下霍煤矿厚黄土区井下工作面开采地表沉陷规律研究

李小龙

（长治三元中能煤业有限公司，山西 长治 046600)

下霍煤矿2306 工作面自回采以来，地表沉陷变形非常剧烈，在工作面上方出现了明显的下沉盆地，特别是在工作面开采边界外侧，地表拉伸变形显著。在对现场进行实地观测和资料分析的基础上，结合数值模拟计算、理论分析，揭示了本矿综采放顶煤条件下地表沉陷变形规律和机理，为中能煤业今后开展村庄下、水体下、铁路下、公路下采煤以及合理留设保护煤柱提供了科学依据[1-5]。

下霍煤矿2306 工作面位于二采区南翼，煤层赋存厚度为4.30～5.12 m，煤层倾角0°～10°，埋藏深度为474 m，采用放顶煤工艺全部垮落法处理顶板。工作面上覆岩层产状单一，呈水平构造，地表平均标高+942 m，矿井呈南高北低和东高西低走势。3 煤层顶板主要岩性由泥岩、砂岩、砂质泥岩和黄土组成，岩层和岩层之间含有软弱结构面，其中，黄土厚度起伏较大，由东南向西北逐渐增厚，薄处有46 m，最厚可达108 m。煤层底板为泥岩、砂质泥岩，局部含有粉砂岩，老底为灰色中厚～厚层细砂岩，为半坚硬～坚硬岩石。下霍煤矿地质剖面如图1。

图1 下霍煤矿地质剖面示意图

2306 工作面煤层开采厚度大，煤层倾角小，工作面内部与外部、煤层上面与下面、动态与静态采动影响的空间—时间关系，可分为三个阶段：开切眼至初次放顶、正常回采和采面全部采完。图2 显示了覆岩结构在纵向和倾向推进时上覆岩层垮落情况。

图2 综放采场纵倾向覆岩“三带”示意图

（1）开切眼至初次放顶阶段

2306 工作面上覆岩层较厚，其中岩性中硬的基岩厚度超过350 m。在初次放顶时，由于采面开采面积较小，顶板岩层悬顶长度较小，顶板、底板和所采煤层中的应力变化、岩层移动和开裂冒落范围均比较小，采动影响不能达到地表，而仅影响一定的范围，其主要表现为应力变化及开裂冒落，其范围大致呈拱形。

（2）正常回采阶段

采面初次放顶后，工作面进入正常推进阶段，此时采空区周围所采煤层处于压缩状态。随着工作面向前推进及回柱放顶，采空区悬顶长度逐渐增大，支承压力随之增大，顶板逐渐向上冒落，上覆岩层破坏范围逐渐扩大，煤层老顶以梁或悬臂梁弯曲的形式沿层理面法线方向运动，产生断裂、离层。由于岩层运动引起采场周围岩体内的应力重新分布，成层状弯曲岩层的下沉，使垮落破碎的岩块逐渐被压实。随工作面逐步向前方推进，冒落裂缝带在工作面垂直方向上不再扩展，只在工作面推进方向向前扩展，近似一条水平线。

（3）采面全部采完阶段

采面全部采完后，采空区内的冒落岩块逐渐被压实而稳定下来。在采面顶、底板岩层及所采煤层内部应力重新分布并趋于平衡，岩层的移动与变形逐渐减小，在采空区内形成最终稳定状态的冒落带、裂缝带、弯曲带。

3.1 模型建立

本次数值模拟以2306 工作面开采为研究对象，建立基于UDEC 程序的二维计算模型[6]。模型取2306 工作面倾向主剖面为计算剖面。开采厚度5.0 m，煤层倾角平均5°，开采平均深度约474 m，倾向开采宽度260 m（含两巷）。为了直观、系统地反映2306工作面回采时围岩结构、受力及变形情况，对模型进行了适当调整，模拟将基岩简化为由砂泥互层和松散层组成的两种岩性，岩层倾角简化为水平。模型建立尺寸为1260 m×520 m（X×Y）。采用摩尔-库仑（Mohr-Coulomb）模型，节理选用面接触库仑滑动模型。表1、表2 分别为本模型岩体和节理计算力学参数。

表1 模型岩体计算力学参数

表2 模型节理计算力学参数

3.2 计算结果分析

图3 为通过数值计算模型得到2306 工作面开采后地表沉降曲线图。由下沉曲线图可以看出，2306 工作面采用综放开采后，地表最大下沉值达到3453 mm 左右，比地表实测下沉最大值小47 mm，基本一致。现场实测曲线与数值计算得到的地表下沉曲线略有不同，数值计算得到的地表下沉曲线中部稍平缓，曲线边缘收敛快。

图3 2306 工作面开采后地表沉降曲线图

但总体上，数值模拟2306 工作面综放开采后地表沉陷发育规律与实测结果较为接近，能够反映出三元中能煤业综放开采后地表沉陷的一般规律，揭示其覆岩沉陷变形机理。

3.3 覆岩破坏分析

图4、图5 为通过数值计算模型得到2306 工作面开采后上覆、局部岩层特征图。图中明显反映出了煤层开采后周围岩体破坏的“三带”特征，即垮落带内岩块冒落、碎裂，为散体结构和碎裂结构，与原层位失去水平力的联系。2306 工作面开采后，上覆岩层出现垮落现象，导致裂缝带内岩层发生断裂及开裂现象，但仍能够保持层状结构，稳定性较强，由于水平推力的作用，岩块与岩块之间形成铰接关系，并出现离层现象。弯曲带内岩层保持完整，岩层的破坏性很轻。由此，可确定2306 工作面综放开采后垮落带、导水裂缝带的高度。

图4 2306 工作面开采后上覆岩层破坏示意图

图5 2306 工作面覆岩破坏特征图（m）

由岩层破坏特征来看，采空区顶板破坏主要表现为拉破坏。随着工作面的不断推进，采空区顶板逐渐失去支撑，煤层上覆岩层内部储存的能量在自身重力影响下，通过一定路径进行转移和释放。工作面顶板采用变形方式来释放能量，由于顶板的变形进而导致能量的释放，工作面顶板形成拉应力及竖向剪切应力导致顶板下沉。采空区顶板靠近煤岩体时，最易发生剪切破坏，而距离采空区较远处的顶板则表现为拉破坏，原因与周边煤体的限制作用有关。

从岩层破坏分布特征来看，沿倾向剖面的垮落带、裂缝带（即导水裂缝带）发育形态形成了两边高中间低，呈较明显的马鞍形形态。数值模拟测得综放开采条件下的垮落带最大发育高度为40.5 m，约为煤厚的8.1 倍；
导水裂缝带最大发育高度约在煤层上方101.9 m 处，约为煤厚的20.4 倍。与一般开采方法比较而言，综放开采条件下覆岩破坏严重，导水裂隙带发育高度偏大。这是由于综放开采，一次性采全高，直接顶冒落破坏后采空区充填不满，在覆岩下沉移动过程中，不能及时得到采空区充填体支撑反力的作用，使覆岩内部竖向与水平方向附加拉应力快速增大，加速了覆岩脆性破坏，导致覆岩内部强拉伸变形和和导水裂缝带高度的发展较大。

3.4 覆岩移动分析

图6 为数值模拟2306 工作面开采后倾向主剖面上的岩层移动矢量图。从图中可以看出工作面综放开采后周围岩层的移动、破坏情况。覆岩移动情况呈反比，采动覆岩中，以采空区几何中心为参照点，在开采影响中央区域，离中心越近则移动量越大，离中心越远则移动量越小，其中直接顶板移动量最大，对应地表移动量最小，从而反映了开采空间造成的耗散。在岩层移动向地表发育过程中，覆岩下沉在近煤层区域表现为近煤层法线方向移动，在近地表区域表现为竖直方向移动，这反映了综放开采后，直接顶、老顶为法向垮落、断裂下沉，松散层或浅部岩层为竖向弯曲下沉，表现出了岩层采动后不同的传播路径和破坏程度。

图6 2306 工作面开采后倾向主剖面岩层移动矢量图

图7 为数值模拟2306 工作面开采后倾向主剖面上的岩层下沉云图。从图中可以看出，岩层从底部向地表传播过程中，岩层内移动衰减不明显，开采空间只在岩层内耗散了小部分（约占30%），大部分被传递到了地表。这充分说明了综放条件下，一次性采全高，覆岩移动剧烈，地表沉陷充分。相较于一般开采方法，综放开采后的岩层下沉值较大，也反映了综放开采后，直接顶、老顶移动剧烈。

图7 2306 工作面开采后倾向主剖面岩层下沉云图

数值模拟结果表明，2306 工作面综放开采后导水裂缝带最大高度为101.9 m，裂高采厚比为20.4，导水裂缝带比较发育，覆岩破坏非常严重。这是由于综放开采，一次性采全高，直接顶冒落破坏后采空区充填不满，在覆岩下沉移动过程中，不能及时得到采空区充填体支撑反力的作用，使覆岩内部竖向与水平方向附加拉应力快速增大，加速了覆岩脆性破坏，导致覆岩内部强拉伸变形和和导水裂缝带高度的发展较大。