近距离下煤层上覆岩层裂隙发育规律与上行开采研究

张志勇，刘媛媛，李延锋

(新汶矿业集团有限责任公司，山东 新泰 271219)

煤炭作为重要的能源矿产资源之一，在世界一次能源消费量中占25%，在我国国民经济中也占有举足轻重的地位。随着社会现代化建设进程的加快，科技发展日新月异，社会进步突飞猛进，国计民生所消耗的煤炭资源越来越多，而煤炭是不可再生资源，要求我们除了寻求新的替代能源外还必须节约资源，提高煤炭资源回收率。事实上，矿井建井初期探勘技术相对落后、近距离下煤层煤质较好率先被采等原因，导致很多采空区上方存在大量被遗弃的可采煤层。随着煤炭开采机械化程度的加大，优质资源开采殆尽，矿井剩余资源逐渐枯竭，如何安全、高效地回收上部遗留的煤炭资源，成为众多煤炭企业所面临的技术难题。上行开采技术为搁置的煤炭资源安全高效回收提供了技术途径，但存在近距离下煤层开采后形成的裂隙带或弯曲带破坏上煤开采，同时受下煤采动造成的集中应力影响，导致上煤巷道围岩整体性变差，甚至出现台阶式破坏，导致近距离上煤无法安全高效回采。因此研究近距离煤层群上行开采覆岩裂隙发育规律、岩层结构平衡条件、开采可行性判别以及工作面矿压显现规律等问题对近距离煤层上行开采至关重要，对于安全高效生产、减少资源浪费、延长矿井寿命和保障社会稳定等也都具有重大意义。

为有效解决近距离煤层开采带来的一系列技术问题，国内外采矿专家长期以来从不同技术层面展开研究。王春源等[1]采用概率积分法预测了8901工作面煤层变形破坏情况，分析采区残留小煤柱采空区上行开采可行性；孙闯等[2]采用理论分析、试验室实验等方法研究了大采高综采采空区条件下上行开采关键问题；姜耀东等[3]通过建立力学模型，研究了大面积巷式采空区覆岩破坏机理及上行开采可行性，揭示了大面积巷式采空区上覆岩层破坏失稳机理及巷式开采下顶板岩层应力分布规律。以上学者研究取得了一定的成果，对近距离煤层上行开采有一定的指导意义[4-17]，但对近距离煤层群上行开采覆岩裂隙发育规律的研究还需进一步突破。

本研究以某矿近距离下伏9煤开采对上覆5煤的影响为研究背景，分析了近距离煤层下煤开采后顶板岩层裂隙发育规律及应力分布规律，论证了近距离煤层上行开采的可行性，为近距离煤层安全高效开采提供技术参考。

1 地质概况

该矿9煤某工作面位于-400水平，平均煤层厚度3 m，倾角4°，直接顶为砂质泥岩，顶板稳定性较好，裂隙发育程度低；直接底为砂质泥岩，硬度较软，遇水膨胀软化程度小。9煤上覆可采煤层为5煤，两者层间距平均60 m。本研究借助9煤某工作面开采为工程背景，研究9煤开采后上覆岩层裂隙发育规律及对5煤开采的影响，论证了近距离煤层上行开采的可行性。

2 理论分析

2.1 三带判别法

9煤开采之后，上覆岩层也随之发生垮落、断裂和弯曲下沉，上下煤层的层间距大于下煤层的裂隙带高度时，5煤层只发生整体移动，整体性不受破坏，可正常进行上行开采。根据9煤综合柱状图知，该煤层顶板岩性主要为砂岩、泥岩、灰岩，为中硬岩层，垮落带和导水裂隙带高度经验公式：

式中，Hm为垮落带高度，m；Hli为导水裂隙带高度，m；M为下煤层采高，m。

将9煤层采高3 m代入式中得：Hm=6.86～11.26 m；Hli=30.11～41.31 m。

由上述计算知9煤开采后导水裂隙带平均36 m，小于5煤与9煤层间距60 m，位于9煤弯曲下沉带内，上行开采具有可行性。

2.2 比值分析法

比值法是将采厚和层间距作为判定上行开釆是否可行关键因素即借助式(3)分析上行开采的可行性：

K=H/M

(3)

式中，H为两煤层之间的距离，m；M为下煤层的采高，m。

中硬岩层采动影响系数K达到7.5以上即可论证近距离煤层上行开采是可行的。

根据该矿地质资料9煤层平均采高3.0 m。5煤与9煤层平均60 m。将9煤厚度及与5煤的层间距代入式(3)中计算得到K为19.99，大于中硬岩层K值7.5。因此9煤开采后5煤开采是可行的。

2.3 围岩平衡法

在下煤层开采过程中，上覆岩层不发生台阶式错动的平衡岩层结构称为平衡岩层，从下部煤层的顶板至平衡岩层最上端的高度称为平衡围岩高度，当上覆岩层岩性为坚硬或中硬时，则平衡岩层应在上部煤层之下即论证近距离煤层上行开采是可行的。借助于式(4)分析计算9煤开采后5煤安全开采的必要层间距H：

式中，M为下煤层采高，m；K1为岩石碎胀系数，取1.15～1.20；h为平衡岩层本身厚度，m。

将9煤采高3.0 m及碎涨系数1.2带入式(4)得围岩平衡法满足必要的层间距为H=45.71 m，该值小于5煤与9煤的层间距。因此，煤层上行开采具有可行性。通过上述三种理论分析，论证了9煤开采后5煤开采是可行的。

3 数值模拟

3.1 模型建立

数值模型的建立主要研究近距离煤层下伏9煤工作面开采后上覆岩层塑性变形区分布的基本特征，进而反映上覆5煤工作面矿山压力显现的基本规律。

由该矿地质条件知9煤厚度为3.0 m，煤层埋深390.8 m，模拟试验共模拟岩层20层。模型方案如下：方案一模拟采煤工作面开采过程，模型的几何尺寸设计为1200 m×340 m×103 m，方案二模拟采煤工作面区段煤柱，模型的几何尺寸为1200 m×600 m×103 m。将5煤上覆303 m厚的岩层重量产生的应力7.6 MPa施加在模型上部边界上。根据工作面现场取芯试验，选取岩层力学参数见表1，所建模型如图1所示。

图1 数值模型网格模型Fig.1 Numerical model grid model

表1 岩层岩石力学参数Table 1 Rock mechanics parameters of rock layers

根据建立的数值模型，研究近距离下伏9煤开挖后上覆岩层变形破坏的特征以及对塑性变形区的分布状态，分析上覆5煤开采的可行性。

3.2 围岩塑性区分析

随着采煤工作面的推进，围岩的应力平衡状态被破坏，工作面上覆岩层产生破坏运动，并对工作面以及工作面两侧巷道的矿压显现程度产生直接的影响。9煤工作面推进1000 m后覆岩整体发生下沉、产生塑性区以及垂直位移距离。数值模拟塑性区及垂直位移分布如图2、图3所示。

图2 塑性区分布Fig.2 Distribution of plastic zone

图3 煤层开采覆岩垂直位移(m)Fig.3 Vertical displacement of overlying strata during coal seam mining

分析图2、图3可知，9煤开采后上覆5煤位于9煤层开采后形成的塑性区域内，5煤层周边产生塑性破坏，表现为为煤(岩)层整体下沉，上覆5煤采取措施后可正常开采。由图2知5煤底板有数层较厚石灰岩，在垮落过程中坚硬灰岩会起到关键层的作用，控制5煤的沉降，减缓了下部垮落向上部岩层发育，保护了上部煤层的完整性，使得近距离煤层上行开采安全可行。

煤层开采覆岩应力分布如图4所示。分析图4可知，9煤层开采后上覆岩层在初次运动后随着采煤工作面继续推进，采煤工作面基本顶发生离层并产生断裂运动，压力释放破坏冒落至采空区，并逐步向上发展，下部煤层开采后降低了上部煤层的围岩强度使得工作面上覆岩层均处于一种卸压状态，9煤开采后5煤的应力得到了一定释放，应力处在相对稳定状态，进一步论证了近距离煤层开采上行开采的可行性。

图4 煤层开采覆岩应力分布(Pa)Fig.4 Stress distribution of overlying strata during coal seam mining

3.3 区段煤柱留设覆岩规律分析

近距离煤层群下伏煤层相邻两工作面间留设保护煤柱时，位于煤柱上方的煤(岩)层下沉不均匀，岩层面向移动盆地中心倾斜，下沉曲线呈凸形，产生拉伸变形。当拉伸变形值超过岩层的强度极限时，岩层即产生裂缝，垂直位移应力分布如图5所示。

图5 区段煤柱垂直位移分布(m)Fig.5 Vertical displacement cloud map of district coal pillar

分析图5得工作面回采结束后顶板下沉并一直向上发育，但由于工作面保护煤柱的留设使得煤柱上方与采空区上方岩层下沉不均匀，煤柱处下沉影响区域约在煤柱左右两侧各20 m。

区段煤柱垂直应力分布如图6所示。分析图6可知9煤开采过后，上覆5煤层处于应力降低区域，且位于“三带”的缓慢下沉带。当留设工作面保护煤柱时，煤柱处会有较大的应力集中，集中区域高度可达到15～20 m。因此，留设保护煤柱进行上行开采，不会存在应力集中现象，对上部煤层不会造成影响损害。

图6 区段煤柱垂直应力分布(Pa)Fig.6 Vertical stress cloud map of coal pillar in section

通过数值模拟技术分析近距离煤层9煤工作面开采后的矿山压力显现特征、覆岩运动和发展规律等问题，得出近距离上覆5煤层位于9煤层开采后形成的塑性区域内，上部煤层有塑性破坏，主要表现为煤(岩)层整体下沉现象。在留设保护煤柱区域不会存在应力集中现象，煤柱应力集中高度可达15～20 m，小于层间距60 m，对上覆5煤层的开采不会造成损害，因此，近距离煤层下伏煤层开采留设一定尺寸的煤柱会对上覆煤层起到保护作用，进一步论证了近距离煤层上行开采的可行性。

4 物理模拟实验

4.1 物理模拟相似条件

根据该矿9煤工作面走形长度和煤层的埋深，设计模型岩层数与数值模拟相同，共模拟岩层20层。煤层的开采过程用全部垮落法管理顶板，一次采煤高度为3 m，模型比例1∶100，模型整体高度为107 cm。9煤工作面开采由模型左边向右边推进，模型两边界隔留设25 cm煤柱以减少模型本身的边界效应，实验中模拟工作面推进速度每次推进10 cm，间隔35～45 min，相似材料配比见表2。

表2 材料配比Table 2 Material proportions

4.2 模型开挖及实验数据分析

9煤工作面自切眼开始推进至20 cm时，煤层上覆岩层之间开始发生离层，第三次开挖过程中直接顶两端开始出现裂纹，随着离层的扩展，直接顶迅速下沉并发生垮落，垮落高度为3 cm。随着工作面的继续推进，直接顶成为悬臂梁状态，当达到垮落跨度时自行垮落，其周期垮落步距为7 cm左右，如图7所示。

图7 直接顶周期垮落Fig.7 Immediate roof cycle collapse

当推进至90 cm处，距离9煤顶板24 cm处有一层较厚且硬的石灰岩，厚度约6 cm。随工作面推进，煤层上部岩层产生近2 cm的离层并贯穿整个工作面。该离层阻断了下部岩层的垮落和裂隙发育向上部岩层的传递。但随着工作面的进一步推进，悬露面积逐渐变大，石灰岩上部开始产生小离层。

9煤工作面开采过程中直接顶呈现周期性垮落，上覆岩层出现离层、裂缝、弯曲下沉等现象且从低层向高层逐渐发展，先垮落堆积的低位岩层以及发育的微裂隙被逐渐压实。基本顶也随着9煤工作面推进而弯曲、下沉，基本顶中部岩层下沉与直接顶接触后将垮落的直接顶压实，工作面左端岩层虽已断裂但与边界有力的作用，右端产生裂缝未断裂。开采结束最终现象如图8所示。

图8 煤层开挖全过程Fig.8 The entire process of coal seam excavation

当近距离下伏9煤开采完毕后，随着开采时间的延长，煤层上覆岩层离层及裂隙逐渐压实闭合，由于5煤底板岩层存在坚硬石灰岩，该煤层整体较为完整，煤层位于下伏9煤开采形成的弯曲下沉带中，通过现场监测，5煤最大下沉值10 mm，对工作面的安全回采没有影响，近距离9煤开采后5煤最终形态如图9所示。

图9 5煤最终下沉状态Fig.9 Final sinking state of No.5 coal seam

随着工作面不断推进，9煤层上方的岩层的悬露跨度不断增大，并逐渐产生岩层断裂。根据实验需要在9煤上部20 cm处设置位移监测线，监测点数据如图10所示。该测线内岩层随着工作面推进，“随采随落”，岩层垮落高度符合9煤采后形成的“垮落带”高度，多在15 mm，最大下沉量为23 mm。由图10可知，9煤层上覆石灰岩的作用阻断了岩层破坏运动的发展，使得5煤处于弯曲下沉带中，保证了该煤层的完整性。因此，近距离下伏9煤开采后上覆5煤开采安全可行。

图10 9煤上20 cm监测线Fig.10 Monitoring line 20 cm above No.9 coal seam

5 结 论

1)通过上行开采理论分析，其中：三带判别法知近距离煤层9煤开采后上覆岩层垮落带高度平均9 m，导水裂隙带高度36 m；比值分析法得K为19.99，大于中硬岩层K值7.5；围岩平衡法得上覆5煤安全开采的必要层间距为45 m，5煤与9煤层间距为60 m远在必要层间距45 m之上；因此，通过理论分析得出近距离煤层下伏9煤开采后上覆5煤层开采是可行的。

2)数值模拟表明，近距离煤层下伏9煤层工作面开采后上覆5煤层位于下煤层开采后形成的塑性区域内。在留设保护煤柱区域不会存在应力集中现象，煤柱处应力集中高度可达15～20 m小于5煤与9煤的层间距60 m，对上覆5煤层的开采不会造成损害，因此，近距离下伏煤层开采留设一定尺寸的煤柱会对上覆煤层起到保护作用，同时论证了近距离煤层上行开采的可行性。

3)物理模拟实验表明，近距离下伏9煤层工作面开采后，5煤位于弯曲下沉带中，整体完整、连续，没有受到较大破坏，因此近距离下伏9煤开采后5煤开采是可行的，论证了近距离煤层上行开采的可行性。通过对模型下沉进行观测得到，5煤最大下沉值为10 mm，垮落带高度基本在15 cm左右，符合矿山压力及覆岩运动发展规律。