榆神府礦區(qū)雙煤層開采覆巖破壞及地面沉降特征研究

曹琰波，范 文，陶宜權(quán)，程 光，劉 魁，彭 敏

（1.長安大學(xué) 地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院，陜西 西安 710054；2.信息產(chǎn)業(yè)部電子綜合勘察研究院，陜西 西安 710054）

榆神府礦區(qū)開采時(shí)采動(dòng)裂隙會(huì)引起地下水滲漏失水，加劇礦區(qū)內(nèi)水資源短缺的現(xiàn)狀，并造成嚴(yán)重的安全事故，這將成為制約礦區(qū)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的主要問題[1-2]。隨著人們環(huán)境保護(hù)意識(shí)的增強(qiáng)，煤炭資源開采與礦區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)協(xié)調(diào)發(fā)展的理念應(yīng)運(yùn)而生[3-5]。范立民等[6-8]、李文平等[9-11]提出“保水采煤”的基本理念，并對(duì)榆神府礦區(qū)保水采煤技術(shù)、失水程度和工程地質(zhì)條件進(jìn)行深入研究與分析；李樹剛等[12]采用物理相似模擬實(shí)驗(yàn)與結(jié)論分析，揭示了近距離煤層單層開采和重復(fù)采動(dòng)條件下覆巖移動(dòng)、裂隙分布及演化規(guī)律；孫學(xué)陽等[13-15]采用相似材料模擬實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬方法研究雙煤層開采對(duì)覆巖的破壞影響，確定了雙煤層開采最優(yōu)錯(cuò)距和最不利錯(cuò)距；侯恩科等[16-17]研究了淺埋煤層開采覆巖破壞規(guī)律及裂隙發(fā)育特征，認(rèn)為導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育過程分為4 個(gè)階段；田成林等[18]通過數(shù)值模擬方法認(rèn)為多煤層開采導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育高度影響因素按重要程度依次為采高、間隔層強(qiáng)度、層間距；黃慶享等[19-20]研究淺埋煤層群開采覆巖與地表裂隙發(fā)育規(guī)律及機(jī)理，給出了裂隙發(fā)育高度計(jì)算公式。上述研究對(duì)煤層覆巖破壞規(guī)律及裂隙發(fā)育特征進(jìn)行了研究，但對(duì)多煤層開采時(shí)隔水層與煤層厚度等因素對(duì)覆巖破壞及地表沉降的影響研究相對(duì)較少。為此，以榆神府礦區(qū)典型淺埋煤層為研究對(duì)象，利用UDEC 軟件進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，分析雙煤層不同工況開采條件下淺埋煤層覆巖裂隙發(fā)育特征及地表沉降規(guī)律，并結(jié)合物理相似模擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

1 榆神府礦區(qū)概況

榆神府礦區(qū)，地貌單元可劃分為臺(tái)塬、溝壑、沙丘及沙地地貌；礦區(qū)內(nèi)地層起伏小，傾角小于1°，局部地區(qū)發(fā)育小斷層，地層呈北北東走向。從西到東地層逐漸由老變新，出露地層自上而下依次為：第四系沖積層、風(fēng)積沙、薩拉烏蘇組、離石組，新近系保德組，白堊系洛河組，侏羅系安定組、直羅組和延安組[21]，主要開采的含煤地層為侏羅系中下統(tǒng)延安組，層厚為150～280 m，主采煤層有5 層，煤層間距短，埋藏深度淺，上覆巖層厚度薄，松散覆蓋層較厚。

榆神府礦區(qū)煤層頂板多為黃綠、灰綠色塊狀中粗粒砂巖和粉砂巖，底板多為中細(xì)砂巖、砂質(zhì)泥巖，砂巖裂隙較發(fā)育。榆神府礦區(qū)的含水層主要分為第四系上更新統(tǒng)含水層和侏羅系燒變巖含水層。第四系上更新統(tǒng)含水層由風(fēng)積沙和薩拉烏蘇組粉細(xì)沙及亞沙土組成，巖性主要為中粗沙、細(xì)沙和粉沙，含有少量沙質(zhì)黏土，結(jié)構(gòu)疏松，滲透性較好，入滲系數(shù)為0.4～0.5，主要補(bǔ)給方式為大氣降水；燒變巖含水層厚度為20～30 m，以地下水補(bǔ)給為主，巖層裂隙發(fā)育，具有良好的滲透性和充足的儲(chǔ)水空間。榆神府礦區(qū)的隔水層由新近系上新統(tǒng)保德紅土和第四系中更新統(tǒng)離石黃土構(gòu)成，透水性和富水性差，厚度約為20 m。

2 數(shù)值模型及模擬方案

2.1 數(shù)值模型和基本參數(shù)

依據(jù)陜北榆神府礦區(qū)的地層特征，對(duì)礦區(qū)淺埋煤層地質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行概化，設(shè)計(jì)數(shù)值模型開采煤層為2 層，同時(shí)為達(dá)到煤層充分開采和消除邊界效應(yīng)的目的，整個(gè)模型長度設(shè)定為350 m，煤層和各巖層走向按水平情況處理，設(shè)計(jì)模擬開采的2 層煤層與砂巖互層，從上至下分別是：風(fēng)積沙、亞沙土及亞黏土含水層（40 m）—黏土隔水層—砂巖（30 m）—煤層—砂巖（20 m）—煤層—砂層（10 m），巖層單元格的密度主要與實(shí)際層位裂隙發(fā)育程度相關(guān)，其中煤層厚度和隔水層厚度根據(jù)模擬工況變化。

數(shù)值模型上邊界為自由邊界，左、右和下邊界為固定邊界，載荷的分布形式簡化為均布載荷，上部邊界條件為應(yīng)力邊界條件，數(shù)值模擬模型如圖1。

圖1 數(shù)值模擬模型Fig.1 Numerical simulation model

數(shù)值模擬模型中煤巖層本構(gòu)關(guān)系采用Mohr-Coulomb 破壞準(zhǔn)則，節(jié)理面采用面-面接觸庫倫滑移模型。根據(jù)野外實(shí)地調(diào)查及相關(guān)研究資料，各巖層物理力學(xué)參數(shù)接觸面力學(xué)參數(shù)見表1 和表2。

表1 煤巖層物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of coal and rock stratum

表2 煤巖層接觸面力學(xué)參數(shù)Table 2 Mechanical parameters of coal rock contact surface

2.2 數(shù)值模擬開采方案

開采從左邊開切眼（80 m）處開始向右推進(jìn)（至270 m 止），工作面長度共計(jì)190 m。留煤柱工況開采時(shí)，1#煤層留煤柱寬5 m，共5 個(gè)工作面，從左至右編號(hào)為1－1#～1－5#，前4 個(gè)工作面的開采距離為35 m，第5 個(gè)工作面的開采距離為30 m，2#煤層開采時(shí)不留煤柱；不留煤柱工況時(shí)，2 個(gè)煤層開采均不留煤柱。先開采1#煤層，再開采2#煤層。本次數(shù)值模擬根據(jù)不同目的，選取6 種模擬方案如下：

1）方案Ⅰ。1#煤層留煤柱，煤層厚度5 m，隔水層厚度40 m。

2）方案Ⅱ。不留煤柱，煤層厚度5 m，隔水層厚度40 m。

3）方案Ⅲ。不留煤柱，煤層厚度3 m，隔水層厚度40 m。

4）方案Ⅳ。不留煤柱，煤層厚度4 m，隔水層厚度40 m。

5）方案Ⅴ。不留煤柱，煤層厚度5 m，隔水層厚度30 m。

6）方案Ⅵ。不留煤柱，煤層厚度5 m，隔水層厚度50 m。。

3 數(shù)值模擬結(jié)果

3.1 覆巖破壞及裂隙分布特征

通過模擬6 種工況雙煤層開采，得出的煤層開采過程中裂隙分布如圖2 和圖3。

圖2 1#煤層工作面推進(jìn)190 m 時(shí)覆巖裂隙分布圖Fig.2 Distribution of overburden fractures when the working face of 1# coal seam advances 190 m

圖3 2#煤層全部開挖后覆巖裂隙分布圖Fig.3 Distribution of overburden fractures after full excavation of 2# coal seam

在方案Ⅰ和方案Ⅱ中，工作面推進(jìn)相同距離時(shí)，不留煤柱開采大于留煤柱開采對(duì)上覆巖層的破壞程度，產(chǎn)生的裂隙數(shù)量更多，因?yàn)樵诹裘褐_采時(shí)，采空區(qū)兩側(cè)煤層與上覆巖層形成“拱形”結(jié)構(gòu)以保持自穩(wěn)性，而在不留煤柱開采工況下采空區(qū)兩端的煤柱距離大于留煤柱時(shí)采空區(qū)兩端的煤柱距離，在采空區(qū)兩端位置形成更大的集中應(yīng)力，上覆巖層更容易垮落，并且產(chǎn)生的垮落范圍更大，裂隙擴(kuò)展高度也增大；留煤柱開采時(shí)，煤柱對(duì)上覆巖層的質(zhì)量起到一定的分擔(dān)作用，使覆巖沒有大量垮落入采空區(qū)，然而不留煤柱開采時(shí)覆巖缺少煤柱的支撐作用，使煤層之上的覆巖大量垮落進(jìn)采空區(qū)之中。

根據(jù)方案Ⅱ、方案Ⅲ和方案Ⅳ裂隙分布特征可知：當(dāng)開挖相同距離時(shí)，上覆巖層的破壞程度隨著煤層采高的增大而逐漸加重，所產(chǎn)生的裂隙數(shù)量增多，裂隙高度不斷增大。2 個(gè)煤層全部開采完后，對(duì)于煤層厚3 m 的模型，其導(dǎo)水裂隙深入隔水層之中5～10 m，煤層厚4 m 時(shí)，導(dǎo)水裂隙深入隔水層之中20～30 m，煤層厚5 m 時(shí)，導(dǎo)水裂隙完全貫穿整個(gè)隔水層。

在方案Ⅱ、方案Ⅴ和方案Ⅵ中，2 個(gè)煤層全部開挖后，當(dāng)隔水層厚度為50 m 時(shí)，裂隙主要發(fā)育在煤層頂板砂巖層中，隔水層中零星發(fā)育裂隙，導(dǎo)水裂隙未切穿隔水層；當(dāng)隔水層厚度為40 m 時(shí)，隔水層中裂隙數(shù)量增多，貫穿隔水層形成連通型裂隙；當(dāng)隔水層厚度為30 m 時(shí)，砂巖中豎向的破斷裂隙已經(jīng)與隔水層中的裂縫形成連通型裂隙，切穿隔水層頂板且深入含水層之中?？梢?，隨著隔水層厚度的減小，覆巖中裂隙數(shù)量逐漸增多，裂隙擴(kuò)展高度變大。

綜合以上分析，在留煤柱開采工況下，煤層剛開采時(shí)采空區(qū)上覆巖層沒有垮落，僅出現(xiàn)一些離層裂隙；隨著工作面向前推進(jìn)，采空區(qū)兩側(cè)出現(xiàn)豎向的破斷裂隙，但由于留煤柱的原因，只有1-3#采空區(qū)上覆巖層發(fā)生垮落；2#煤層開采過程中上覆巖層整體垮落，地表出現(xiàn)臺(tái)階狀下沉，上覆巖層發(fā)生全厚切落式破壞，伴隨產(chǎn)生較多豎向的破斷裂隙，裂隙深入隔水層中2 m 左右，沒有切穿隔水層，工作面繼續(xù)推進(jìn)時(shí)裂隙發(fā)育受到抑制，裂隙擴(kuò)展高度保持穩(wěn)定不再變化，即“泥蓋效應(yīng)”，這是由于黏土隔水層的水理力學(xué)性質(zhì)較好，增強(qiáng)了其抗采動(dòng)破壞能力，裂隙在采動(dòng)過程中能夠自然閉合，抑制了導(dǎo)水裂隙的發(fā)育。

在不留煤柱開采工況下，煤層開采初期和留煤柱時(shí)一樣，隨著工作面推進(jìn)，地表呈臺(tái)階式下沉，上覆巖層產(chǎn)生全厚切落式破壞，并落入采空區(qū)中；2#煤層開挖后，采空區(qū)兩側(cè)形成連通的離層裂隙發(fā)育區(qū)，裂隙沿采空區(qū)兩側(cè)上方呈約45°發(fā)展，并隨工作面推進(jìn)從后至前、從下往上逐漸演變，采空區(qū)兩側(cè)上覆巖層中發(fā)育大量離層裂隙和破斷裂隙。由于開采過程中上覆巖層不斷垮落，擠壓已垮落的巖層，早先形成的裂隙被壓實(shí)，使采空區(qū)內(nèi)部主要發(fā)育的是橫向裂隙。2 種開采工況下，多煤層疊加開采均遠(yuǎn)大于單一煤層開采對(duì)上覆巖層的破壞程度，最明顯的表現(xiàn)為裂隙數(shù)量增多和向上延伸高度變大。

3.2 地表沉降

在方案Ⅰ和方案Ⅱ中，由于留煤柱開采時(shí)上覆巖層變形很小，所以選取不留煤柱開采工況來分析地表下沉隨工作面推進(jìn)的變化情況。方案Ⅱ煤層開采過程中地表沉降過程如圖4。

圖4 不留煤柱開采工況地表沉降曲線Fig.4 Surface settlement curves under mining condition without coal pillar

由圖4 可知：當(dāng)1#煤層工作面推進(jìn)距離為35 m時(shí)，地表幾乎沒有發(fā)生沉降；隨著工作面不斷向前推進(jìn)，地表沉降量才緩慢增大；2#煤層開挖完成后，地表最大沉降量為6.54 m，地表沉降中心為180 m。由此可知，不留煤柱開采時(shí)，隨著工作面向前推進(jìn)，地表沉降量逐漸增大，地表沉降中心不斷前移，地表沉降曲線的曲率也越大，即沉降曲線變得“瘦高”，使采空區(qū)兩側(cè)與中間的地表沉降值之差變大，造成地表嚴(yán)重的拉張破壞。

選取相同開挖距離下地表沉降量來分析不留煤柱時(shí)地表沉降與煤層厚度及隔水層厚度之間的關(guān)系，不留煤柱時(shí)不同工況下1#煤層開挖過程中地表沉降變化見表3，不留煤柱時(shí)不同工況下2#煤層開挖后地表沉降曲線見圖5。

表3 不留煤柱時(shí)不同工況下1#煤層開挖過程中地表沉降變化Table 3 Changes of surface subsidence during excavation of 1# coal seam under different working conditions without coal pillar

圖5 不留煤柱時(shí)不同工況下2#煤層開挖后地表沉降曲線Fig.5 Surface subsidence curves of 2# coal seam after excavation under different working conditions without coal pillar

隨著工作面推進(jìn)距離增大，地表沉降值不斷變大，煤層厚度與地表沉降值呈正相關(guān)性，即相同開挖距離下，隨著煤層厚度的增加，地表沉降值不斷增大；2 個(gè)煤層全部開采后，煤層厚3 m 的地表最大沉降量為4.39 m，煤層厚度為4 m 時(shí)地表最大沉降量達(dá)到5.46 m，煤層厚5 m 的地表最大沉降量約6.54 m。煤層開采過程中，地表沉降中心向工作面推進(jìn)方向前移，并且工作面推進(jìn)相同距離時(shí)不同煤層厚度的地表沉降中心位置變化幾乎一致，僅在工作面推進(jìn)75 m 時(shí)厚度為3 m 的煤層地表沉降中心位置較大，表明煤層厚度對(duì)地表沉降中心位置變化基本無影響。

不同隔水層厚度的煤層在開挖過程中，當(dāng)1#煤層工作面推進(jìn)35 m 時(shí)，隔水層厚50 m 的地表沉降量最大，隔水層厚40 m 和30 m 的地表沉降量依次減小，表現(xiàn)為隔水層厚度越大，地表沉降量也越大；當(dāng)開挖到115 m 以后，隔水層厚30 m 的地表沉降量大于隔水層厚50 m 的地表沉降量，規(guī)律變?yōu)楦羲畬雍穸仍叫?，地表沉降量越大；在開挖初期，不同厚度的隔水層引起的地表沉降中心位置變化基本一致，僅在工作面推進(jìn)115 m 時(shí)隔水層厚30 m 的地表沉降中心位置更靠近工作面，在1#煤層開挖完成后，隔水層厚度越大地表沉降中心越靠近工作面。說明在開挖初始階段，50 m 厚的隔水層整體質(zhì)量較大，使上覆巖層破壞程度更嚴(yán)重，隨著工作面推進(jìn)，隔水層重量對(duì)地面沉降的影響減小，這時(shí)隔水層厚度較薄的覆巖破壞程度更嚴(yán)重，裂隙向上發(fā)展的更高。2#煤層開挖后，隔水層厚度越大地表沉降中心越靠近工作面，隔水層厚度越小地表沉降中心附近的地表沉降量越大，但是在采空區(qū)兩側(cè)，隔水層厚度越小地表沉降量也越小。由于在煤層開采過程中，隔水層厚度越小覆巖破壞程度越嚴(yán)重，沿采空區(qū)兩側(cè)上覆巖層中形成較多豎向的破斷裂隙，使采空區(qū)上覆巖層整體垮落過程中對(duì)兩側(cè)覆巖影響較小，造成采空區(qū)兩側(cè)地表沉降量也越小。

3.3 覆巖應(yīng)力場(chǎng)變化

為研究煤層開采過程中覆巖應(yīng)力變化，分別對(duì)方案Ⅰ與方案Ⅱ2 種工況下水平和豎向應(yīng)力進(jìn)行分析，煤層開采水平應(yīng)力云圖如圖6，煤層開采豎向應(yīng)力云圖如圖7。

圖6 煤層開采水平應(yīng)力云圖Fig.6 Cloud diagrams of horizontal stress in coal seam mining

圖7 煤層開采豎向應(yīng)力云圖Fig.7 Cloud diagrams of vertical stress in coal seam mining

3.3.1 水平應(yīng)力場(chǎng)

方案Ⅰ留煤柱工況開采時(shí)，當(dāng)1#煤層工作面推進(jìn)至190 m，采空區(qū)上方覆巖最大水平應(yīng)力值達(dá)到20.0 MPa；2#煤層全部開挖完成后，采空區(qū)上方覆巖最大水平應(yīng)力穩(wěn)定在14.0 MPa 左右；方案Ⅱ不留煤柱開挖時(shí)，當(dāng)1#煤層工作面推進(jìn)至190 m，采空區(qū)上方覆巖最大水平應(yīng)力值達(dá)到17.0 MPa；2#煤層全部開挖后，采空區(qū)上方覆巖最大水平應(yīng)力穩(wěn)定在16.0 MPa 左右。

根據(jù)水平應(yīng)力模擬結(jié)果可知：煤層開采破壞了巖土體內(nèi)天然應(yīng)力的平衡狀態(tài)，造成采空區(qū)周圍巖土體應(yīng)力的重新分布；在開采1#煤層時(shí)，2 種工況下采空區(qū)上覆巖層內(nèi)均出現(xiàn)水平應(yīng)力集中現(xiàn)象，離層裂隙發(fā)育區(qū)內(nèi)水平應(yīng)力較大，隨著工作面推進(jìn)距離增大，最大水平應(yīng)力隨之升高；2#煤層開挖結(jié)束后，地表水平應(yīng)力減小。這是因?yàn)楣ぷ髅骈_采后，采空區(qū)由垮落的上覆巖層松散介質(zhì)充填，上覆巖層下沉彎曲變形，離層裂隙較發(fā)育，在離層裂隙發(fā)育區(qū)形成較大的水平應(yīng)力；但隨著工作面推進(jìn)，工作面后方已垮落的巖石逐漸被垮落的上覆巖層壓實(shí)，覆巖結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定，水平應(yīng)力逐漸減小并趨于穩(wěn)定值。煤層開采時(shí)覆巖全厚切落，地層整體下沉，因此采空區(qū)兩側(cè)地表附近存在水平拉應(yīng)力，造成地表產(chǎn)生拉張裂縫，不留煤柱開采比留煤柱開采所產(chǎn)生的水平拉應(yīng)力范圍更大，拉張裂縫數(shù)量更多。

3.3.2 豎向應(yīng)力場(chǎng)

方案Ⅰ留煤柱開采時(shí)，當(dāng)1#煤層工作面推進(jìn)至190 m，采空區(qū)煤壁上方最大豎向應(yīng)力穩(wěn)定在35.0 MPa 左右，2#煤層全部開挖完成后，煤壁上方最大豎向應(yīng)力約35.0 MPa；方案Ⅱ不留煤柱開挖時(shí)，當(dāng)1#煤層工作面推進(jìn)至190 m 時(shí)，采空區(qū)煤壁上方最大豎向應(yīng)力穩(wěn)定在16.0 MPa 左右，2#煤層全部開挖完成后，煤壁上方最大豎向應(yīng)力約為16.0 MPa。

由豎向應(yīng)力模擬結(jié)果可知：工作面推進(jìn)至不同距離時(shí)，采空區(qū)兩側(cè)一定范圍內(nèi)均出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。留煤柱開采時(shí)煤柱中存在較大的豎向應(yīng)力，表明煤柱對(duì)煤層頂板起到支撐作用，其中地表沉降中心附近的煤柱中豎向應(yīng)力最大，應(yīng)在煤層開采過程中對(duì)該位置處煤柱加強(qiáng)支護(hù)；不留煤柱開采時(shí)，在覆巖切落位置兩側(cè)存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，產(chǎn)生的豎向應(yīng)力超過巖石強(qiáng)度極限，煤層頂板在拉應(yīng)力和剪應(yīng)力作用下發(fā)生垮落和下沉，其上部基本頂以梁彎曲的形式沿巖層面的法線方向發(fā)生移動(dòng)、彎曲，直至斷裂。正常開采過程中煤層覆巖在一定范圍內(nèi)均產(chǎn)生拉張應(yīng)力，由于應(yīng)力是靠巖層之間接觸傳遞的，所以上覆巖層在拉張應(yīng)力區(qū)域內(nèi)會(huì)出現(xiàn)離層運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生具有一定規(guī)律的離層裂隙和破斷裂隙；不留煤柱開采比留煤柱開采時(shí)采空區(qū)上覆巖層內(nèi)拉張應(yīng)力范圍大，因此不留煤柱開采時(shí)覆巖內(nèi)產(chǎn)生的裂隙更多，覆巖位移變形更大。煤層及上覆巖層中垂直應(yīng)力沿煤層開采方向分布表現(xiàn)為：沿工作面方向依次出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)、應(yīng)力卸壓區(qū)和應(yīng)力集中區(qū)。

4 物理相似模擬實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證留煤柱開采時(shí)上覆巖層破壞呈現(xiàn)的“泥蓋效應(yīng)”，采用物理相似模擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行模擬。根據(jù)相似原理，物理相似模擬實(shí)驗(yàn)中含水層采用礦區(qū)內(nèi)風(fēng)積沙及薩拉烏蘇組原狀樣，隔水層由甘油、凡士林、石英砂及膨潤土按照不同比例配制而成，巖層由河砂、石膏和大白粉按照40∶1∶4 混合制成，煤層由河砂、粉煤灰、大白粉和石膏按照25∶25∶5∶1 混合制成，模型尺寸為350 cm×40 cm×150 cm（長×寬×高）。

覆巖裂隙發(fā)展過程如圖8。

圖8 覆巖裂隙發(fā)展過程Fig.8 Development process of overburden fractures

物理相似模擬實(shí)驗(yàn)中覆巖裂隙發(fā)育規(guī)律和地層沉降變形規(guī)律主要表現(xiàn)為：

1）在1#煤層開采過程中，由于煤柱的支撐作用，地層未發(fā)生明顯的彎曲下沉，部分工作面上覆巖層發(fā)生垮落。2#煤層采動(dòng)造成覆巖發(fā)生5 次切落，2#煤層工作面推進(jìn)58 cm 時(shí)覆巖第1 次切落，上覆巖層發(fā)生全厚切落式破壞，在開切眼上方巖層發(fā)育2 條平行裂隙，為剪切裂隙，深入黏土隔水層中約20 cm，2 條裂隙外側(cè)錯(cuò)斷的巖層基本保持水平，沒有發(fā)生明顯回轉(zhuǎn)，裂隙之間的巖塊則呈現(xiàn)出回轉(zhuǎn)跡象，在第2 次至第5 次覆巖切落過程中，裂隙發(fā)育受到抑制，裂隙擴(kuò)展高度保持穩(wěn)定不再變化，在黏土隔水層中采動(dòng)破壞產(chǎn)生“泥蓋效應(yīng)”，與數(shù)值模擬結(jié)果相比，兩者均產(chǎn)生了“泥蓋效應(yīng)”，但數(shù)值模擬中裂隙僅深入隔水層中2 m 左右，模型實(shí)驗(yàn)中裂隙在隔水層中擴(kuò)展高度更大。在覆巖切落過程中，通常會(huì)在煤柱上方發(fā)育拉張裂隙，裂隙兩側(cè)巖層之間沒有明顯錯(cuò)動(dòng)，在下一次覆巖切落時(shí)，裂隙因側(cè)面巖層下沉而閉合，同時(shí)產(chǎn)生新裂隙。2#煤層完成開挖后，上覆巖層的破壞程度趨于穩(wěn)定。覆巖發(fā)生5 次切落過程中地表沉降曲線如圖9。

圖9 覆巖切落過程中地表沉降曲線Fig.9 Surface subsidence curves during rock cutting

2）在第1 次至第3 次覆巖切落過程中，地表最大沉降量不斷增大，但地表沉降中心位置在110 cm處未發(fā)生變化，隨著工作面推進(jìn)距離增大，地表最大沉降量持續(xù)增大，采空區(qū)兩側(cè)的地表沉降量小于采空區(qū)中間的地表沉降量，地表沉降中心向工作面推進(jìn)方向移動(dòng)，地表呈臺(tái)階式下沉，這與數(shù)值模擬結(jié)果保持一致。

由模型實(shí)驗(yàn)?zāi)M結(jié)果可知，第1 層留煤柱工況開采時(shí)數(shù)值模擬結(jié)果與模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致。

5 結(jié) 論

1）淺埋煤層覆巖破壞方式為全厚切落，留煤柱開采時(shí)隔水層中采動(dòng)破壞呈現(xiàn)“泥蓋效應(yīng)”，不留煤柱開采時(shí)采空區(qū)兩側(cè)形成連通的離層裂隙發(fā)育區(qū)，裂隙沿采空區(qū)兩側(cè)上方呈約45°發(fā)展，隨工作面推進(jìn)從后至前、從下往上演變，隨著煤層厚度增大或隔水層厚度減小，覆巖裂隙數(shù)量增多，裂隙發(fā)育高度增大。

2）煤層開采時(shí)地表呈臺(tái)階式下沉，地表沉降中心向工作面推進(jìn)方向不斷前移，地表沉降量隨煤層厚度的增大而變大，在開挖初始階段，隔水層厚度越小地表沉降量越小，隨著工作面推進(jìn)，規(guī)律變?yōu)楦羲畬雍穸仍酱蟮乇沓两盗吭叫。?#煤層開挖后地表沉降中心附近隔水層厚度越小地表沉降量越大，采空區(qū)兩側(cè)地表沉降量則與之相反。

3）煤層開采過程中，采空區(qū)兩側(cè)和上覆巖層內(nèi)存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，覆巖在一定范圍內(nèi)產(chǎn)生拉張應(yīng)力，在采煤過程中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)地表沉降中心附近煤柱的支護(hù)，上覆巖層中垂直應(yīng)力沿煤層開采方向依次出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)、應(yīng)力卸壓區(qū)和應(yīng)力集中區(qū)。