云駕嶺煤礦采動覆巖裂隙場分布特征模擬研究

孫福龍，李奇賢，李克相，馬新根，孫 京，栗 磊，王冰山，郭建忠

（1.華能煤炭技術研究有限公司，北京 100070；2.煤炭科學技術研究院有限公司，北京 100013；3.華能云南滇東能源有限責任公司礦業分公司白龍山煤礦，云南 曲靖 655508）

0 引言

能源是世界經濟發展和人類賴以生存的基礎，當前煤炭仍是全球燃料供應的主要組成部分，占全球所有能源消耗的27%[1]。然而煤炭開采勢必會導致覆巖移動和破壞，采動誘導的裂隙帶相互導通，出現瓦斯運移通道，卸壓瓦斯則會沿著瓦斯運移通道的升浮、擴散并儲集于裂隙帶頂部。高瓦斯礦井數量占我國重點煤礦數量的70%以上，高瓦斯礦井采場瓦斯涌出量大，并在工作面、采空區、頂板裂隙帶中呈分區富集規律，導致工作面瓦斯異常涌出風險居高不下，易引發瓦斯動力災害[2]。為了避免此類災害的出現，就必須有效掌握采動過程中采場覆巖移動垮落演化規律，明確煤巖層裂隙分布特征。

在煤層開采過程中，采場上覆巖層會在采動作用下發育大量裂隙，目前大量學者針對采動覆巖裂隙場方面已經做了大量試驗研究和工程實踐工作，并取得了一定的研究成果。劉天泉[3]針對采動裂隙帶確立了“橫三區”和“豎三帶”；錢鳴高等[4-5]基于關鍵層理論分析了上覆巖層采動裂隙分布特征，揭示了長壁工作面覆巖采動裂隙的兩階段發展規律，提出了采動裂隙“O”形圈；李樹剛等[6-8]認為采動覆巖裂隙場在空間上呈橢圓帶分布特征；劉澤功等[9]基于上覆巖層冒落特征和裂隙發育機理，發現上風巷上部靠采空區一端會形成“環形裂隙圈”；楊科等[10-11]將采動裂隙分布特征劃分為“∩”形高帽狀、前低后高駝峰狀、前后基本持平駝峰狀、前高后低的駝峰狀；尹光志等[12-13]認為采動覆巖裂隙在空間呈“類梯形臺”分布，且低位巖層呈“圓角矩形”，中高位呈“O”形；王志國等[14]基于相似材料實驗結果分析了覆巖采動巖體裂隙分布特征，描述了采動巖體裂隙網絡的分布特征；王家臣等[15]和楊勝利等[16]探究了長壁矸石充填開采上覆巖層移動特征；林海飛等[17-18]探究了煤層群重復采動后覆巖裂隙分布特征，明確了卸壓瓦斯儲運區演化規律；李奇賢[19]利用相似材料物理實驗和數值模擬手段對采場覆巖裂隙分布形態展開了研究；焦彥錦等[20]開展了采空區覆巖“豎三帶”孔隙率三維分布研究，建立了采空區孔隙率三維分布模型；吳群英等[21]基于自建的采動覆巖離層率空間分布的計算方法分析了重復采動覆巖離層率空間分布特征。

基于此，為了更為清晰和直觀地研究邯鄲礦務局云駕嶺煤礦12305 工作面采動后的覆巖裂隙場發育演化規律，通過在實驗室進行相似模擬實驗和UDEC 數值模擬手段還原井下煤體推進全過程，利用三維靜態變形測量系統對采場覆巖移動特征進行監測和數字攝影技術近距離對覆巖垮落特征進行記錄，以認識采場覆巖移動規律和采動覆巖裂隙場空間分布情況。

1 工程概況

云駕嶺煤礦隸屬冀中能源邯礦集團，位于河北省武安市西北約5.0 km 處，12305 工作面走向長度845 m，傾向長度125 m，主采2 號煤層，煤層傾角22°～32°，無陷落柱等復雜構造，煤層平均厚度約為3.7 m，上覆巖層的厚度為550 mm，研究區域地層結構如圖1 所示。工作面主要存在著瓦斯涌出量大，頂板裂隙帶中呈分區富集規律的問題。采煤方法為走向長壁后退式回采，綜采一次采全高。12305 工作面位于井田二采區、四采區東部，北部以云駕嶺礦與郭二莊礦隔離煤柱線為界；南部以主暗斜井、副暗斜井保護煤柱為界；西部以-180 m 標高水平切割煤層為界；東部以-550 m 標高水平煤層為界。

圖1 云駕嶺煤礦12305 工作面地層柱狀圖Fig.1 Stratigraphic histogram of 12305 working face in Yunjialing Coal Mine

2 采動覆巖裂隙場相似模擬實驗研究

2.1 實驗條件與方案

2.1.1 實驗條件

1）實驗設備：實驗平臺選用長×寬×高：2 500 mm×180 mm×1 400 mm 的CM250/18 平面應變實驗臺，如圖2（a）所示，其巖層鋪設的最大高度為1 085 mm；選用三維靜態變形測量設備對采場覆巖下沉分布規律進行監測，如圖2（b）所示。三維靜態變形測量設備工作原理是依據高分辨率專業相機對開挖前后的采場覆巖進行拍攝，通過多角度拍攝的相片利用三維靜態變形測量設備自帶的計算方法進行三維坐標轉換，以獲取不同開挖階段的采場覆巖區域內監測點的坐標數據，同時利用攝影測量工程得到各個開挖階段的位移矢量圖。該設備優點為：可獲得三維坐標、位移變形數據；測量結果三維顯示；快速、簡單、高精度，操作簡單、攜帶方便；在各個方向上的變形分量可計算及顯示。

圖2 實驗設備Fig.2 Experimental equipment

2）模型相似條件：依據12305 工作面工程條件和實驗室CM250/18 平面應力實驗臺規格的限制，本次物理模擬實驗采用平面應力模型，結合實驗模型幾何相似比CL為100，巖層容重相似比Cρ為1.47，進而得到應力比（Cσ=CL×Cρ）為147。

3）相似材料的選擇與配比：相似材料主要有河沙、石膏、大白粉、粉煤灰，以云母片相鄰層之間的巖層弱化分層材料。根據相似條件，確定的相似材料配比方案見表1。

表1 模擬實驗相似材料配比方案Table 1 Ratio scheme of similar material in the simulation experiment

4）工作面推進設計：在煤層兩端各預留設50 m的邊界煤柱，推進距離設置為5 m，待上覆巖層穩定后，利用三維靜態變形測量系統進行全程監測，并記錄覆巖垮落高度、裂隙場分布特征等參數。

2.1.2 監測方案

實驗模型共布置了10 條監測線，X軸方向每條監測線上布置了24 個采集點，間隔距離為100 mm；Y軸方向每條監測線上布置了24 個采集點，1 號監測線～8 號監測線上采集點的間隔距離為100 mm，而9 號監測線～10 號監測線上采集點的間隔距離為25 mm，如圖3 所示。

圖3 監測線布置方案Fig.3 Layout scheme of monitoring line

2.2 實驗結果與分析

2.2.1 采動覆巖裂隙場分布特征

圖4 為直接頂跨落后覆巖裂隙場空間分布特征。由圖4 可知，推進距離達到35 m 后，在采動作用下，直接頂出現初次垮落，覆巖層出現少量明顯的橫向離層裂隙，離層和垮落高度依次為6.2 m 和1.8 m；推進距離達到40 m 后，第一次垮落的煤巖體不能完全充填采空區，直接頂在自身重力的作用下再次破斷，離層裂隙橫向發育，離層高度仍為6.2 m，垮落高度為3.0 m，該階段內采動覆巖裂隙場處于產生階段。

圖4 直接頂跨落后覆巖裂隙場分布特征Fig.4 Distribution characteristics of overburden fracture field behind direct roof collapse

圖5 為基本頂垮落后覆巖裂隙場分布特征。由圖5 可知，推進距離達到60 m 后，基本頂離層加劇，出現第一次垮落，垮落高度為10.8 m，工作面側與開切眼側破斷角為57°和54°，采動覆巖裂隙場內破斷裂隙與離層裂隙分布范圍明顯增大，裂隙場呈現梯形分布形態；推進距離達到75 m 后，第一次周期來壓出現，來壓步距15 m，垮落高度達27.7 m，工作面側與開切眼側的破斷角分別為54°和54°，采動覆巖裂隙場呈躍進態勢向上發展，采動覆巖裂隙場處于擴展階段，且呈等腰梯形分布形態；推進距離達到85 m 后，第二次周期來壓出現，來壓步距10 m，垮落高度達36.4 m，工作面側與開切眼側的破斷角分別為56°和56°，采動覆巖裂隙場中下部裂隙開始被壓實，而兩側和上部裂隙仍然較為發育，總體上繼續沿著推進方向向上和向前擴展；推進距離達到150 m 時，第七次周期來壓出現，來壓步距為14 m，該階段內采動覆巖裂隙場處于壓實階段，兩端裂隙呈交錯折疊狀發育，下部和上部裂隙處于被壓實趨于閉合，綜上可知，隨著開挖工作的推進，采動覆巖裂隙場不斷逐步向較高層位和推進方向發育，而當工作面推進到一定距離后，采動覆巖裂隙場中下部裂隙被不斷壓實，而兩端裂隙仍較為發育，整體上裂隙密度逐步減小，整體來看采動覆巖裂隙場呈梯形分布特征，采動覆巖裂隙場主要經歷產生、擴展和壓實三個階段。

圖5 基本頂垮落后覆巖裂隙場分布特征Fig.5 Distribution characteristics of overburden fracture field behind main roof collapse

2.2.2 采動覆巖下沉參數演化

圖6 為不同推進距離頂板巖層下沉曲線。由圖6 可知，推進距離達到60 m 后，8 號監測線所在覆巖區域率先出現了負向位移，即下沉方向的位移，最大位移量位于采空區覆巖走向中部位置，達到29.2 mm，而1 號監測線～7 號監測線下沉量較小，該區域覆巖只是產生了離層裂隙；推進距離達到75 m 后，7 號監測線所在覆巖區域出現了較大負向位移，意味著該區域覆巖出現了垮落，7 號監測線和8號監測線的最大位移量依次為26.6 mm 和31.3 mm，均出現在空區覆巖走向中部位置；推進距離達到85 m 后，6 號監測線所在覆巖區域出現了較大負向位移，達到25.5 mm；推進距離達到150 m 后，1 號監測線～5 號監測線所在覆巖水平也都出現了較大下沉，覆巖出現整體垮落。綜上可知，隨著推進距離的增加，采空區覆巖各區域下沉量隨著巖層垮落逐步向上位巖層擴張。推進初期，覆巖受采動作用影響較小，垮落范圍較小，到了推進后期，因關鍵層的垮落，出現了整體垮落。

圖6 不同推進距離頂板巖層下沉曲線Fig.6 Subsidence curve of roof strata with different advancing distances

為了定量表征采動覆巖裂隙場的空間發育程度，以離層率指標來描述裂隙分布特征，離層率可以通過相鄰層位間的覆巖沉降差值與層間距比值求得，離層率值越大，則代表該區域內采動覆巖裂隙場發育程度越大[2,22]，計算見式（1）。

式中：k為離層率；w1為覆巖底部下沉量；w2為覆巖頂部下沉量；Σh為覆巖的巖層總厚度。

圖7 為不同推進距離下的頂板巖層離層率曲線。由圖7 可知，推進距離為60 m 后，2 號煤層上方10～20 m 覆巖區域內離層率曲線呈現“單峰”狀分布，這表明隨著工作面推進的影響，采空區正上方的10～20 m 覆巖區域內率先出現裂隙；推進距離為75 m 后，2 號煤層上方10～20 m 覆巖區域內離層率出現一大一小的“雙峰”狀分布，大波峰位于開切眼一側，且波谷位于采空區中部，2 號煤層上方20～30 m 覆巖區域內離層率呈現“單峰”狀分布；推進距離為85 m 后，在2 號煤層上方10～20 m 和20～30 m覆巖區域內離層率曲線均呈現出一大一小“雙峰”狀分布，而位于2 號煤層上方30～40 m 覆巖區域內離層率曲線呈現“單峰”狀分布，推進距離為75 m 和85 m 的離層率曲線特征表明隨著工作面的持續推進，在采動覆巖裂隙場不斷向上部巖層和推進方向巖層發育的同時，采動覆巖裂隙場中下部裂隙逐漸被壓實，而開切眼及工作面兩端區域的離層裂隙在煤壁支撐作用下仍持續發育，開切眼受到重復采動作用更劇烈，裂隙發育程度相對較高；推進距離達到150 m 后，采空區上方覆巖各個區域內離層率曲線整體上呈“雙峰”形分布，覆巖中部區域的裂隙較少，幾乎被壓實，開切眼和煤壁兩端區域裂隙較多，同時覆巖各個區域的裂隙場發育寬度自下而上依次減小，表明采動覆巖裂隙場整體上成梯形空間分布形態。

圖7 不同推進距離下的頂板巖層離層率曲線Fig.7 Fracture rate curve of roof strata with different advancing distances

2.2.3 采動覆巖位移場分布特征

圖8 為老頂垮落后覆巖位移場分布特征。由圖8 可知，推進距離達到60 m 后，8 號監測線～10 號監測線的位移矢量箭頭出現明顯的擾動現象，采動覆巖位移場影響區域中部的位移矢量箭頭偏轉方向為垂直向下，兩端的位移矢量箭頭偏轉方向為向兩側偏轉，采動覆巖位移場影響區域呈現矩形分部特征；推進距離達到75 m 后，7 號監測線上的位移矢量箭頭出現較大運移，存在明顯位移擾動現象，采動覆巖位移場影響區域呈現梯形分布特征，即推進區域中部的位移矢量箭頭的偏轉方向垂直向下，兩端的位移矢量箭頭的偏轉方向為向兩側偏轉，且位移擾動區域范圍自下而上減小；推進距離達到85 m 后，6號監測線上的位移矢量箭頭出現較大運移，采動覆巖位移場影響區域仍然呈現梯形分布特征，在非明顯位移擾動區域的左側，即工作面側的部分位移矢量箭頭開始出現順時針方向偏轉，說明該處的巖層已經開始出現變形移動；推進距離達到150 m 后，所有監測線上的位移矢量箭頭均存在明顯位移擾動區域，推進區域中部的位移矢量箭頭的偏轉方向垂直向下，兩側的位移矢量箭頭的偏轉方向為向兩側偏轉，而在非明顯位移擾動區域的位移矢量箭頭整體上均受到擾動。

圖8 老頂垮落后覆巖位移場分布特征Fig.8 Distribution characteristics of displacement field of overlying rock behind main roof collapse

綜上可知，采動覆巖位移場影響區域分布整體上呈現隨著工作面推進不斷逐步向較高層位和推進方向的發育。在老頂初次垮落時候，采動覆巖位移場影響區域呈現矩形分布，但隨著工作面推進持續進行，乃至上覆巖層整體垮落后，采動覆巖位移場影響區域呈現梯形分布。

3 采動覆巖裂隙場模擬研究

3.1 幾何模型與物理參數

在采動覆巖裂隙場相似模擬實驗的基礎上，選擇UDEC 離散元數值模擬軟件來探究云駕嶺12305工作面不同開挖階段的覆巖裂隙發育規律。覆巖巖石力學行為采用彈塑性力學模型，服從Mohr-Coulomb 變形準則。待開挖煤層上覆巖層厚度為550 m，覆巖主要為粉砂巖、中粒砂巖、細粒砂巖、泥巖和砂泥巖互層等，覆巖巖性力學參數見表2。建立模型尺寸的長×高為250 m×108.5 m，上覆各個巖層的具體幾何尺寸見表1，整體模型如圖9 所示。模型水平方向兩端設置法向位移約束，底部邊界設置法向位移約束，頂部邊界則設置載荷邊界條件，其荷載依據原始地應力大小施加，即施加均布荷載13.75 MPa。

表2 模型力學參數Table 2 Model mechanical parameters

圖9 數值模擬模型Fig.9 Numerical simulation model

3.2 模擬結果與分析

圖10 為采動裂隙分布特征圖。由圖10 可知，推進距離達到30 m 后，采場覆巖出現明顯的順層離層裂隙，離層高度達到8.6 m；推進距離達到60 m 后，垮落高度最大達到9.0 m，采場覆巖發生垮落，將采空區中部裂隙壓實，采動裂隙場呈梯形分布，裂隙發育區位于采空區頂部、煤壁后方與開切眼附近，且有向上發育的趨勢，離層高度達到35.1 m；推進距離達到80 m 后，采場覆巖最大垮落高度達11.4 m，采空區中部裂隙壓實區范圍隨著工作面推進不斷擴大，煤壁后方及開切眼區域裂隙發育區范圍基本不變，但采場上部離層裂隙向上發育的趨勢明顯增加，離層高度達59.8 m；推進距離達到150 m 后，采動裂隙場發育呈現周期前移的特征，這是由于工作面推進工作的影響，覆巖垮落形成周期來壓現象，使工作面端的裂隙隨著周期來壓作用的影響前移，在覆巖縱向方向上，覆巖移動已經趨于穩定，導致采空區在縱向方向上的裂隙趨于穩定。

圖10 采動裂隙分布特征圖Fig.10 Distribution characteristics of mining-induced fractures

綜上可知，采空區中部與煤壁后方和開切眼附近區域采動裂隙演化規律截然不同，采空區中部區域，采動裂隙隨著上覆巖層破斷垮落迅速增加，但隨著工作面的持續推進，垮落巖層被上覆巖層壓實，采動裂隙逐漸減小。煤壁后方和開切眼附近區域，邊界煤柱和垮落巖層形成三角形的采動裂隙區域，且未出現壓實的現象。

4 結論

1）隨著開挖工作的不斷推進，采動覆巖裂隙場呈梯形分布特征，不斷逐步向較高層位和推進方向發育，其中下部裂隙被壓實，兩端裂隙較為發育，整體上裂隙密度逐步減小。采動覆巖裂隙場內裂隙經歷產生、擴展和壓實三個階段，離層率先后經歷“單峰”和“雙峰”兩個分布形態。

2）采空區中部與煤壁后方和開切眼附近區域采動裂隙演化規律截然不同，采空區中部區域，采動裂隙隨著上覆巖層破斷垮落而增加，但隨著工作面的持續推進，垮落巖層被上覆巖層壓實，采動裂隙逐漸減小，煤壁后方和開切眼附近區域，邊界煤柱和垮落巖層形成三角形的采動裂隙區域。

3）采動覆巖位移場影響區隨著工作面推進向高層位和推進方向發育，開采初期呈現矩形分布，而后隨工作面的推進，采動覆巖位移場影響區則呈現梯形分布，中部的位移矢量箭頭垂直于底板，開切眼和工作面端位移矢量分別呈逆時針和順時針偏轉。