0 引 言
煤矿回采工作面推进过程中，采空区上覆岩层自然变形、移动、垮落，自下而上形成垮落带、断裂带和弯曲下沉带，简称“三带”[1]。确定采空区上覆岩层“三带”形态、高度、范围等参数，对于卸压瓦斯抽采、顶板水灾防治、地表移动防控等工程有着十分重要的意义[2-4]。
钱鸣高，许家林[5]通过现场监测和试验揭示了长壁工作面覆岩采动裂隙的两阶段发展规律与“O”形圈分布特征，说明了覆岩离层和裂隙的发展时空分布特征。林海飞等[6]基于采动裂隙“O”形圈理论，利用物理相似材料模拟试验，提出了“采动裂隙圆角矩形梯台带”工程简化模型，分析了覆岩采动裂隙的动态演化过程。李树刚等[7]基于岩层控制关键层理论，建立了考虑采高及第1亚关键层与煤层顶板间距的采动裂隙椭抛带动态演化数学模型。文献[8-11]研究了相邻煤层采动后覆岩裂隙发育连通及矿压影响规律，利用相似模拟及现场试验的方法确定了下层煤覆岩层垮落带高度及与上层煤采空区的连通关系。文献[12-13]利用微震信号分析矿压活动与顶板断裂规律，确定了强矿震信号与上覆坚硬顶板的断裂活动关系，得到了由矿震事件空间分布反映的顶板断裂形态。刘晓刚等[14]利用数值计算方法和钻孔双端堵水法确定了工作面覆岩破裂高度，提高了综放开采断裂带瓦斯抽采效率。文献[15-16]利用现场观测等方法，研究了采动后地表移动规律及地表裂隙分布，确定了地表构筑物的保护方法。冯锦艳等[17]利用UDEC软件和相似材料模拟方法，分析了大倾角煤层开采过程覆岩裂隙的演化规律，得到了大倾角煤层采动裂隙分形维数和采深的关系，实现了定量化的裂隙表征。
由于覆岩采动裂隙受开采技术条件、煤层及覆岩结构、地质构造等众多因素影响，难以使用统一性的模型对裂隙分布规律进行描述；另外，以往的研究更多关注裂隙带的发育高度，但实际上采场上覆裂隙带是类似三维环分布在煤层上方，依据不同矿井及工作面的实际条件，确定覆岩裂隙带的三维分布范围，对于煤矿企业具体工程的开展更有应用价值。因此，笔者以阳泉新景矿3213工作面为工程背景，采用三维CDEM数值计算、相似模拟与理论分析相结合的方法，确定采场覆岩的移动变形特征与采动裂隙的三维分布及演化规律。
1 工程概况
新景矿采用主斜-副立综合开拓方式，2个水平开采，主采煤层有3、8、9、15号煤层，原煤产量约600万t。回采工作面瓦斯最大绝对涌出量为59.22 m3/min，掘进工作面最大绝对涌出量为4.79 m3/min，CO2绝对涌出量为18.65 m3/min，相对涌出量为1.61 m3/t，为煤与瓦斯突出矿井。
3213工作面属于新景煤矿525水平，开采3号煤层，煤层赋存稳定，结构简单，平均煤厚2.5 m，工作面长度210 m，推进长度1 620 m，煤层倾角1°～3°，上覆基岩厚度为460～520 m，使用综合机械化采煤工艺。工作面煤岩层柱状图及力学参数见表1。
2 采场覆岩运移及裂隙演化相似模拟
2.1 相似模拟模型
以3213工作面走向中剖面为模拟对象，使用平面应变相似模拟试验台，搭建2.5 m(长)×0.2 m(宽)×1.3 m(高)的物理相似模型。模拟试验的主要参数见表2。
2.2 模型开挖及数据测量
为了研究煤层开采后的覆岩运移情况，分析垮落带和裂隙带随工作面开采的演化规律，在煤层上方沿竖直方向每隔10 cm布置1条水平位移监测线，共布置6条水平位移监测线，每条水平位移监测线由相互间隔10 cm的24个监测点组成。
表1 3213工作面煤岩层柱状图及力学参数
Table 1 Histogram and mechanical parameters of strata in No.3213 Longwall panel
序号岩性厚度/m岩石强度/MPa抗压抗拉密度/(kg·m-3)模型强度/KPa抗压抗拉模型密度/(g·m-3)配比号1砂质泥岩24.06.71.02 34067.010.01.567732中粒砂岩6.020.23.22 650202.032.01.773553砂质泥岩9.56.71.02 34067.010.01.567734中粒砂岩1.820.23.22 650202.032.01.773555砂质泥岩6.811.51.12 340115.011.01.563736中粒砂岩6.066.84.12 810668.041.01.879557砂质泥岩3.311.51.12 480115.011.01.6537383号煤层2.54.80.381 35048.03.80.97739砂质泥岩3.211.51.12 480115.011.01.6537310中粒砂岩2.966.84.12 810668.041.01.8795511砂质泥岩6.011.51.12 480115.011.01.65373
表2 相似模拟试验的主要参数
Table 2 Main paramenters of the similar
simulation experiment
模型尺寸/mm参数相似比几何时间容重泊松比应力强度2 500×200×1 3001∶601∶101∶1.51∶1.51∶1001∶150
在模型两边留设50 cm的边界煤柱，以避免或减小边界效应。在煤层开挖 8 cm处(对应现场4.8 m)作为工作面的开切眼，然后按每2 h向前推进8 cm作为一个开挖步骤，记录开挖过程中的位移和岩层裂隙发育情况。相似模型实物及测点布置如图1所示。
图1 相似模型及测点布置
Fig.1 Similar simulation model and monitoring points
2.3 相似模拟试验结果分析
2.3.1 煤层开挖后覆岩运移情况
煤层开挖整个过程中上覆岩层的破坏和运动情况如图2所示。工作面推进到15 m时，直接顶断裂垮落，但上部基本顶无明显裂隙产生；工作面推进到25 m之后，基本顶离层，裂隙开始发育；当工作面推进到30 m时，基本顶岩层达到强度极限，出现大范围岩层冒落，工作面初次来压。工作面由30 m推进到40 m的过程中，直接顶岩层随采随垮，悬空基本顶垮落，表明第1次周期来压显现，离层裂隙发育至距离煤层顶部16.2 m处；工作面推进到50 m时，发生第2次周期来压，垮落岩层形成铰接结构。之后，工作面每推进10～15 m，工作面会发生1次周期来压，随着来压的产生，上覆岩层的断裂高度逐渐变大。直到工作面推进到90 m时，基本顶第7次来压显现，裂隙闭合，采空区被逐渐压实，破断裂隙发育至煤层顶部54 m处，如图2h所示。
图2 煤层开挖及覆岩垮落过程
Fig.2 Process of mining in coal seam and
movement of overburden strata
顶板岩层在水平方向上的垮落形态呈底宽顶窄的“梯形”分布结构，如图3所示。“梯形”在工作面初次来压时开始形成，“梯形”的高度和两底角的大小，会随工作面周期来压而发生变化，边线垮落角为55°～65°。
图3 不同时刻覆岩垮落形态
Fig.3 Process of overburden movement in different mining length
2.3.2 覆岩裂隙演化规律
对不同推进距离时的岩层断裂高度和纵向宏观裂隙发育高度进行统计，如图4所示。由于不同岩层间的强度差异，会产生不同发育高度的纵向裂隙，产生纵向裂隙的岩层往往会在下次来压时发生垮落。岩层垮落高度与周期来压相关，在不发生周期来压时，垮落高度无明显增加，伴随基本顶周期破断的发生，垮落高度成阶梯状上升。
图4 覆岩断裂与裂隙发育高度规律
Fig.4 The height of fracture zone of the overburden
strata in mining process
为了定量描述在工作面推进过程中采动破断裂隙的发育程度，在水平方向上每5 m为1个计数单元统计该单元范围内裂隙的数量，以工作面推进到45 m和90 m时的裂隙密度(条/m)来表示裂隙网络的变化规律，工作面推进过程中裂隙密度的分布曲线如图5所示。由图5可以看出，在工作面推进45 m之前，垮落覆岩受上部载荷较小，采空区裂隙密度呈拱形分布；在工作面推进到90 m时，工作面中部裂隙减少，这说明采空区中部破断岩层在上部载荷的作用下已经压实。在工作面回采完成后，裂隙分布主要集中在开切眼和终采线侧上方，且开切眼上部裂隙范围更多更宽。
图5 覆岩裂隙密度分布曲线
Fig.5 Fracture density distribution in overburden strata
2.3.3 覆岩裂隙区划分
通过实际测量和上文的分析将工作面裂隙分为横三区和竖三带，横三区为煤壁支撑影响区、裂隙区、重新压实区，竖三带为垮落带，裂隙带，弯曲下沉带，如图6所示。在水平方向上，开切眼处的裂隙区宽度为17.93 m；终采线处的裂隙区宽度为15.37 m；模型垮落区中部为重新压实区，可以观察到，垮落产生的大裂隙受压闭合。在垂直方向上，垮落带最大高度为8.6 m，裂隙带高度为25.7 m，裂隙带上部岩层为弯曲下沉带，该区域岩层主要表现为弯曲变形，两侧也有少量裂隙发育。
图6 覆岩裂隙区域分布
Fig.6 Regional distribution of overburden fractures
3 数值模拟及三维采动裂隙分布
3.1 数值模型
根据新景矿3213工作面煤岩层地质条件，运用CDEM软件进行煤层开采覆岩三维数值模拟。数值模型在X、Y、Z方向尺寸分别为600 m×255 m×400 m，共分为23层，各岩层物理参数见表1。模型共包含454 362个节点，361 350个块体。模型最上部岩层的埋深为240 m，上覆岩层的平均容重24 kN/m3，因此在模型顶部施加5.8 MPa等效载荷。模型采用莫尔-库伦屈服准则，煤层开挖范围为X=150～450 m，Y=32.5～35 m，Z=100～300 m，在X轴方向两端预留边界均为150 m，在Z轴方向预留边界均为100 m。模型四周及底面位移固定，如图7所示。
3.2 数值模拟结果分析
煤层开挖后的三维位移分布云图及煤层顶板上方不同高度岩层的位移如图8所示。可以看出，三维CDEM软件可以较好的模拟煤层开挖后破坏、垮落、重新压实的过程，清楚的区分走向和倾向裂隙带，重新压实区和弯曲下沉带。不同高度覆岩的位移分布，也反映了覆岩的不连续活动状态，如煤层上方10 m与20 m处的覆岩位移明显不同步，而20 m与40 m处覆岩位移基本同步，表明10～20 m范围内有坚硬岩层，这与覆岩结构和相似模拟结果也基本一致。
图7 数值模型
Fig.7 Numerical model
图8 煤层开挖后模型位移分布
Fig.8 Displacement distribution of the model after mining of the coal seam
为了定量描述采动裂隙的发育程度，对不同高度的覆岩离层率进行分析。离层率可通过上下岩层下沉量的差值与上下岩层间距的比值求得，可以反映单位厚度岩层内离层裂隙带的发育程度[1]。
提取不同高度覆岩层位移数据，并计算离层率，得到工作面上方覆岩位移等值线及离层发育带的分布，如图9所示。在X=300 m垂直面上取采空区上方10、20、30、40 m处离层率曲线，如图10所示。可以看出，裂隙发育带主要分布在20 m以下范围，20 m与40 m的位移曲线基本重合，表明此范围岩层基本同步运动，30、40 m处的2条曲线离层率很小。
根据图9和图10的结果，结合三维位移数据分析，可以绘制出采空区上方覆岩裂隙环的三维形状，如图11所示。煤层开采到一定范围后，采空区上方裂隙发育带呈三维环形分布，采空区中部为压实区，四周边缘附近形成有一定高度的裂隙环，本例中裂隙环高度上限在20 m左右，裂隙环截面是斜梯形，具体尺寸及形状如图11所示。
图9 采空区上方覆岩位移等值线及离层发育带分布
Fig.9 Displacement contour line at overburden
stratum and the separation zone
图10 X=300 m垂直面上不同高度覆岩离层率曲线
Fig.10 Separation rate on the lines of overburden
strata on the vertical face of X=300 m
图11 采空区上方三维裂隙发育环状分布示意
Fig.11 Annular shape in 3D of fracture zone on the top of goaf
裂隙发育环的位置和范围根据具体开采条件和覆岩条件会有变化，并且裂隙环会随着工作面向前推进逐渐拉长。裂隙环位置的确定对于高瓦斯煤层布置高抽巷或抽采钻孔有重要的意义，高抽巷位置应该尽量布置裂隙环顶部。对于新景煤矿，高抽巷或抽采水平钻孔，应布置在回风巷内侧水平距离20 m左右，煤层上方20 m左右位置，即处于裂隙环顶部范围内，此范围裂隙发育，容易积聚瓦斯，并且离下部垮落带有一定距离，能够避免巷道或钻孔塌落，抽采效果最佳。
4 结 论
1)利用相似模拟，对新景矿3213工作面覆岩运移进行了研究，得到了顶板来压规律，基本顶初次来压步距为30 m，周期来压步距为10～15 m；得到了顶板破断和裂隙演化规律，根据裂隙的发育情况，确定垮落带高度为8.6 m，为采高的3.4倍；裂隙带高度为25.7 m，为采高的10.3倍。
2)利用CDEM三维离散元软件，得到了覆岩位移场三维分布，以离层率为指标，得到了3213工作面裂隙发育带的三维形状和具体尺寸，即在煤层顶板上方呈三维环形分布，环形带切面为斜梯形。
3)确定裂隙发育环三维位置和范围对工作面及采空区瓦斯治理有重要的意义，将高抽巷或抽采钻孔应尽量布置在裂隙环顶部位置，既能够使巷道或钻孔保持完整，又能够达到最好的抽采效果。
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