李 想，焦玉勇*,鄒俊鵬，張修峰，王 超

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢) 工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.兗州煤業(yè)股份有限公司東灘煤礦，山東 鄒城 273500)

中國是一個多煤少油的國家，擁有豐富的煤炭資源儲量，雖然近些年新能源的發(fā)展勢頭迅猛，但短時間內(nèi)依然無法取代煤炭資源的地位，煤炭在中國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展進(jìn)程中依然擁有不可替代的作用[1-3]。過去，煤炭開采多集中在淺部煤層，隨著淺埋煤炭資源逐漸耗盡，煤炭開采向深部發(fā)展勢在必行[4]。但由于深部采煤難度大，伴隨地質(zhì)條件復(fù)雜多變、高地應(yīng)力、礦震多發(fā)等問題[5-6]，并且煤炭開采還會引發(fā)一定程度的地表沉降，對地面建筑造成破壞，對人民生活產(chǎn)生影響[7-9]。因此，為了滿足煤層開采過程中的安全與高效，研究深部采煤覆巖移動和地表沉降規(guī)律顯得尤為重要。

國內(nèi)眾多專家學(xué)者對煤層開采覆巖移動特征進(jìn)行了廣泛的研究。如馮超等[10]應(yīng)用FLAC3D模擬了煤層采動后導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度，并將模擬結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)公式、理論分析進(jìn)行了對比驗(yàn)證；來興平等[11]應(yīng)用FLAC3D模擬研究了煤層開采后覆巖應(yīng)力、位移和塑性破壞特征，并結(jié)合經(jīng)驗(yàn)公式得到了覆巖“兩帶”破壞高度；孫可明等[12]應(yīng)用Abaqus有限元軟件對保護(hù)層開采過后覆巖的裂隙演化進(jìn)行了模擬研究，得到了采動后覆巖卸壓分布范圍及滲透率分布規(guī)律；王遷等[13]利用有限元軟件分析了采動后上覆巖層的下沉位移、下沉移動特征及應(yīng)力變化規(guī)律；李培現(xiàn)等[14]基于FLAC模擬研究了煤層開采寬度與導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨鹊年P(guān)系，結(jié)果表明開采初期煤層開采寬度隨地表導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨鹊脑黾佣龃?，?dāng)工作面寬度大于某一臨界值后則保持不變。

針對煤層開采過后產(chǎn)生的地表沉降問題，尹光志等[15]運(yùn)用實(shí)驗(yàn)室相似模型試驗(yàn)和有限差分軟件研究了大傾角煤層開采引起的地表移動，并繪制了開采后地表下沉量和水平移動等值線圖；劉玉成[16]為了減少監(jiān)測地表移動所布置的大量測點(diǎn)，運(yùn)用FLAC3D模擬了煤層開采引發(fā)地表移動的全過程，為地表移動測點(diǎn)布置提供了技術(shù)參數(shù)；吳文敏等[17]通過數(shù)值模擬的手段研究了不同傾角煤層開采的地表變形規(guī)律，結(jié)果表明地表最大沉降值和水平移動值隨煤層傾角的增加而增大，兩者之間呈現(xiàn)三次多項(xiàng)式關(guān)系。

目前針對采煤覆巖移動和地表沉降的研究，其成果大多針對淺埋煤層，對于深埋煤層開采后覆巖運(yùn)移和地表沉降規(guī)律的研究較少，而且研究方法多采用有限元、有限差分軟件數(shù)值模擬的手段，相比離散元數(shù)值方法，無法清晰地看到覆巖的具體垮落形式，也無法直觀地了解導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育情況。為了揭示深部采煤覆巖移動和地表沉降規(guī)律，本文以兗礦集團(tuán)東灘煤礦6采區(qū)63上04、63上05、63上06工作面為研究背景，采用UDEC離散元軟件數(shù)值模擬的方法，基于微震及地表沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)，探究煤層回采過程中覆巖垮落形式、導(dǎo)水裂隙帶高度、“三帶”分布、覆巖應(yīng)力分布和地表沉降規(guī)律。研究結(jié)果可為深部煤層開采工程提供一定的技術(shù)指導(dǎo)。

1 礦井概況

東灘井田地處鄒城、兗州、曲阜三市接壤地帶，在地質(zhì)構(gòu)造上位于兗州向斜的核部和深部。東灘煤礦采區(qū)劃分如圖1所示，其中63上04、63上05、63上06工作面所在的6采區(qū)位于東灘井田南翼，是本次研究的對象。該采區(qū)北至工業(yè)廣場保安煤柱和4采區(qū)邊界，南到井田邊界煤柱，與南屯煤礦毗鄰，西至4采區(qū)邊界，東至嶧山斷層煤柱；采區(qū)東西長約3.4 km，南北寬約1.8～2.8 km，面積約為9.53 km2。

圖1 東灘煤礦采區(qū)劃分示意圖Fig.1 Division diagram of Dongtan coal mining area

6采區(qū)上組煤層含可采和局部可采煤層共6層，自上而下編號為2、3上、3下、3下1、3下2、6煤層。其中，3上、3下煤層為穩(wěn)定的、全區(qū)可采煤層；3下1、3下2煤層為不穩(wěn)定煤層，2、6煤層為極不穩(wěn)定煤層。目前東灘煤礦6采區(qū)主采煤層為3上煤層，該煤層位于山西組下部，下距3下煤層為5.08～13.86 m，平均間距為10.21 m；煤層厚度為4.12～6.65 m，平均厚度為6.0 m；煤層傾角較平緩，約為3°～9°，平均傾角為6°；煤層中有夾石1～2層，在底板之上1.6～2.5 m處含一層厚為0.03～0.05 m的灰白色砂巖夾矸且發(fā)育穩(wěn)定，頂板之下0.3 m處含一層厚為0.2～0.3 m炭質(zhì)泥巖夾矸且不穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。

目前東灘煤礦6采區(qū)63上04、63上05工作面已回采完畢，截至2020年10月，63上06工作面已經(jīng)回采442 m。

2 離散元數(shù)值計(jì)算模型建立

2.1 模型地層巖性物理力學(xué)參數(shù)

為了建立數(shù)值計(jì)算模型，收集東灘煤礦6采區(qū)的綜合地質(zhì)柱狀圖，見圖2。另外，根據(jù)《東灘煤礦地質(zhì)鉆孔巖性測試報(bào)告》，獲得了本次數(shù)值模擬所需的模型地層巖體的物理力學(xué)參數(shù)，見表1。

表1 模型地層巖性的物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of model formation lithdogy

圖2 東灘煤礦6采區(qū)的綜合地質(zhì)柱狀圖Fig.2 Geological histogram of No.6 mining area of Dongtan coal mine

2.2 數(shù)值模型建立

為了降低邊界對于模擬結(jié)果的影響，模型的尺寸設(shè)定為1 500 m(長)×701 m(高)，模型左右邊界對y方向的位移約束設(shè)為0，模型下邊界對x、y方向的位移約束設(shè)為0，模型上邊界設(shè)為自由邊界，模型整體施加的重力加速度為9.8 m/s2。模型各地層的節(jié)理單元劃分有所不同，將臨近煤層的地層節(jié)理單元劃分得較為精細(xì)，將遠(yuǎn)離煤層的地層節(jié)理單元劃分得相對粗糙。模型采用摩爾-庫侖破壞準(zhǔn)則，節(jié)理材料采用的是庫侖滑移破壞面接觸模型。本文利用UDEC離散元軟件建立的數(shù)值模型及邊界約束，見圖3。

圖3 數(shù)值模型及邊界約束示意圖Fig.3 Diagram of numerical model and boundary constraint

2.3 數(shù)值模擬計(jì)算方案

根據(jù)《東灘煤礦采空圖》，獲得東灘煤礦6采區(qū)工作面布置圖，見圖4。

圖4 東灘煤礦6采區(qū)工作面布置圖Fig.4 Working face layout of No.6 mining area of Dongtan coal mine

由圖4可知：6采區(qū)中63上04、63上05和63上06三個工作面距離較近，中間煤柱寬為25 m，為了更好地探究煤層開采后覆巖移動規(guī)律，從沿工作面回采方向(z1方向)、垂直工作面回采方向(z2方向)兩個維度進(jìn)行了數(shù)值模擬，即沿z1方向最終推進(jìn)長度為442 m，沿z2方向的回采順序?yàn)?3上05工作面(寬250 m)、63上04工作面(寬254 m)、63上06工作面(寬254 m)，這樣既可以研究單一工作面回采后上覆巖層的移動情況，還可以了解不同工作面之間的相互影響，使得研究結(jié)果更加客觀、真實(shí)、全面。

3 深部采煤覆巖移動規(guī)律分析

3.1 覆巖垮落及“三帶”規(guī)律分析

因3上煤層覆巖多為厚硬砂巖，工作面推進(jìn)距離過小會導(dǎo)致模擬結(jié)果變化不明顯，故沿工作面回采方向(z1方向)的數(shù)值模擬，將工作面每次向前推進(jìn)100 m，共計(jì)推進(jìn)442 m，模擬得到6采區(qū)63上06工作面回采100 m、200 m、300 m、442 m后覆巖垮落情況，見圖5。

圖5 東灘煤礦6采區(qū)63上06工作面回采100 m、 200 m、300 m、442 m后覆巖垮落情況Fig.5 Overlying strata collapse of 100 m,200 m,300 m and 442 m at working face 63upper06 of No.6 mining area of Dongtan coal mine

由圖5可見：當(dāng)工作面回采100 m時，煤層上方的直接頂發(fā)生部分垮落，導(dǎo)水裂隙帶高度為32 m，直接頂上部發(fā)生一定程度的彎曲；當(dāng)工作面回采200 m時，直接頂整體完全垮落，導(dǎo)水裂隙帶高度增加至42 m，垮落巖體兩側(cè)分布大量的斷裂裂隙，直接頂上覆中砂巖層發(fā)生較大程度的彎曲變形，中砂巖頂部產(chǎn)生離層裂隙；當(dāng)工作面回采300 m時，直接頂整體垮落，其上覆中砂巖也發(fā)生整體完全垮落，導(dǎo)水裂隙帶高度增加至85 m，同時中砂巖上覆巨厚粉砂巖下部也發(fā)生一定程度的彎曲變形，由工作面推進(jìn)導(dǎo)致的覆巖變形高度進(jìn)一步上探；當(dāng)工作面回采442 m時，發(fā)生垮落的高度已基本不變，導(dǎo)水裂隙帶高度仍為85 m，但覆巖大變形高度還在進(jìn)一步增加，巨厚粉砂巖層整體發(fā)生較大的變形，頂部產(chǎn)生一定程度的離層裂隙，巨厚粉砂巖上覆細(xì)砂巖下部發(fā)生一定程度的彎曲變形。

為了了解臨近采空工作面對于現(xiàn)采工作面的影響，針對垂直工作面回采方向(z2方向)進(jìn)行了數(shù)值模擬，3個緊臨工作面的回采順序?yàn)?3上05、63上04、63上06，模擬得到6采區(qū)63上05、63上04、63上06工作面回采后的覆巖豎向位移云圖，見圖6。

由圖6可見：在63上05工作面回采完成后，采空區(qū)對于覆巖的影響范圍較小，覆巖大變形區(qū)呈現(xiàn)梯形，覆巖豎向位移大于1 m的高度約為80 m；隨后，在63上04工作面回采完成后，覆巖大變形范圍進(jìn)一步增大，覆巖豎向位移大于1 m的高度為220 m，覆巖大變形區(qū)呈現(xiàn)拱橋形，雙拱足變形較大，拱頂變形相對較??；最后，在63上06工作面回采完成后，覆巖大變形范圍迅速顯著增大，覆巖豎向位移大于1 m的范圍迅速延伸到地表，覆巖大變形區(qū)呈現(xiàn)大底角梯形，梯形底部變形較大，頂部變形較小。

圖6 東灘煤礦6采區(qū)63上05、63上04、63上06工作面回采后的覆巖豎向位移云圖Fig.6 Cloud images of overlying strata vertical displacement after mining at working faces 63upper05,63upper04,63upper06 of No.6 mining area of Dongtan coal mine

在6采區(qū)工作面回采模擬過程中可以發(fā)現(xiàn)，由于上覆巖層多為堅(jiān)硬砂巖，故覆巖垮落形式多為整體大塊垮落，這種垮落形式極容易引發(fā)礦震。根據(jù)東灘煤礦微震監(jiān)測資料可知，東灘煤礦礦震多發(fā)，在工作面回采的過程中發(fā)生了大小幾十次礦震，因礦震能量大于105J會導(dǎo)致煤礦生產(chǎn)停工，故選取6采區(qū)63上06工作面回采過程中礦震能量大于105J的18次礦震事件與工作面回采長度數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性研究，并繪制了63上06工作面回采長度與礦震能量的關(guān)系圖，見圖7。

圖7 東灘煤礦6采區(qū)63上06工作面回采長度與礦震 能量的關(guān)系圖Fig.7 Relation diagram of length and mine seismic energy of working face 63upper06 of No.6 mining area of Dongtan coal mine

由圖7可見：在63上06工作面回采長度小于100 m時，礦震能量相對較小，為1.05×105J；當(dāng)63上06工作面回采長度處于100～300 m之間時，大能量礦震多發(fā)，多數(shù)礦震能量大于106J；當(dāng)63上06工作面回采長度處于300～442 m之間時，礦震能量急劇下降，最后趨于平穩(wěn)。

將63上06工作面覆巖垮落模擬結(jié)果(見圖5)與礦震發(fā)生深度曲線(見圖7)進(jìn)行對比可以發(fā)現(xiàn)：63上06工作面回采長度小于100 m時，覆巖垮落范圍小，發(fā)生礦震的幾率小、能量低；63上06工作面回采長度處于100～300 m之間時，覆巖垮落加速，覆巖垮落范圍增大，導(dǎo)水裂隙帶高度升高迅速，大能量礦震多發(fā)，礦震發(fā)生深度迅速升高；63上06工作面回采長度處于300～442 m之間時，導(dǎo)水裂隙帶高度基本不變，覆巖主要以大變形為主，發(fā)生礦震的能量顯著降低，礦震發(fā)生深度也逐漸趨于平穩(wěn)。以上也可以從側(cè)面證明前文模擬結(jié)果的正確性。

此外，覆巖整體垮落極易引起地表大變形，由東灘煤礦6采區(qū)地表巖移觀測數(shù)據(jù)可知：地表沉降量巨大，在z1方向回采442 m時，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，地表最大沉降量達(dá)到了1.8 m，在某些已經(jīng)回采完畢的工作面，地表的最大沉降量達(dá)到4 m，這些現(xiàn)象都與覆巖垮落形式有著不可分割的聯(lián)系；此外，根據(jù)z2方向的數(shù)值模擬結(jié)果可知，在6采區(qū)63上04、63上05工作面已經(jīng)采空的情況下，進(jìn)行63上06工作面回采時，覆巖豎向位移的增幅十分巨大，覆巖豎向位移大于1 m的高度從220 m迅速增加至波及地表，這說明緊鄰采空區(qū)的存在對于現(xiàn)采工作面覆巖垮落變形的影響也是十分巨大的。

6采區(qū)63上06工作面回采完畢后，覆巖的三帶分布情況見圖8，由此可得到導(dǎo)水裂隙帶的高度為85 m。

圖8 東灘煤礦6采區(qū)63上06工作面回采442 m后 覆巖的三帶分布圖Fig.8 Three-zone distribution map of overlying strata after 442 m mining at working face 63upper06 of No.6 mining area of Dongtan coal mine

參照采煤相關(guān)規(guī)范，針對煤層采高為3～10 m情況下導(dǎo)水裂隙帶高度的經(jīng)驗(yàn)公式為

(1)

式中：Hli為導(dǎo)水裂隙帶高度(m)；M為采高(m)。

由公式(1)可計(jì)算得到導(dǎo)水裂隙帶高度為90.6 m，與模型計(jì)算結(jié)果十分接近，產(chǎn)生誤差的原因是該經(jīng)驗(yàn)公式只考慮了采高對于導(dǎo)水裂隙帶高度的影響，而實(shí)際情況下，影響導(dǎo)水裂隙帶高度的原因是非常復(fù)雜的，煤層開采深度、覆巖巖性、關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)控制等都會對導(dǎo)水裂隙帶高度產(chǎn)生一定程度的影響。

3.2 覆巖豎向應(yīng)力分布規(guī)律分析

東灘煤礦6采區(qū)63上06工作面回采后沿工作面回采方向(z1)和垂直工作面回采方向(z2)覆巖豎向應(yīng)力云圖，見圖9。

圖9 東灘煤礦6采區(qū)63上06工作面回采后z1和z2 方向的覆巖豎向應(yīng)力云圖Fig.9 Vertical stress nephogram of overlying strata after mining of working face 63upper06 in direction z1 and z2 of No.6 mining area of Dongtan coal mine

由圖9可以看出：

(1) 在63上06工作面回采的過程中，原始覆巖應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生了變化，應(yīng)力進(jìn)行了重新分布，由于位于回采煤層上部的低位巖層發(fā)生垮落、變形，覆巖的豎向應(yīng)力得到了一定的釋放，大面積覆巖所受豎向應(yīng)力小于10 MPa；在采空區(qū)上方，巖體產(chǎn)生裂隙、發(fā)生較大變形的部位形成三角拉應(yīng)力帶[見圖9(b)]，在63上06工作面回采442 m后，在采空區(qū)的兩端形成了超前支撐壓力帶，寬度約為150 m，豎向應(yīng)力的峰值為50 MPa，產(chǎn)生應(yīng)力峰值的位置距采空區(qū)邊緣約為20～30 m。

(2) 隨著6采區(qū)63上04、63上05、63上06工作面回采完畢，3個緊鄰工作面之間的煤柱所受到的豎向應(yīng)力高達(dá)120 MPa[見圖9(b)]，而根據(jù)《東灘煤礦地質(zhì)鉆孔測試報(bào)告》，3上煤層的抗壓強(qiáng)度僅為8.01 MPa，煤柱所受到的豎向應(yīng)力值早已超過了其強(qiáng)度，已然會發(fā)生破壞，煤柱現(xiàn)已起不到任何支撐作用，這也從另一個角度解釋了東灘煤礦6采區(qū)緊鄰采空區(qū)對63上06工作面回采時覆巖移動影響巨大的原因。

4 地表沉降規(guī)律分析

4.1 地表沉降監(jiān)測情況

東灘煤礦6采區(qū)63上06工作面地表沉降監(jiān)測點(diǎn)的布置情況，見圖10。其中，沿63上06工作面走向方向有42個測點(diǎn)，點(diǎn)號為w6～w47；沿63上06工作面傾向方向有41個測點(diǎn)，點(diǎn)號為s7～s32、s34～s48。截至2020年10月，6采區(qū)63上06工作面累計(jì)回采442 m，累計(jì)觀測106次，沿63上06工作面走向z1方向最大地表沉降量為1.803 6 m，由于工作面走向方向地表沉降數(shù)據(jù)更能直觀地反映工作面回采對于地表沉降的影響，且63上06工作面僅回采了442 m，因此將w10～w25這16個能覆蓋63上06工作面回采寬度的測點(diǎn)作為研究重點(diǎn)，對其地表沉降進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算。

圖10 東灘煤礦6采區(qū)63上06工作面地表沉降監(jiān)測點(diǎn) 布置圖Fig.10 Ground subsidence monitoring point layout of working face 63upper06 of No.6 mining area of Dongtan coal mine

4.2 地表沉降模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果的對比分析

為了驗(yàn)證模擬計(jì)算結(jié)果的可靠性，在數(shù)值模型上對應(yīng)w10～w25的相應(yīng)位置布置測點(diǎn)，將63上06工作面回采200 m、300 m、400 m、442 m時的模擬地表沉降數(shù)據(jù)與63上06工作面回采442 m的實(shí)測地表沉降數(shù)據(jù)繪制成的地表沉降曲線進(jìn)行了對比，見圖11。

圖11 東灘煤礦6采區(qū)63上06工作面地表沉降曲線圖Fig.11 Surface subsidence curves of working face 63upper06

由圖11可知：模擬結(jié)果整體上略大于實(shí)測結(jié)果，兩者地表累計(jì)沉降數(shù)據(jù)基本吻合，相差最大不超過15 mm，大部分對應(yīng)監(jiān)測點(diǎn)的地表沉降數(shù)據(jù)相差小于6 mm，平均誤差僅為8%，且地表沉降變化趨勢基本一致，說明模擬計(jì)算結(jié)果的可信度較高。

此外，由圖11可見：地表沉降曲線為“U”字形，呈現(xiàn)“小—大—小”的沉降趨勢，且由于63上06工作面回采方向?yàn)閺淖笾劣?，故左?cè)地表沉降量大于右側(cè)地表沉降量，模擬得到工作面回采200 m、300 m、400 m、442 m時的地表最大沉降量分別為0.4 m、0.828 m、1.487 m、1.792 m，由此可知沉降速率呈逐步增大的趨勢，發(fā)生最大地表沉降的位置大致位于工作面中心偏左。模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況基本吻合，地表沉降趨勢符合普遍規(guī)律，可信度高，表明建立的數(shù)值模型可為同類煤礦地表沉降的預(yù)測提供借鑒。

5 結(jié) 論

本文以兗礦集團(tuán)東灘煤礦6采區(qū)63上04、63上05、63上06工作面為研究背景，采用UDEC離散元軟件數(shù)值模擬的方法，基于微震及地表沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)，探究煤層回采過程中覆巖垮落形式、導(dǎo)水裂隙帶高度、“三帶”分布、覆巖應(yīng)力分布和地表沉降規(guī)律，得到結(jié)論如下：

(1) 根據(jù)沿工作面回采方向(z1方向)煤層回采后覆巖移動的數(shù)值模擬結(jié)果，基于微震及地表沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)可知：隨著煤層回采寬度的增加，覆巖的破壞形式逐漸由大塊整體垮落轉(zhuǎn)變?yōu)榇笞冃?；發(fā)生礦震能量由大變小并趨于平穩(wěn)；導(dǎo)水裂隙帶高度由迅速升高轉(zhuǎn)至基本不變，最后穩(wěn)定在85 m，與經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果吻合，據(jù)此確定了覆巖的三帶分布；工作面回采完畢后，采空區(qū)上方巖體發(fā)生斷裂或發(fā)生大變形部位形成三角拉應(yīng)力帶，采空區(qū)兩端形成了豎向應(yīng)力峰值為50 MPa的超前支撐壓力帶，距采空區(qū)邊緣約為20～30 cm。

(2) 根據(jù)沿垂直工作面回采方向(z2方向)煤層回采后覆巖移動的數(shù)值模擬結(jié)果可知：由于緊鄰采空區(qū)的存在，且采空區(qū)間煤柱因受到的豎向應(yīng)力超過其抗壓強(qiáng)度而破壞，導(dǎo)致63上06工作面在回采后引起了覆巖豎向位移的迅速增大，波及地表。

(3) 經(jīng)數(shù)值計(jì)算得到，煤層回采過程中地表沉降數(shù)值呈“小—大—小”趨勢，沉降速率逐漸增大，地表沉降曲線為“U”字形，地表最大沉降量位于工作面中心偏左，左側(cè)地表沉降量大于右側(cè)地表沉降量。將模擬數(shù)據(jù)與現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，平均誤差僅為8%，表明本文模擬結(jié)果的可信度較高。