近距離煤層群重復采動覆巖裂隙演化特征研究

中圖分類號：TD325 文獻標志碼：A 文章編號：1672-1098（2025）02-0076-10

引文格式：，等.近距離煤層群重復采動覆巖裂隙演化特征研究[J].安徽理工大學學報（自然科學版），2025，45（2） ：76-85.

Fracture Evolution Characteristics of Repeated Mining Overlying Strata in Close-Distance Coal Seam Groups CHENG Xiang1，34，ZHOU Jiang'， WANG Song2， WANG Anhong?

（1.StateKeyLaboratoryofDigitalIntellgentTchologyforUnmanedCoalMining，Anhui UniversityofSienceandTechology， Huainan Anhui232Oo1，China；2.ScholofMining Engineering，AnhuiUniversityofScienceandTechnology，HuainanAnhui 232001，China；3.MiningengineeringPost-DoctoralFlowStation，Anhui UniversityofScienceand Technology，HuainanAnui 232001，China;4.Postdoctoral Research Workstationof Huainan Mining（Group）Co.，Ltd.，Huainan Anhui232Ool，China）

Abstract：Objective To investigate the fracture evolution of overlying strataand the development characteristics of \"two zones\"（caving and fractured zones） under repeated mining in close-distance coal seams.Methods Similarity simulation，numerical simulation and theoretical analysis were conducted based on the 7₂ and 8₂ working faces in the 83 Lower Mining Area of Xutuan Coal Mine.The fracture migration and crack evolution of overlying rock under repeated mining of 7₂ and 8₂ coal seams were analyzed. Results After mining the 8₂ coal seam，the caving and fractured zones reached the heights of 22.5m and 86m respectively. Under repeated mining，the periodic weighting interval decreased significantly，the subsidence curves exhibited fluctuations，and the maximum subsidence occurred near the goaf center，showing a \"large-middle，small-sides\" distribution.Theoretical calculations using a double Σ^- seam comprehensive mining thickness model yielded caving and fractured zone heights of 16.81～ 26.23m and 71.78＼～92.62m respectively.The numerical simulation revealed that the mining-induced fractures in the 8₂ coal penetrated the 7₂ goaf，with a larger fracture range and lateral distribution. Conclusion The research clarifies fracture distribution paterns under repeated mining in close-distance coal seams，providing insights for water and gas hazard prevention in mines.

Key words：closed distance seam group;crack evolution； similar simulation ;repeated mining；\"two zones\" height

煤炭通常是以煤層群的形式賦存，多煤層開采時會引起上覆巖層的變形和破斷以及采動形成的裂隙網絡范圍，裂隙發育程度較單煤層采動更明顯、復雜。煤礦開采中，采動產生的裂隙可作為瓦斯、水的運移通道，易造成瓦斯聚集、突水等災害事故，對礦井生產造成隱患[1-2]。因此有必要對煤層（群）采動下覆巖破壞及裂隙演化規律進行研究。

目前，國內外學者在重復采動覆巖破壞特征和裂隙動態演化方面進行了大量的研究。文獻［3]利用模型實驗方法對覆巖裂隙分布特征進行研究，提出“0”形圈分布規律；文獻「4利用現場實踐、數值模擬相結合的方法，研究了多煤層群上行開采圍巖破斷裂隙發育特點，得到了裂縫富集區特點；文獻5運用鉆孔電視與離散元軟件等方法，研究了傾斜沖擊性頂板特厚煤層重復采動問題，得到了該條件下覆巖裂隙的集中區域；文獻［6］針對保護層開采卸壓瓦斯治理問題，采用相似模擬、瞬變電磁等多種研究手段研究軟巖保護層開采覆巖采動裂隙帶演化特點；文獻7采用理論分析、現場監測等方法，對弱膠結地層礦區重復開采擾動下的覆巖運移規律進行研究，建立了該條件下地表最大沉降模型；文獻[8]采用微震監測、理論計算等方法，研究煤層組重復采動過程中頂底板巖層破壞特征，得到裂隙帶向上疊加發育、底板破壞深度減小等特點；文獻「9采用地表勘探和干涉合成孔徑雷達（InSAR）測量方法，研究多煤層下行開采引起的覆蓋層破壞特征，表明重復開采會引發覆蓋層的全面下沉，產生切割型斷裂和階梯式下沉；文獻［10]通過SAR偏移跟蹤和干涉相位的融合，得到重復采動后大梯度表面位移，結合簡化概率積分法得到采動沉降和滑坡的位移數值；文獻［11]通過數值模擬方法研究裂隙演化及分布，計算得出離層率分布特征；文獻[12]提出一種名為“標記定位畫線，預設巷道模型”的方法并結合紅外檢測手段，分析煤層重復開采下煤巖上漲圍巖的變形和破壞特征，得出煤柱附近的裂隙更密集；文獻[13］研究冒落帶充填對采動損傷的影響，采用分形理論的方法，得到了覆巖裂隙演化特征；文獻［14針對陜西侏羅系煤田淺煤層開采條件，結合實測統計分析、物理模擬等方法，提出淺煤層開采WCFZ開發高度預測方法；文獻[15]研究近距離煤層采動覆巖發育特征，采用FLAC3D軟件模擬得出開采單層煤和多層煤層下覆巖位移變化及應力變化特征；文獻[16]針對淺埋煤層采動對地表下降問題，采用數值模擬以及經驗公式的方法，分析覆巖裂隙發育高度。

綜上所述，國內外學者對于多煤層群重復采動造成的覆巖裂隙開展大量研究，取得了豐富的成果，但不同的煤層賦存條件重復采動條件下裂隙發育特征各異，需要根據具體礦區地質條件進一步探索。本文以許疃礦 83_F 采區近距離煤層群 7₂ 和 8₂ 工作面為工程背景，開展近距離煤層群采動覆巖相似模擬試驗來研究 7₂ 與 8₂ 煤間巖層破壞特征，分析多煤層重復采動下覆巖裂隙演化規律及“兩帶”分布特征，掌握許疃煤礦 83_F 采區82312首采工作面重復采動裂隙發育特征，以期為礦井現場的水害防治和瓦斯治理提供技術參考。

1 工程概況

實驗以許疃煤礦 83_F 采區的 7₂ 煤和 8₂ 煤為工程研究背景， 8₂312 工作面為 83_F 采區首采8煤工作面，位于 83_? 采區下山北翼的第一階段，上覆 7₂312 及 7₂314 工作面（均已回采）。 8₂312 工作面 8₂ 煤層厚為 0.80～2.75m ，平均為 1.80m ，基本頂為細砂巖，平均厚度為 5.60m ，直接底為泥巖，平均厚度為6.50m ，基本底為細砂巖，平均厚度為 8.20m ，具體綜合柱狀圖如圖1所示。 8₂312 工作面 8₂ 煤與上覆 7₂ 煤層間距為 10.00～17.50m ，平均為 14.50m ，屬近距離煤層群，開采方式采用下行開采。

根據關鍵層理論結合 8₂312 工作面綜合柱狀圖，對覆巖關鍵層層位進行判斷，通過對覆巖逐層進行載荷和破斷距計算，得到距 8₂ 煤頂板 44.3m 層厚 9.0m 的粉砂巖為關鍵層，如圖1所示。

2 模擬實驗

2.1 實驗模型

依據許疃煤礦8，312工作面的地質條件建立物理相似模型，根據相似理論確定模型幾何比為1：100 ;應力比為 1：250 ;容重相似比為 1：160 ;時間比為 1：10 。實驗采用平面應力相似模型，以 7₂ 煤和 8₂ 煤工作面為模擬對象，選擇河沙、石膏、石灰、云母粉和水作為材料，通過改變材料的配比來模擬不同巖層，模型鋪設時采用云母粉來模擬巖層的節理裂隙。

2.2 實驗過程

實驗開采 7₂ 煤和 8₂ 煤兩層煤層，物理相似實驗分兩步完成，第一步是回采 7₂ 煤工作面，采動過程中觀察上覆巖裂縫發育及巖層運移變化，該過程持續直至工作面回采結束。第二步是回采 8₂ 煤工作面，在第一步回采結束的基礎上觀察二次采動影響下新裂縫的產生擴展及覆巖運移情況。回采 7₂ 煤時，為減小邊界效應，在物理模型兩端各預留500mm 煤柱，工作面推進距離為 2 000mm ；回采 8₂ 煤時，按同樣的處理方法。

本次相似模擬試驗共設置監測點320個，用大頭釘將位移測點釘在模型表面，位移監測線8條，分別為1#測線（ 7₂ 煤下方 7cm ）、2#測線（ 7₂ 煤底板）、3#測線（ 7₂ 煤上方 8cm ）、4#＼～8#測線依次向上每隔 10cm 距離布置，物理模型如圖2所示。監測位移變化時使用GetData軟件捕獲測點中心，回采過程使用數碼相機記錄，每回采一段距離和回采結束覆巖穩定時，使用相機拍照觀察覆巖裂隙發育，巖層破斷變形情況，記錄上述實驗結果，為后續實驗分析做基礎。

3 相似模擬實驗結果及分析

3.1單煤層開采覆巖裂隙發育過程

7₂ 煤工作面的推進，上部巖層在自重應力作用下發生運移，在開切眼和工作面兩側開始產生裂隙，工作面推進到 45m 處，上巖層達到極限跨距，基本頂初次垮落，切眼及工作面側垮落角分別為49^° 和 55^° ，基本頂的斷裂、垮落如圖3（a）所示。工作面推進到 65m 處，由采動作用造成的裂隙向推進方向和上方覆巖發展，頂板產生離層現象，離層區位于上煤層 16m 左右；工作面繼續推進至 125m 時，在工作面前方和高層位處出現橫向和豎向破斷裂隙，基本頂平均 19.3m 出現一次周期來壓;工作面推進到 200m 處，覆巖離層裂隙和破斷裂隙動態演化發展至高層位，巖層由下至上出現“兩帶”分布形態，如圖3（d）所示。上煤層開采后，工作面兩側裂隙發育，裂隙向推進方向和上方發育并在中部集中，采空區中部在垮落巖石支撐下被壓實。 7₂ 煤開采結束后，冒落帶發育高度為 13.2m ，裂隙帶發育高度為 62.5m ，覆巖穩定后，切眼和終采線兩側垮落角分別為 49^° 和 51^° 0

3.2 單煤層采動覆巖位移規律分析

7₂ 煤層工作面的回采會引起覆巖的破斷和運移，通過8條不同巖層位移測線的布置，對 7₂ 煤層回采過程覆巖運移量進行分析，如圖4所示。1#＼～2#測線布置在 7₂ 煤層下方，回采 7₂ 煤時，整體位移不明顯，根據冒落帶區域的巖層具有碎脹性和不規則性特點，對比各測點位移可知，3#＼～4#測線的下沉量較大，推進相同距離下測線的波動幅度大，表明處在冒落帶范圍內，高度范圍在 10～20m ；隨著工作面的推進，冒落帶垮落巖層在上覆巖作用下逐漸被壓實，裂隙帶巖層形成穩定結構起到支撐巖層的作用，導致“兩帶”的覆巖下沉量差異較大，處在裂隙帶范圍內的覆巖下沉具有一定的連續性，對比可知，5#＼～8#測線波動幅度小，運動趨勢大致一樣，由此判斷4#測線之上屬于裂隙帶范圍。

3.3 重復采動覆巖裂隙發育過程

待上部 7₂ 煤工作面開挖完畢穩定后，進行 8₂ 煤工作面的開挖。 8₂ 煤工作面推進至 15m 時，在8₂ 煤上覆巖層發育豎向微縫隙；當工作面推進至37.5m 時，采空區上方開始發育離層裂隙，工作面兩側產生豎向縫隙并向上擴展， 8₂ 煤上方的基本頂第一次破斷，如圖5（a）所示。當 8₂ 煤工作面推進至 80m 時， 7₂ 煤和 8₂ 煤層裂隙相連通， 7₂ 煤采空區上部的整體巖層由壓實狀態重新出現運移，并向下發生運動，如圖5（b）所示。隨著工作面的持續推進，煤層間巖層出現垮落，在推進方向上豎向裂隙進一步擴展，上部離層裂隙繼續擴大， 8₂ 煤的回采造成已穩定的覆巖再次運動，并促使已形成的砌體梁結構向高層位發展，造成裂隙擴展更加顯著，如圖5（d）所示。 8₂ 煤開采結束后，平均來壓步距為 16.7m ，冒落帶發育高度為 22.5m ，裂隙帶發育高度為 86m ，采動穩定后在切眼側和終采線側兩側產生的垮落角分別為 48.3^° 和 65.5^° 0

3.4重復采動覆巖位移規律分析

8₂ 煤層工作面推進 200m 時，模型不同層位測線下沉量如圖6所示。通過對比圖4單煤層開采擾動引起的覆巖下沉量，重復采動覆巖運移有以下特點：1）重復擾動導致各巖層下沉量增加，1#＼～2#測線數值差減小，二次采動效應致使冒落帶進一步壓實；2）單煤層開采覆巖最大下沉量處于切眼側，而重復采動下最大下沉量出現在中部;3）重復采動作用讓上覆煤層的壓實區出現失穩，采場覆巖結構遭到的破壞加大，出現巖層下沉量非連續性增加的現象，測線數據波動明顯。

相較于單一煤層的開采，二次采動影響下周期來壓步距減小，產生的覆巖裂隙較單一煤層開采明顯增多。上煤層回采穩定后下煤層采動屬于重復采動， .7₂ 煤采動影響下巖層出現離層現象，上覆巖層強度降低，在 8₂ 煤二次采動下，處于壓實狀態的裂隙區重新擴展，最終再次達到壓實狀態，近距離煤層群的重復采動會進一步加劇覆巖的發育。

3.5 開采擾動下覆巖位移規律分析

由圖4和圖6分析得到煤層工作面開采結束后不同巖層測線下沉值信息，為分析推進不同距離下覆巖測線位移變化特征，選取特征曲線3號和4號對比分析，位移測線變化曲線如圖7所示。

從圖7（a）和圖7（b）可知， 7₂ 煤采動過程中頂板下沉量隨著工作面的推進逐漸增大，頂板垮落范圍也增大，切眼側和終采線側的頂板下沉不明顯；7₂ 煤單一煤層開采時，工作面推進 45m 時， 7₂ 煤基本頂初次垮落;隨著工作面的持續推進，3號測線的頂板下沉量逐漸增大，在推進 105m 曲線中，頂板下沉量最大值在距模型邊界 75m 處，當工作面推進 180m 時，此處頂板下沉量為 3.7m 。

從圖7（c）和圖7（d）可知， 8₂ 煤頂板下沉量隨著工作面的推進逐漸增大，由于 7₂ 煤的采動效應，8₂ 煤頂板破碎，曲線位移中出現中間大兩邊小的特征，工作面推進 37.5m 時， 8₂ 煤基本頂初次垮落，從3號測線上看出，在距模型邊界 75m 處下沉量達到最大值，為 4.24m ，說明此處 8₂ 煤頂板發生破斷，當工作面推進到 110m 處，距基本頂 20m 范圍內曲線變化較緩慢，表明 8₂ 煤上方的破斷的覆巖逐漸被壓實，覆巖變化位移小。當工作面推進至180m 時，3號測線在距模型邊界 80m 處達到頂板下沉量最大值，4號測線在距模型邊界 125m 處達到最大下沉量。

通過對比分析 7₂ 煤和 8₂ 煤回采時覆巖運移特征，得到近距離煤層群開采覆巖特征參數如表1所列。 7₂ 煤的周期來壓為 19.3m ，在 8₂ 煤采動后周期來壓步距明顯減小，為 16.7m;7₂ 煤采動產生的裂隙帶發育高度為 62.5m，8₂ 煤的采動影響使得裂隙帶繼續向上發展，其主要原因為近距離煤層群下行開采時，重復采動下原已穩定的覆巖結構再次發生失穩，使得上部巖層裂隙進一步演化

4重復采動“兩帶”發育高度理論計算

因現行的《三下采煤規范》[7]中給出的預計近距離煤層群采動效應疊加的綜合采厚公式在應用到現場實踐中存在誤差偏大的問題，故結合修正后的綜放開采裂隙帶發育高度公式，構建了如圖8所示的近距離煤層開采綜合采厚計算模型[18]

設 M_c 雙煤層開采綜合采厚，有

M_c=M₂+m

設 m 為下煤層開采后層間巖層下沉值，有

m=q_iM₁

其中， q_i 為下煤層開采后層間巖層頂部位置的下沉系數。覆巖在中硬條件下下沉系數表達式[9]如下

式中， H 為下煤層頂板距地表的距離； h 為上、下煤層間隔層厚度； q 為與采動程度相關的地表下沉系數。

本研究基于雙煤層開采綜合采厚計算模型的參數，并結合《三下采煤規范》中近距離煤層“兩帶”計算公式，可以得到

式中， ± 為允許誤差； M₂ 為上煤層采厚； M₁ 為下煤層采厚； H_k 為冒落帶高度； H_li 為裂隙帶高度。

由上文 8₂312 工作面的地質條件可知， 8₂ 煤層圍巖巖性為中硬巖層。結合許疃煤礦開采條件，取M₁=1.8m，M₂=4.6m，h=14.5m，H=450m，q=0.3 利用式（1）＼～式（5）得到 8₂ 煤層回采結束后冒落帶高度發育范圍為 21.52±4.71m ，裂隙帶高度的發育范圍為 82.20±10.42m 。

5 采動覆巖破壞特征數值模擬

5.1 建立數值模型

依據許疃煤礦 83_F 采區的 7₂ 煤和 8₂ 煤的地質資料，采用3DEC離散元軟件研究雙煤層采動過程覆巖破斷規律及采動裂隙分布特征。建立數值模型如圖9所示，為消除邊界效應，工作面開挖范圍距模型邊界均為 50m，7₂ 煤和 8₂ 煤工作面推進200m 。設定豎直向下的重力加速度為 9.8m/s² ，固定模型底面和四周，模型頂部設為自由邊界，選擇摩爾庫倫模型作為煤巖體本構關系，模型裂隙張開度設定為0.02，巖層物理力學參數如表2所示

5.2模擬結果分析

煤層開采后由于巖層自重等效應導致上覆巖 層發育豎向和離層裂隙， .7₂ 煤 煤開采后上覆巖 裂隙演化分布規律分別如圖10、圖11所示

150 /雨劑 15100 75 美 50 品 25 8煤裂隙貫通上煤層采空區 0 50 100 150 200 250 300 模型推進距離 /m

7₂ 煤推進 50m 時覆巖上方出現離層現象，隨著工作面的推進，裂隙逐漸向推進和上方巖層擴展。對比圖10和圖 煤工作面上方覆巖經受兩次采動影響，采空區上部覆巖裂隙較 7₂ 煤層更為發育，且在切眼側和工作面側裂隙擴展范圍明顯。近距離煤層群開采條件下重復采動加大了采空區上覆巖層的裂隙衍化，最終導致其裂隙發育更加充分。

6 結論與展望

本研究以許疃煤礦 83_F 采區近距離煤層群中的 7₂ 煤和 8₂ 煤工作面為工程背景，通過開展相似模擬試驗，研究了 7₂ 煤單層采動及 8₂ 煤重復采動條件下覆巖裂隙的演化規律，揭示了 7₂ 煤與 8₂ 煤重復開采過程中覆巖采動裂隙的發育形態及“兩帶”高度的變化特征。研究結果表明，重復采動行為顯著加劇了采動覆巖結構的破壞程度，而結構失穩進一步促進了上覆巖層裂隙的擴展與演化。與單煤層采動相比，覆巖穩定后重復采動條件下的“兩帶”高度顯著增加。本文豐富了不同煤層賦存條件重復采動裂隙演化特征研究成果，為礦井現場的水害防治和瓦斯治理提供技術支撐

本文研究了二維平面應力條件重復采動下裂隙演化規律，然而覆巖采動裂隙是三維空間的分布特征，后續可利用深部礦山工程多功能模擬試驗系統開展三向加載條件煤層群重復采動覆巖采動裂隙演化的物理相似模擬實驗，進一步揭示三維空間下重復采動條件覆巖采動裂隙分布規律，為礦井精準圈定裂隙區域提供重要技術理論支撐

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（責任編輯：丁 寒）