浅埋煤层开采覆岩裂隙发育规律的数值模拟

张万斌，高召宁，孟祥瑞

(安徽理工大学能源与安全学院，安徽 淮南 232001)

我国西部毛乌苏沙漠边缘地下煤层储量丰富，仅陕西境内的榆神府煤田含煤面积约2.7×104km2，总储量约2.4×1011t，被列为世界七大煤田之一[1]。该区域的煤层埋藏普遍较浅，基岩较薄，基岩上面常常覆盖有较厚的风积沙层，风积沙层里面含有地表植被赖以生存的水分。由于基岩较薄，在对煤层进行开采时，采动裂隙很容易与风积沙层贯通，从而使风积沙中的水资源沿着裂隙渗入地下，造成地表水资源的流失，进而造成地表植被破坏，生态环境恶化[2]。因此，研究煤层开采过程中裂隙的发育规律，进而采取合理措施，实现保水开采，对于该地区来说刻不容缓。

在覆岩采动裂隙发育方面，国内外许多学者都做过研究，钱鸣高、许家林等通过物理相似模拟实验得出，采动裂隙可以分为两类：一类是横向离层裂隙，它是随着岩层的下沉运动在两个岩层之间出现的裂隙；另一类是竖向裂隙，它是近似竖直发展的穿层裂隙[3]。2008年，缪协兴等[4]应用关键层理论，研究了上行裂隙带内隔水关键层结构稳定性的概念模型。2010年，中国矿业大学的黄炳香、刘长友、许家林提出了破断裂隙贯通度的概念[5]。用来描述岩层(组)的破断程度及破断裂隙导水能力的强弱。2010年，黄庆享等人[6]以榆神府矿区浅埋煤层地层条件为工程背景，采用应力-应变全程相似和水理性相似技术，首次通过固液耦合模拟研究了浅埋煤层采动覆岩裂隙发育规律。黄庆享在该研究中对上行裂隙和下行裂隙进行了研究，提出了以下行裂隙和上行裂隙为主要指标的隔水层稳定性判据，建立了榆神府矿区浅埋煤层保水开采的分类方法，为浅埋煤层保水开采提供了科学依据。2012年，师本强[7]综合研究了影响陕北浅埋煤层矿区保水开采的多种因素，并具体研究了各个影响因素是如何影响导水裂隙带的发育，如何通过控制保水开采的影响因素实现保水开采。2012年，李永明、刘长友、黄炳香等人[8]研究了急倾斜煤层覆岩破断和裂隙演化的采厚效应，得出了急倾斜煤层坚硬顶板大面积悬顶后破断将导致导水裂隙的急剧增大的结论。

本文以榆阳矿区某工作面为背景，以非连续介质离散元程序UDEC为基本工具，对浅埋煤层开采中覆岩裂隙发育规律进行研究，为保水开采提供理论指导。

1 工作面概况

榆阳矿区位于毛乌素沙漠南缘，煤层埋藏较浅。该矿区某工作面平均走向长度435m，倾斜长度130m，所采煤层为3煤，煤层平均厚度3.5m，直接顶为泥岩，厚1.5m，老顶为砂岩，厚10m。本工作面煤层结构单一，煤层倾角1°，为近水平煤层。煤层埋深140m，基岩厚度117.5m，最上面的两层分别为厚15.6m的风化砂岩和厚6.9m的风化泥岩，其中风化砂岩内含有较丰富的水。采煤方法为走向长壁开采，完全垮落法管理顶板。

2 数值模拟模型

为使模型适当简化，在建模时，对原型中厚度小于等于1m的岩层，合并到与其岩性接近的邻近岩层中。在本文中，沿走向建立模型，模型长300m，高165.5m，其中老底20m，直接底2m，煤层3.5m，上覆岩层140m，直接模拟到地表。为观察采动过程中应力和位移的发展变化规律，在模型上布置3条竖直测线，依次编号为一、二、三 。每条测线上均布5个测点，如图1所示，图1中最下面一层测点(即测点1、6和11)位于老顶岩层中，距离煤层顶板3m，最上面一层测点距煤层顶板59.5m。

图1 测线与测点布置示意图

2.1 边界条件

左右边界固定水平位移，底部边界固定垂直位移，顶部为自由边界。

2.2 模型力学参数

模型中，块体采用摩尔-库仑模型，节理材料采用面接触库仑滑移模型。煤岩体的力学参数通过如下方法得到：首先从现场取样，在实验室测定样品的力学参数，所得参数为煤岩块参数，然后根据煤岩块与煤岩体的力学参数之间的关系[9-10]，将煤岩块参数乘以适当的系数得到近似的煤岩块力学参数。本文计算中使用的块体力学参数和节理参数分别见表1和表2(节理参数中，各节理材料的内聚力和抗拉强度均为0，在表1、表2中未列出)。

2.3 模拟开挖方案

采用分步开挖，每步开挖5m，并在模型两边各留40m边界煤柱。每开挖10m，记录一次各测点的位移和应力。

表1 岩层的力学性质参数

表2 岩层的节理参数

3 计算结果分析

随着工作面的推进，直接顶暴露面积逐渐增大，不断出现横向离层裂隙，当开挖至15m时，直接顶初次垮落。随着工作面继续推进，老顶逐渐出现离层，当开挖至40m时，老顶断裂、下沉，局部受到底部矸石的支撑而平衡，表明此时老顶初次来压，即老顶初次来压步距约为40m。

3.1 覆岩位移变化分析

以工作面距离测点的距离为横坐标，以测点的下沉量为纵坐标，作图，图形如图2所示。由图2可以看出，每条测线上的5个测点呈现出明显的分组下沉现象，以图2(a)为例，测点1和测点2分别自成一组，测点3、4、5成一组，共三组。其中1号测点下沉最快，2号其次，3、4、5号测点下沉最慢。由此可以推测，在1号和2号、2号和3号测点之间出现了离层裂隙；而3、4、5号三个测点下沉速率一直保持一致，因此3号到5号测点之间的岩层裂隙不发育。3、4、5号三个测点下沉具有同步性，表明它们受到同一层关键层所控制[11]。从工作面的位置与测点下沉量的关系来看，当工作面推过测线10～40 m时，测点的下沉量很大，表明这期间内覆岩移动明显，裂隙快速发育。之后随着工作面的推进，各测点下沉速率趋缓。

图2 工作面推进时测点的位移变化曲线

3.2 采动应力状态分析

在每条测线上选择3个测点，以工作面距离测线的距离为横坐标，以测点的垂直应力为纵坐标，作图，图形如图3所示。由图3可以看出，随着工作面向前推进，各测点的应力总体变化趋势为：先缓慢上升，到达峰值以后，迅速下降，至接近于0，然后再缓慢上升，最后趋于稳定。由图3可以看出，对于大部分测点，当测点位于工作面前方10m时，测点的垂直应力最大。这表明采动时，岩体的超前集中应力峰值位于煤壁前方10m左右。对于测点6和11，当工作面位于其正下方时应力最大，这是因为这些测点离煤层非常近，在这一岩层上超前应力峰值处于煤壁前方10m以内的位置，如图4所示。由图4可以看出，应力峰值大致位于煤壁前方13～17m，这与对测点观测的结论相一致。当测点的应力达到峰值以后，随着工作面继续推进，应力迅速减小，直至接近于0。应力降至接近于0是因为随着煤层被采空，覆岩被破坏，岩层之间出现横向离层[12]，即岩层与岩层之间不再是紧密接触，而是出现了裂隙，导致上面的应力无法向下传递，岩层逐渐进入卸压区。最后随着工作面的继续推进，应力又缓慢上升，升高到一定程度后稳定，这是因为随着工作面逐渐远离测线，测线所在的岩层裂隙逐渐被压实，应力部分恢复。观察图3(a)，当工作面推过测线130m以后，各测点的应力趋于稳定，表明这时候该测线处各覆岩运动已经基本停止。从另一个方面，这可以说明工作面后方130m范围内，裂隙较为发育，而130m以外裂隙基本弥合。另外，在图3(b)中，测点6的应力降至0附近以后，并没有明显地随着工作面的推进而回升的现象，这说明该测点所在的岩层一直没有被压实，说明该测点位于冒落带内，裂隙一直很多。

图3 工作面推进时测点的垂直应力状态

图4 工作面推进100 m时的垂直应力等值线图

3.3 覆岩裂隙发育规律

图5所示为工作面推进不同距离时候的裂隙发育情况图。由图5可以看出，开切眼形成以后，随着工作面的推进，逐渐在采空区上方岩层中产生大量横向和竖向裂隙，且以前者为主。在采空区中部，随着工作面的推进，上位岩层逐渐离层，形成新的裂隙，而下位岩层原来的裂隙逐渐被压实，裂隙不断向上发展。在开切眼附近，已经形成的裂隙不会随着工作面的推进而被压实。开切眼附近、工作面附近及采空区上方的裂隙近似构成一个梯形，如图5(b)所示。当工作面推进至140m以后，裂隙发育最大高度基本保持不变，裂隙发育的最大高度为94.5m。

图5 工作面推进不同距离时的裂隙发育情况

4 结论

1)随着工作面的推进，覆岩呈现出分层下沉的特点。

2)位于岩层中的测点，随着工作面的推进，所受应力先增大到一个峰值，然后快速降低至接近于0，最后缓慢上升，最终稳定时的应力不会超过前期峰值。

3)随着工作面的推进，裂隙逐步向上位岩层发展，采空区中部的裂隙逐步被压实，而开切眼附近的裂隙不会被压实，开切眼附近、工作面附近及采空区上方的裂隙近似构成一个梯形。

4)当工作面推进至140m以后，裂隙发育最大高度基本保持不变，裂隙发育的最大高度为94.5m。

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