淺埋煤層采動誘發覆巖應力響應及地裂縫動態發育特征

＊裴為豪 劉英

（安徽理工大學 地球與環境學院 安徽 232001）

淺埋煤層廣泛分布于我國西部礦區，具有埋深淺、基巖薄、覆沙土層較厚等賦存特征[1]。淺埋煤層綜放開采過程中，原始上覆巖層應力的平衡狀態被破壞，巖層發生彎曲、斷裂、垮落，形成垮落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶，在采空區上方地面形成沉陷區及地裂縫[2]，誘發一系列的地質環境問題，嚴重制約著西部礦區煤炭資源的安全高效開采與生態安全[3]。本文以甜水堡煤礦1302 工作面為例，基于UDEC 軟件模擬研究淺埋煤層采動誘發覆巖應力響應及地裂縫動態發育特征，為該礦區淺埋煤層開采條件下沉陷控制與修復提供新的科學依據。

1.研究區概況

甜水堡煤礦位于甘肅環縣西北部，地表被第四系黃土覆蓋。根據煤層的賦存條件和開采技術條件，該工作面采用走向長壁垮落式采煤方法，綜采工作面長度約為400 m，日循環推進距離8～10 m，煤層厚度0.33～5.92 m，綜采工作面平均采高3.50 m。工作面老頂為泥巖，厚度為22 m，直接頂為粉砂巖，厚度為14 m，直接底為細粒砂巖，厚度為34 m，老底為中粒砂巖，厚度為16.5 m。

2.研究方法

（1）數值模型的建立。UDEC 可通過離散塊體的旋轉變形和節理面的壓縮、分離和滑動最大程度地再現非線性變形和節理面破壞引起的巖體破壞和變形。依據甜水堡1302 工作面開采、地質、水文地質及鉆孔資料，選取各巖層的巖體力學參數（表1）建立UDEC 數值模擬模型，計算模型尺寸長度×高度為400 m×125 m，模型劃分為4530 個單元，模型自上而下依次為粉土、粉質黏土、黏土、泥巖、粉砂巖、煤、細粒砂巖、中粒砂巖（圖1）。

表1 煤巖層力學參數

圖1 數值模擬模型圖

依據工作面鉆孔柱狀圖（圖2），模型中煤層頂底板分別位于54 m 和50.5 m 高度處，邊界兩側均為實體煤和巖體，底部、左右施加邊界位移約束，上邊界為無約束自由界面，工作面開切眼至邊界及停采線至邊界分別設置50 m 保護煤柱。模擬計算采用摩爾-庫倫屈服準則，節理面采用帶有殘余強度的庫侖滑移模型[4]。模型塊體微觀力學參數通過室內單軸壓縮及巴西劈裂數值計算模型校核得到。

圖2 鉆孔柱狀圖

（2）模擬方案。開挖速度設置為10 m/次，工作面推進每10 m、50 m、100 m、150 m、200 m、250 m、300 m 分別分析地裂縫的發育、上覆巖層應力云圖演變及上覆巖層下沉量情況。在UDEC 模型高70 m 處設置一條測線，端點坐標為（0，70）、（400，70），測線上每間隔2 m 設置1 個測點。

3.結果與分析

（1）覆巖變形與地裂縫動態發育特征。根據模擬結果可知，當工作面推進10 m 時，直接頂開始垮落并堆積于采空區內，但是幾乎沒有裂縫產生（圖3a）。工作面推進50 m 時，頂板周期性破壞，直接頂持續垮落，覆巖破壞向上發展，基本頂開始彎曲下沉，裂縫開始發育，直接頂與基本頂都出現了離層裂縫（圖3b），裂縫發育相對較少；工作面推進100 m 時，采空區增大，上覆巖層破壞嚴重，高位離層裂隙消失，覆巖破壞貫通至地表（圖3c），導致地表出現了裂縫，從采空區兩邊的裂縫一直延伸至地表，裂縫開始明顯增多且分布密集。工作面推進300 m 時，采空區中部完全被壓實，臨時性裂縫逐漸閉合，部分永久性裂縫只在兩端發育，且覆巖永久裂縫主要以豎向裂隙為主，部分裂隙直達地表形成地表裂縫（圖3d）。

圖3 工作面推進過程覆巖變形與地裂縫動態發育特征

（2）覆巖層移動規律變化特征。當工作面推進10 m 時，直接頂垮落產生小幅度下降位移，下降位移約1 m，此時覆巖較穩定且以彈性變形為主，巖層內部不會產生裂隙與損傷（圖4a）。工作面推進50 m 時，直接頂完全垮落，直接頂下沉量為3.4 m，基本頂由于彎曲下沉也產生了大約0.6 m 的位移，此時巖層運動破裂滑移線是先向采空區內收斂至最上面主鍵層，其上覆軟巖層（沖積層）運動破斷滑移向采空區擴散一直到地表，地表下沉約0.4 m（圖4b），覆巖變形處于裂縫擴展階段，內部裂紋萌生與擴展，但沒有形成宏觀破壞面。工作面推進100 m 時，覆巖擾動區覆蓋了三帶，呈現出以采空區中部為對稱軸，下沉區域左右對稱（圖4c）。隨著工作面繼續推進，開采達到充分采動，覆巖破壞橫向擴展發生宏觀破壞，承載力下降。工作面推進150 m、200 m、300 m 時，采空區被壓實，下沉區域持續擴大，沉降量出現以采空區中部為對稱軸，越靠近對稱軸沉降量越大，地表最大下沉量為3.33 m，遠離對稱軸沉降量逐漸減少的趨勢（圖4d）。

圖4 工作面推進過程上覆巖層位移變化特征

模型70 m 處各測點的下沉量見圖5。地表土體開始沉陷變形，拐點均分布在采空區上方臨近于開切眼的上方位置，工作面推進到100 m 時，直接頂完全垮落且擴散至地表，下沉量約為3.3 m，最大下沉位移區分布在采空區中部。此后隨著工作面持續推進，采空區逐漸被完全壓實穩定，最大下沉量不會有明顯變化，趨于穩定，下沉區會向采空區兩側逐步擴展。

圖5 工作面不同推進距離下沉量變化曲線

（3）上覆巖層應力變化。工作面推進10 m 時，采空區兩端出現應力集中現象，采空區上層直接頂應力較小。工作面推進50 m 時，應力開始出現重新分布，采前上覆巖層應力平衡狀態被打破，采空區兩側煤壁處產生應力集中區，應力變化量最大約1000 kPa。當工作面推進至100 m 時，采空區上方水平層狀應力集中區逐漸由下向上破壞，垮落堆積于采空區內的巖塊相互擠壓產生豎向應力集中區，符合應力拱假說。工作面推進300 m 時，采空區上覆巖層應力擾動規律類似，工作面兩側煤壁應力集中，應力變化量最大可達3500 kPa，采空區上覆巖層逐漸趨于穩沉狀態，前期發育的臨時性裂縫逐漸閉合，表現出自修復的特征，永久裂縫主要分布于采空區左右兩端（圖6）。

圖6 工作面不同推進距離上覆巖層應力變化

（4）模型驗證。為了驗證動態發育規律，自2021年10 月25 日至2022 年7 月5 日進行了1302 工作面上覆巖層移動與地裂縫周期觀測。結果顯示1302 工作面地裂縫最大寬度超30 cm，地裂縫兩側高差最大0.5 m。當工作面推過裂縫后，該區破斷后巖層運動重新趨于平穩，部分裂縫逐步閉合，監測得到的裂縫動態發育結果與模型模擬結果基本一致，模擬結果符合實際所建UDEC 模型可行（圖7）。

圖7 工作面推進過程覆巖下沉變形特征

4.結語

隨著工作面的推進，采空區面積增加，覆巖在重力作用下發生彎曲變形，上覆巖層的下沉位移區域隨工作面推進距離增大而增大，位移呈現出采空區兩側下降距離最少，越靠近采空區中部對稱軸中心下降距離越深的趨勢。隨著工作面推進，不同巖層在自重下應力數值分層明顯，采空區兩端出現應力集中。采空區上覆巖層應力變化依次為應力集中、損傷變形、斷裂坍塌到應力釋放過程。