布特征，易使溝谷中心及凸出型溝谷一側承受水害影響。