淺埋高強(qiáng)度開采覆巖結(jié)構(gòu)演化及地表?yè)p傷研究

徐祝賀，李全生，李曉斌，張國(guó)軍，楊玉亮，何文瑞，吳曉宇

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 能源與礦業(yè)學(xué)院，北京 100083; 2.山西大同大學(xué) 煤炭工程學(xué)院，山西 大同 037003; 3.煤炭開采水資源保護(hù)與利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100011)

淺埋高強(qiáng)度開采是近年來(lái)研究的熱點(diǎn)[1-4]，相對(duì)于埋深較大且開采強(qiáng)度較低的情況來(lái)說(shuō)淺埋高強(qiáng)度開采引起的巖層及地表?yè)p傷呈現(xiàn)出新的特點(diǎn)，比如上覆巖層破壞嚴(yán)重出現(xiàn)“兩帶”特點(diǎn)[5]、工作面來(lái)壓強(qiáng)烈[6]、地表?yè)p傷嚴(yán)重等[7]。為實(shí)現(xiàn)煤炭資源高效綠色開采和生態(tài)環(huán)境保護(hù)協(xié)調(diào)發(fā)展，進(jìn)行淺埋高強(qiáng)度開采覆巖結(jié)構(gòu)演化及地表?yè)p傷研究十分必要且緊迫。

對(duì)于煤層埋深雖然相關(guān)文獻(xiàn)中不乏“淺埋煤層”[8-11]、“深井”[12-15]等顯示煤層賦存深淺的表達(dá)，但目前沒有關(guān)于煤層埋藏深淺的明確統(tǒng)一劃分。其中黃慶享[16]認(rèn)為淺埋煤層是埋藏淺、基載比小，基本頂為單一關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)的煤層，并給出了淺埋煤層的判定指標(biāo):埋深不超過(guò)150 m，基載比小于1。張建民、李全生等[17]通過(guò)研究建立了基于我國(guó)地殼淺部和煤礦礦區(qū)準(zhǔn)凈水壓力環(huán)境的深部煤炭開采界定準(zhǔn)則和方法，以平均地應(yīng)力場(chǎng)側(cè)壓系數(shù)為測(cè)定指標(biāo)，提出我國(guó)中東部煤礦礦區(qū)參考深部開采臨界深度為850～900 m;而西部(陜、蒙等)地下水豐富的礦區(qū)在500～600 m即可達(dá)到實(shí)際深部開采臨界深度，采深400～500 m時(shí)大采高工作面兩端外側(cè)局部顯現(xiàn)出深部力學(xué)狀態(tài)，基于此筆者關(guān)于煤層埋深范圍的研究將不超過(guò)400 m。關(guān)于高強(qiáng)度開采已有諸多研究，其中譚志祥等[18]把較大的推進(jìn)速度、寬深比、回采率定義為高強(qiáng)度開采;范立民[19]認(rèn)為二維平面上開采面積占比大、三維空間上開采尺寸大、時(shí)間上推進(jìn)速度快。郭文兵等[20]認(rèn)為高強(qiáng)度開采是厚煤層(煤層厚度M≥3.5 m)綜合機(jī)械化一次采全高、工作面尺寸較大(工作面長(zhǎng)度L≥200 m)、推進(jìn)速度較快(推進(jìn)速度v≥5 m/d)、工作面單產(chǎn)較大(一般500～1 000萬(wàn)t/a以上，最小300萬(wàn)t/a)、工作面深厚比較小(H/M<100)、覆巖與地表破壞嚴(yán)重的高產(chǎn)高效采煤方法。郭俊廷[21]認(rèn)為高強(qiáng)度開采是指引起覆巖或地表劇烈移動(dòng)的開采方式，并給出了判斷指標(biāo):地表最大下沉速度vmax>200 mm/d，開采深厚比H/M<30，地表裂縫寬度及條數(shù)(裂縫帶)nD>300 mm或D>100 mm且主裂縫間距小于30 m，液壓支架工作面阻力大于等于11 000 kN，且動(dòng)載系數(shù)大于1.5或出現(xiàn)壓架、頂板臺(tái)階下沉大于30 cm等。

目前對(duì)于覆巖結(jié)構(gòu)演化[22-23]已有研究并取得了一定的成果，但對(duì)淺埋高強(qiáng)度開采覆巖“拱”結(jié)構(gòu)演化規(guī)律研究的相對(duì)較少。煤層開采后上覆巖層破斷運(yùn)移及地表?yè)p傷是受多方面因素的綜合影響，而對(duì)于淺埋高強(qiáng)度開采引起的地表?yè)p傷一般是變化單一影響因素[24-25]進(jìn)行研究。為厘清淺埋高強(qiáng)度開采條件下上覆巖層“拱”結(jié)構(gòu)演化規(guī)律，探究不同煤層采高、不同煤層埋深、不同工作面長(zhǎng)度情況綜合影響下地表?yè)p傷規(guī)律，筆者以神東礦區(qū)典型工作面開采為工程背景開展研究。

1 工程概況

神東礦區(qū)上灣煤礦12401工作面是典型的淺埋深、大采高、大工作面、快速推進(jìn)一次采全厚的高強(qiáng)度開采工作面。煤層平均埋深180 m，煤層厚度平均8.8 m，實(shí)際開采的煤層厚度為8.2 m，工作面長(zhǎng)度300 m，推進(jìn)速度平均12 m/d。

2 淺埋高強(qiáng)度開采覆巖結(jié)構(gòu)演化

2.1 模型的建立

上灣礦12401工作面168號(hào)鉆孔揭露的煤層埋深和平均埋深接近，故本次模型依據(jù)168號(hào)鉆孔揭露的煤層及其上覆巖層分布情況，并經(jīng)過(guò)一定的簡(jiǎn)化進(jìn)行建模。實(shí)驗(yàn)室獲得的煤巖力學(xué)參數(shù)見表1。煤巖層分布見表2。

本次研究所建立的模型尺寸為長(zhǎng)×高=500 m×220 m，煤層厚度8.2 m、煤層埋深180 m，煤層底板厚度為40 m。為消除邊界影響兩邊界各留設(shè)120 m寬的煤柱。本次模擬總計(jì)開挖長(zhǎng)度260 m。為記錄在開采過(guò)程中應(yīng)力、位移等變化，在模型不同位置巖層中設(shè)置了9條測(cè)線，測(cè)線位置如圖1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)室煤巖物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of coal and rock in laboratory

表2 煤巖層分布Table 2 Distribution of coal seam and rock stratum

圖1 測(cè)線布置Fig.1 Location of survey line

在工作面開采過(guò)程中進(jìn)行了一系列的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，觀測(cè)結(jié)果顯示工作面上方基本頂初次破斷距離約為50 m。當(dāng)工作面推進(jìn)100 m左右時(shí)，地表開始出現(xiàn)下沉，模擬研究結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況較吻合。在此基礎(chǔ)上，開展淺埋高強(qiáng)度開采條件下上覆巖層結(jié)構(gòu)演化和不同開采條件下地表?yè)p傷規(guī)律的研究。

2.2 淺埋高強(qiáng)度開采不同推進(jìn)距離覆巖應(yīng)力變化規(guī)律

工作面推進(jìn)不同距離時(shí)的覆巖應(yīng)力云圖如圖2所示(限于篇幅僅顯示部分代表性圖片)。工作面推進(jìn)20 m直接頂垮落，覆巖應(yīng)力分布變化不大。當(dāng)推進(jìn)到60 m時(shí)基本頂發(fā)生初次破斷，基本頂上方局部巖層中出現(xiàn)了拉應(yīng)力區(qū)，工作面前方出現(xiàn)了應(yīng)力集中區(qū)且隨工作面的推進(jìn)而前移。

當(dāng)工作面推進(jìn)到80 m時(shí)上覆巖層中的拉應(yīng)力區(qū)向上延伸至地表。當(dāng)工作面推進(jìn)到100 m時(shí)，巖層拉應(yīng)力區(qū)出現(xiàn)橫向擴(kuò)展，同時(shí)在開切眼對(duì)應(yīng)地表位置的后方和工作面煤壁對(duì)應(yīng)地表位置的前方開始出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū)。當(dāng)拉應(yīng)力超過(guò)地表土體的抗拉強(qiáng)度，在地表超前工作面一定距離及滯后開切眼一定距離地方出現(xiàn)拉裂縫即地表裂縫，如圖3所示。其中開切眼對(duì)應(yīng)地表位置后方的拉應(yīng)力區(qū)范圍和位置基本保持不變，而工作面煤壁對(duì)應(yīng)地表位置前方的拉應(yīng)力區(qū)范圍同樣基本保持不變，但拉應(yīng)力區(qū)的位置隨工作面的不斷推進(jìn)而不斷前移。

當(dāng)工作面推進(jìn)120 m時(shí)，開采區(qū)域上覆巖層中的拉應(yīng)力區(qū)開始出現(xiàn)橫向分離現(xiàn)象，其中開切眼側(cè)的拉應(yīng)力區(qū)范圍和位置基本保持不變，工作面煤壁側(cè)的拉應(yīng)力區(qū)隨工作面的推進(jìn)而前移，拉應(yīng)力區(qū)巖層因受拉發(fā)生破壞存在裂縫，采空區(qū)垮落巖石在自重作用下逐漸壓實(shí)。

當(dāng)工作面推進(jìn)到140 m時(shí)，垮落覆巖下部的重新壓實(shí)區(qū)明顯顯現(xiàn)，而且局部出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，出現(xiàn)了應(yīng)力集中區(qū)。壓力拱假說(shuō)認(rèn)為煤層開采后在上覆巖層中存在壓力拱，壓力拱的兩個(gè)拱腳一個(gè)在未開采區(qū)域，另一個(gè)在采空區(qū)中的重新壓實(shí)區(qū)，模擬結(jié)果中出現(xiàn)的應(yīng)力重新分布現(xiàn)象符合壓力拱假說(shuō)。

當(dāng)工作面推進(jìn)到160，180 m時(shí)，垮落的上覆巖層中的重新壓實(shí)區(qū)在縱向和橫向不斷擴(kuò)大，應(yīng)力集中區(qū)也在不斷擴(kuò)大。當(dāng)工作面推進(jìn)到200 m時(shí)，重新壓實(shí)區(qū)開始出現(xiàn)2個(gè)應(yīng)力集中區(qū)，如圖2(c)所示。新增的應(yīng)力集中區(qū)范圍隨工作面的繼續(xù)推進(jìn)不斷增大直至工作面開采至260 m達(dá)到超充分開采狀態(tài)。

此時(shí)圖2(d)中分布在開采區(qū)域兩側(cè)的巖層拉應(yīng)力區(qū)和曹志國(guó)等[26]關(guān)于開采后上覆巖層中的主導(dǎo)水通道位置分布一致，如圖4所示，說(shuō)明此區(qū)域巖層中受拉應(yīng)力作用分布著導(dǎo)水裂隙。

圖3 工作面中部地表裂縫Fig.3 Surface cracks in the middle of working face

圖4 采動(dòng)覆巖導(dǎo)水裂隙分區(qū)及其主通道分布剖面模型Fig.4 Partition of water-conducted fracture in overlying strata and the distribution model of main channel

2.3 淺埋高強(qiáng)度開采不同推進(jìn)距離煤層中及采空區(qū)應(yīng)力變化規(guī)律

為更好的說(shuō)明煤體及采空區(qū)應(yīng)力的變化規(guī)律，圖5分別列出了工作面推進(jìn)20～260 m時(shí)采空區(qū)應(yīng)力變化情況。

從圖5中可以看出隨工作面推進(jìn)距離不同，采空區(qū)應(yīng)力分布可以分為3個(gè)階段，第1階段為工作面推進(jìn)20～140 m，巖層垮落后為自然堆積狀態(tài)，此時(shí)采空區(qū)應(yīng)力值較小，應(yīng)力值均在2 MPa以下。第2階段為工作面推進(jìn)160～180 m，采空區(qū)一處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力呈單峰分布狀態(tài)，工作面推進(jìn)160和180 m時(shí)的峰值應(yīng)力分別為13.9和13.5 MPa。第3階段為工作面推進(jìn)200～260 m，采空區(qū)兩處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力呈雙峰分布狀態(tài)。

圖5 工作面推進(jìn)不同距離時(shí)采空區(qū)應(yīng)力分布規(guī)律Fig.5 Stress distribution law of goaf with different distance of working face advancing

為探究淺埋高強(qiáng)度開采過(guò)程中煤層及采空區(qū)峰值應(yīng)力變化規(guī)律，統(tǒng)計(jì)了包括工作面前方煤體中峰值應(yīng)力、開切眼后方煤體中峰值應(yīng)力、中部采空區(qū)覆巖底板處的峰值應(yīng)力(從工作面推進(jìn)到200 m時(shí)，中部采空區(qū)覆巖在底板處出現(xiàn)了2個(gè)應(yīng)力集中區(qū))，如圖6所示。

圖6 工作面推進(jìn)不同距離時(shí)煤層及采空區(qū)峰值應(yīng)力變化規(guī)律Fig.6 Change rule of the peak stress of coal seam and goaf when the working face advances different distance

開切眼后方煤體峰值應(yīng)力在工作面從開始開采到推進(jìn)160 m期間一直在逐漸增大，其值從推進(jìn)20 m時(shí)的5.5 MPa增加到推進(jìn)160 m時(shí)的9.2 MPa，工作面繼續(xù)推進(jìn)直到260 m時(shí)，應(yīng)力值略有減小，保持在8.9 MPa。

工作面前方煤體峰值應(yīng)力在工作面推進(jìn)20～120 m基本保持緩慢增長(zhǎng)，但在推進(jìn)到100 m時(shí)略有下降。當(dāng)推進(jìn)到140 m時(shí)峰值應(yīng)力有較大增幅，此時(shí)其值達(dá)到11.25 MPa。然后工作面推進(jìn)160和180 m時(shí)，應(yīng)力降到7 MPa，隨后又增大到8.2 MPa，之后基本保持穩(wěn)定。

采空區(qū)覆巖峰值應(yīng)力相對(duì)煤體中的峰值應(yīng)力變化較為復(fù)雜。工作面從開切眼到推進(jìn)至140 m期間，峰值應(yīng)力不斷增大，但其值均在2 MPa以下。推進(jìn)到160 m時(shí)峰值應(yīng)力陡增到13.9 MPa，推進(jìn)到180 m時(shí)峰值應(yīng)力為13.5 MPa，出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力集中系數(shù)為3。推進(jìn)到200～260 m期間采空區(qū)覆巖應(yīng)力集中區(qū)分成了2個(gè)區(qū)。在推進(jìn)到200，220，240，260 m時(shí)，2個(gè)應(yīng)力集中區(qū)的峰值應(yīng)力分別為(9.8，5.2 MPa)，(8.1，11.3 MPa)，(7.9，11.0 MPa)，(6.1，13.9 MPa)。

結(jié)合圖2，5，6分析工作面開采過(guò)程中上覆巖層壓力拱結(jié)構(gòu)的演化規(guī)律。從開切眼至推進(jìn)到超充分開采距離時(shí)，上覆巖層大體上經(jīng)歷了3個(gè)階段，第Ⅰ階段:無(wú)壓力拱階段;第Ⅱ階段:單壓力拱階段;第Ⅲ階段:雙壓力拱階段，其中第Ⅲ階段又分為Ⅲ1(采空區(qū)單拱腳階段)和Ⅲ2(采空區(qū)雙拱腳階段)2個(gè)階段。

工作面從開切眼到推進(jìn)40 m期間，開切眼后方和工作面前方煤體中應(yīng)力較原巖應(yīng)力增大不多，此時(shí)基本頂沒有破斷，覆巖中不存在壓力拱。

在工作面推進(jìn)40～160 m過(guò)程中，基本頂及其上覆巖層逐漸發(fā)生破壞，壓力拱在上覆巖層中逐漸形成，隨著壓力拱跨度的不斷增大，采空區(qū)前后煤體中的拱腳處峰值應(yīng)力不斷增大。當(dāng)推進(jìn)到140 m時(shí)，工作面前方煤體中峰值應(yīng)力達(dá)到最大值11.25 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為2.5，此時(shí)上覆巖層中的壓力拱結(jié)構(gòu)達(dá)到了極限狀態(tài)。在此階段覆巖中壓力拱的存在能夠?qū)吧戏街敝恋乇淼膸r土層起到支撐作用，使得地表不發(fā)生沉陷也不產(chǎn)生地表裂縫。

工作面從140 m繼續(xù)推進(jìn)到160 m期間，上覆巖層中單個(gè)壓力拱結(jié)構(gòu)演化過(guò)渡到了雙壓力拱階段的Ⅲ1階段。當(dāng)推進(jìn)到160 m時(shí)，由于雙壓力拱的形成，工作面前方煤體中的峰值應(yīng)力明顯下降，此時(shí)采空區(qū)新形成的拱腳處峰值應(yīng)力明顯增大，峰值應(yīng)力值為13.9 MPa。當(dāng)推進(jìn)到180 m時(shí)，采空區(qū)上覆巖層結(jié)構(gòu)保持Ⅲ1階段狀態(tài)。從180 m推進(jìn)到200 m期間，采空區(qū)在原拱腳和工作面煤壁之間逐漸演化出一個(gè)新的應(yīng)力集中區(qū)，從而在采空區(qū)中形成2個(gè)應(yīng)力集中區(qū)(2個(gè)拱腳)。推進(jìn)到200 m時(shí)，上覆巖層結(jié)構(gòu)開始進(jìn)入雙壓力拱階段的Ⅲ2階段。由于新形成的拱腳區(qū)域較小，故此處的峰值應(yīng)力逐漸增大，當(dāng)拱腳區(qū)域隨工作面推進(jìn)逐漸增大時(shí)，峰值應(yīng)力將有所減小并保持穩(wěn)定值。新形成的應(yīng)力集中區(qū)和工作面前方煤體應(yīng)力集中區(qū)成為工作面煤壁側(cè)上覆巖層中壓力拱的兩個(gè)拱腳，整個(gè)壓力拱將隨工作面的推進(jìn)不斷向前移動(dòng)。在此階段支撐地表的壓力拱結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，即由單壓力拱過(guò)渡到雙壓力拱，地表發(fā)生沉陷，下沉系數(shù)先增大后保持穩(wěn)定。同時(shí)地表產(chǎn)生地裂縫，其中在開采邊界對(duì)應(yīng)地表產(chǎn)生永久裂縫，而工作面中部對(duì)應(yīng)地表裂縫隨煤壁上方壓力拱的前移經(jīng)歷裂縫寬度增大、裂縫寬度減小、裂縫寬度穩(wěn)定、裂縫寬度再增大、裂縫寬度再減小5個(gè)階段。

由于采空區(qū)新增1個(gè)應(yīng)力集中區(qū)域，原較大應(yīng)力集中區(qū)域隨上覆巖層結(jié)構(gòu)的演變所承載的壓力將減小，故其峰值應(yīng)力將逐漸減小，正如圖6中所示采空區(qū)覆巖后部峰值應(yīng)力有所下降，之后工作面繼續(xù)推進(jìn)其值將達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值，開切眼后方煤體中應(yīng)力集中區(qū)和采空區(qū)原有的應(yīng)力集中區(qū)成為開切眼側(cè)上覆巖層中壓力拱的2個(gè)拱腳，此處的壓力拱將不隨工作面的推進(jìn)而前移，而是在原處保持穩(wěn)定存在。

3 淺埋高強(qiáng)度開采地表下沉規(guī)律

淺埋煤層經(jīng)歷高強(qiáng)度開采后上覆巖層逐層發(fā)生下沉和破斷，采動(dòng)損傷向上傳遞直至地表，導(dǎo)致地表?yè)p傷，表現(xiàn)為地表產(chǎn)生下沉和裂縫，對(duì)地表生態(tài)系統(tǒng)造成一定程度的破壞。其中開采后地表下沉受多方面因素的綜合影響，比如開采煤層開采厚度、煤層埋藏深度、工作面長(zhǎng)度、上覆巖層巖性及賦存特性等。

3.1 研究方案設(shè)計(jì)

神東礦區(qū)煤層傾角多為0°～5°，傾角較小，故本次研究煤層采厚、煤層埋深及工作面長(zhǎng)度3方面的因素對(duì)煤層開采后上覆巖層及地表下沉的影響規(guī)律，結(jié)合上述已有的關(guān)于淺埋高強(qiáng)度開采的研究成果，每個(gè)因素設(shè)置了6個(gè)水平，具體見表3。

表3 覆巖及地表下沉影響因素及水平Table 3 Influencing factors and its levels of overburden and surface subsidence m

西部礦區(qū)特別是神東礦區(qū)賦存煤層多是厚煤層和特厚煤層，但也存在開采中厚煤層的情況，比如烏蘭木倫煤礦2207工作面采厚為2.2 m，故選擇2 m作為研究的下限水平。3.5 m是厚煤層與中厚煤層的分界點(diǎn)。6和7 m是目前大采高一次采全厚開采中的典型厚度。本文依托的工程背景神東上灣煤礦12401工作面煤層平均厚度8.8 m，實(shí)際開采厚度8.2 m，故設(shè)置8.2 m為其中一個(gè)水平。為考慮本次研究的全面性，設(shè)置了10 m(屬特厚煤層)作為煤層厚度研究范圍的上限。

關(guān)于煤層埋深水平設(shè)置，截至目前神東礦區(qū)開采工作面的煤層埋深多小于300 m，但也不乏有一些礦井開采的煤層埋深超過(guò)300 m，另外考慮到已有關(guān)于煤層埋藏深淺的研究成果故設(shè)置400 m為煤層埋深研究的上限。12401工作面煤層平均埋深180 m。另外依據(jù)神東礦區(qū)煤層實(shí)際埋深情況還設(shè)置了60，150，250，300 m四個(gè)水平。

淺埋高強(qiáng)度開采工作面長(zhǎng)度目前多分布在200～400 m內(nèi)，但也有少數(shù)工作面長(zhǎng)度達(dá)到450 m[27]，而工作面長(zhǎng)度小于200 m的情況也存在。故結(jié)合實(shí)際情況本次研究工作面長(zhǎng)度分別設(shè)置了150，200，250，300，400，450 m。

為使研究結(jié)果更具有普適性，根據(jù)正交試驗(yàn)原理設(shè)計(jì)方案，為重點(diǎn)研究不同寬深比情況下地表下沉系數(shù)變化規(guī)律，從中選出寬深比在0.4～2.0的14個(gè)方案開展研究，具體見表4。

表4 不同工作面寬深比研究方案Table 4 Research scheme of width to depth ratio of different working faces

為使地表下沉系數(shù)和寬深比之間關(guān)系模擬研究的可靠性，14個(gè)方案中的煤巖層參數(shù)均采用研究12401工作面覆巖破斷運(yùn)移規(guī)律時(shí)所用參數(shù)。

14個(gè)方案中共有5種煤層埋深情況，其中150，180，250，300 m四種情況對(duì)應(yīng)的煤巖層分布是依據(jù)12401工作面相近埋深鉆孔所揭露的煤巖層實(shí)際賦存情況確定的，而埋深400 m所對(duì)應(yīng)的煤巖層分布是依據(jù)布爾臺(tái)礦BK01號(hào)鉆孔所揭露的煤巖層賦存情況確定的。

方案12是12401工作面實(shí)際地質(zhì)條件，將其作為基準(zhǔn)方案。其他4種煤層埋深每種包含的多個(gè)研究方案限于篇幅在此只列出一種煤巖層分布情況作為代表，具體見表5。為方便開展研究將其中一些厚度較小的巖層進(jìn)行了合并簡(jiǎn)化。

表5 埋深150，250，300，400 m煤巖層分布Table 5 Distribution of coal seam and rock stratum of buried depth 150，250，300，400 m

3.2 模擬研究結(jié)果分析

為加快研究速度并考慮研究結(jié)果的可靠性，首先采用每次開挖后運(yùn)算一定步數(shù)的方法模擬基準(zhǔn)方案12，并使其地表下沉結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際觀測(cè)值一致。在此基礎(chǔ)上，再用該方法運(yùn)算其他方案。

方案7，8，10，12研究所得的煤巖層下沉云圖結(jié)果代表如圖7所示。14種方案每種方案所對(duì)應(yīng)的下沉量及下沉系數(shù)見表6。將工作面的寬深比和研究所得的下沉系數(shù)擬合成曲線，如圖8所示。

圖7 方案7，8，10，12覆巖下沉位移云圖Fig.7 Nephogram of subsidence displacement of overburden in scheme 7,8,10,12

表6 14種方案研究結(jié)果Table 6 Research results of 14 schemes

圖8 下沉系數(shù)與寬深比的關(guān)系Fig.8 Relationship between subsidence coefficient and the ratio of width to depth

從圖8可以看出，地表下沉系數(shù)和寬深比的關(guān)系近似成拋物線關(guān)系，擬合方程為:y=-0.277 21x2+0.771 99x+0.123 6,(0.4≤x≤2.0),R2=0.840 91,是寬深比在[0.4,2.0]內(nèi)的擬合結(jié)果。

從圖8中可看出，寬深比在0.4～1.4時(shí)下沉系數(shù)總體呈不斷增大趨勢(shì)，隨著寬深比繼續(xù)增大，下沉系數(shù)穩(wěn)定在0.6附近波動(dòng)。圖9是《礦山開采沉陷學(xué)》[28]中現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)下沉系數(shù)和寬深比的關(guān)系，其中，y為地表下沉系數(shù),y=Wm/(mcosα);Wm為實(shí)測(cè)地表最大下沉值;m為煤層采厚;α為煤層傾角;x為寬深比,x=D1/H0;D1為工作面傾向長(zhǎng)(也就是開采區(qū)域?qū)挾?;H0為煤層平均采深。由圖8,9可知在寬深比相同范圍內(nèi)(<1.6)下沉系數(shù)分布規(guī)律基本一致，說(shuō)明研究結(jié)果在一定程度上能反應(yīng)實(shí)際開采情況下寬深比和下沉系數(shù)之間的關(guān)系。

圖9 實(shí)測(cè)下沉系數(shù)與寬深比關(guān)系Fig.9 Relationship between measured subsidence coefficient and the ratio of width to depth

為進(jìn)一步檢驗(yàn)擬合公式的適用性，選取神東礦區(qū)部分工作面進(jìn)行驗(yàn)證，具體情況及預(yù)測(cè)的地表下沉系數(shù)與誤差見表7。選擇神東礦區(qū)7個(gè)煤礦的開采工作面相關(guān)信息進(jìn)行驗(yàn)證。從表7可以看出下沉系數(shù)實(shí)測(cè)值和預(yù)測(cè)值的誤差分別是7.6%，14.5%，4.4%，7.5%，9.7%，9.7%，15.3%。最小誤差4.4%，最大誤差15.3%。其中5個(gè)工作面下沉系數(shù)實(shí)測(cè)值和預(yù)測(cè)值的誤差小于10%，誤差整體較小。可見采用數(shù)值模擬研究得出的擬合公式來(lái)進(jìn)行開采后地表下沉系數(shù)預(yù)測(cè)是可行的，預(yù)測(cè)結(jié)果具有一定參考價(jià)值。

表7 神東礦區(qū)部分工作面生產(chǎn)及地表移動(dòng)實(shí)測(cè)、預(yù)測(cè)信息Table 7 Production and actual measurement and prediction information of surface movement of some working faces in Shendong Mining Area

4 淺埋高強(qiáng)度開采地表裂縫模型

4.1 地表裂縫動(dòng)態(tài)發(fā)育周期模型

對(duì)神東上灣煤礦12401工作面開采時(shí)地表中部裂縫的動(dòng)態(tài)發(fā)育進(jìn)行了長(zhǎng)期觀測(cè)，觀測(cè)結(jié)果顯示中部地表裂縫動(dòng)態(tài)發(fā)育存在“雙周期”現(xiàn)象，且2個(gè)周期之間存在一個(gè)“穩(wěn)定期”，如圖10所示。

圖10 工作面中部地表裂縫寬度變化Fig.10 Variation of cracks width in middle of working face

另外胡振琪等[29]在神東礦區(qū)對(duì)工作面中部地表裂縫的觀測(cè)結(jié)果也顯示存在“雙周期+穩(wěn)定期”現(xiàn)象。

12401工作面地表裂縫從開始發(fā)育到第2個(gè)周期基本結(jié)束歷時(shí)18～20 d，為便于分析，本次以20 d為例且2個(gè)發(fā)育周期時(shí)間相等。工作面推進(jìn)速度平均12 m/d，在此期間推進(jìn)距離240 m，平均周期來(lái)壓步距15 m，實(shí)測(cè)顯示工作面每發(fā)生3次周期來(lái)壓地表?yè)p傷控制層發(fā)生1次周期破斷。則在1個(gè)完整的裂縫發(fā)育期間基本頂共發(fā)生周期來(lái)壓16次，地表?yè)p傷控制層將發(fā)生5次周期破斷。裂隙發(fā)育周期、周期來(lái)壓、地表?yè)p傷控制層破斷等各項(xiàng)指標(biāo)間的近似關(guān)系如圖11所示。

圖11 各項(xiàng)指標(biāo)關(guān)系Fig.11 Relationship of indicators

筆者以6塊破斷塊體來(lái)說(shuō)明地表裂縫的動(dòng)態(tài)發(fā)育過(guò)程，如圖12所示。

圖12 工作面中部地表裂縫發(fā)育過(guò)程Fig.12 Development process of surface cracks in the middle of working face

由圖12可知，隨著工作面的推進(jìn)將發(fā)生5次破斷，產(chǎn)生5條裂縫，每條裂縫都將先后經(jīng)歷同樣的5個(gè)發(fā)育階段，即裂縫寬度增大階段、裂縫寬度減小階段、裂縫寬度穩(wěn)定階段、裂縫寬度再增大階段、裂縫寬度再次減小階段。

圖12中“一”為初始狀態(tài)，當(dāng)塊1發(fā)生破斷時(shí)裂縫L1產(chǎn)生，繼續(xù)推進(jìn)，塊1發(fā)生逆向回轉(zhuǎn)，裂縫L1寬度不斷增大。當(dāng)工作面發(fā)生3次周期來(lái)壓時(shí)，地表?yè)p傷控制層發(fā)生破斷，即塊2發(fā)生破斷，此時(shí)裂縫L1寬度達(dá)到最大值，即狀態(tài)“二”。

工作面繼續(xù)推進(jìn)，塊2發(fā)生逆向回轉(zhuǎn)而塊1發(fā)生順向回轉(zhuǎn)，裂縫L1寬度逐漸減小而裂縫L2寬度逐漸增大。當(dāng)工作面再次經(jīng)歷3次周期來(lái)壓時(shí)，塊3發(fā)生破斷，此時(shí)裂縫L1寬度減小到最小值而裂縫L2寬度達(dá)到最大值，即狀態(tài)“三”。

繼續(xù)推進(jìn)，塊體1和塊體2作為一個(gè)整體產(chǎn)生順向回轉(zhuǎn)，而塊體3發(fā)生逆向回轉(zhuǎn)，使得裂縫L1進(jìn)入穩(wěn)定期寬度保持不變，裂縫L2寬度逐漸減小，新產(chǎn)生的裂縫L3寬度逐漸增大，即狀態(tài)“四”。

當(dāng)穩(wěn)定期結(jié)束后塊4發(fā)生破斷，塊1發(fā)生少許逆向回轉(zhuǎn)，塊2和塊3作為一個(gè)整體發(fā)生順向回轉(zhuǎn)，而塊4發(fā)生逆向回轉(zhuǎn)。裂縫L1寬度再次增大，裂縫L2進(jìn)入穩(wěn)定期，裂縫L3寬度逐漸變小，新產(chǎn)生的裂縫L4寬度逐漸增大。隨著工作面推進(jìn)3個(gè)周期來(lái)壓距離，塊體5發(fā)生破斷，此時(shí)裂縫L1寬度達(dá)到第2發(fā)育周期的最大值，裂縫L2寬度保持不變，裂縫L3寬度達(dá)到最小值，新產(chǎn)生的裂縫L4寬度達(dá)到最大值，即狀態(tài)“五”。

塊5發(fā)生破斷后隨工作面推進(jìn)塊1發(fā)生順向回轉(zhuǎn)，塊2發(fā)生逆向回轉(zhuǎn)，塊3和塊4作為一個(gè)整體發(fā)生順向回轉(zhuǎn)，塊體5發(fā)生逆向回轉(zhuǎn)。裂縫L1寬度減小至第2周期的最小值，裂縫L2寬度再次增大，裂縫L3進(jìn)入穩(wěn)定期，裂縫L4寬度逐漸減小，新產(chǎn)生裂縫L5寬度逐漸增大。隨著工作面推進(jìn)3個(gè)周期來(lái)壓距離，塊6發(fā)生破斷，裂縫L1寬度 “雙周期+穩(wěn)定期”演化結(jié)束，此時(shí)裂縫L2寬度達(dá)到第2發(fā)育周期的最大值，裂縫L3寬度保持不變，裂縫L4寬度到達(dá)最小值，裂縫L5寬度達(dá)到最大值，將產(chǎn)生新的裂縫。裂縫L2、裂縫L3、裂縫L4、 裂縫L5及新產(chǎn)生的裂縫都將依次經(jīng)歷與裂縫L1同樣的演化過(guò)程。

4.2 地表裂縫發(fā)育與地質(zhì)采礦條件關(guān)系模型

地表裂縫的發(fā)育和巖層巖性、煤層埋深及工作面推進(jìn)速度等因素相關(guān)。已有實(shí)測(cè)表明當(dāng)裂縫第1個(gè)周期結(jié)束時(shí)，裂縫處的地表下沉速度接近最大值。則工作面在第1個(gè)周期T1內(nèi)推進(jìn)距離由裂縫超前距和最大下沉速度滯后距組成。第1個(gè)周期結(jié)束后裂縫進(jìn)入1個(gè)穩(wěn)定期T2，然后進(jìn)入第2個(gè)發(fā)育周期T3。T2是T1的n1倍，T3是T1的n2倍，在一個(gè)礦區(qū)內(nèi)n1，n2變化不大，可通過(guò)觀測(cè)確定。裂隙發(fā)育和地質(zhì)采礦條件的關(guān)系如圖13所示。圖13中，φ為下沉速度滯后角;δ為動(dòng)態(tài)裂縫超前角;H為煤層埋深，m;S11為裂縫超前距;S12為最大下沉速度滯后距;S1為裂縫第1個(gè)發(fā)育周期工作面推進(jìn)距離;S2為裂縫穩(wěn)定期工作面推進(jìn)距離;S3為裂縫第2個(gè)發(fā)育周期工作面推進(jìn)距離。

圖13 地表裂縫發(fā)育周期與地質(zhì)采礦條件關(guān)系Fig.13 Relationship between development period of surface fracture and geological mining conditions

根據(jù)裂縫動(dòng)態(tài)發(fā)育特點(diǎn)，其發(fā)育周期T為

T=T1+T2+T3=(1+n1+n2)T1

(1)

S1=S11+S12=H(cotδ+cotφ)

(2)

T=H(cotδ+cotφ)(1+n1+n2)/v

(3)

式中，v為平均推進(jìn)速度，m/d。

在神東礦區(qū)n1的取值和n2的取值可根據(jù)實(shí)際觀測(cè)值來(lái)確定。

5 結(jié) 論

(1)工作面推進(jìn)至不同距離時(shí)，采空區(qū)應(yīng)力分布可分為3個(gè)階段，第1階段為推進(jìn)20～140 m，巖層垮落后成自然堆積狀態(tài)，應(yīng)力值均在2 MPa以下。第2階段為推進(jìn)160～180 m，采空區(qū)一處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力呈單峰分布狀態(tài)，峰值應(yīng)力約14 MPa。第3階段為推進(jìn)200～260 m，采空區(qū)2處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力呈雙峰分布狀態(tài)。

(2)工作面從開切眼推進(jìn)至超充分開采距離時(shí)，上覆巖層大體上經(jīng)歷了3個(gè)階段：第Ⅰ階段，無(wú)壓力拱階段；第Ⅱ階段,單壓力拱階段；第Ⅲ階段,雙壓力拱階段。其中第Ⅲ階段又分為Ⅲ1(采空區(qū)單拱腳階段)和Ⅲ2(采空區(qū)雙拱腳階段)2個(gè)階段。

(3)通過(guò)模擬研究得出下沉系數(shù)和寬深比的關(guān)系近似成拋物線關(guān)系，擬合曲線方程為:y=-0.277 21x2+0.771 99x+0.123 6,(0.4≤x≤2.0)，R2=0.840 91，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)驗(yàn)證了擬合公式的適用性。

(4)神東礦區(qū)開采工作面對(duì)應(yīng)的地表中部裂縫發(fā)育具有“雙周期+穩(wěn)定期”的特點(diǎn)，先后經(jīng)歷5個(gè)發(fā)育階段，即裂縫寬度增大階段、裂縫寬度減小階段、裂縫寬度穩(wěn)定階段、裂縫寬度再增大階段、裂縫寬度再減小階段。通過(guò)建立的演化模型闡釋了地表裂縫動(dòng)態(tài)發(fā)育機(jī)理，并建立了地表裂縫動(dòng)態(tài)發(fā)育和地質(zhì)采礦條件之間的關(guān)系模型:T=H(cotδ+cotφ)(1+n1+n2)/v。