厚煤层重复采动覆岩破裂发育规律研究

厚松散层下开采覆岩及地表移动规律研究一、本文概述《厚松散层下开采覆岩及地表移动规律研究》是一篇专注于深入探索厚松散层下开采活动对覆岩及地表移动影响规律的学术论文。

本文旨在通过系统的理论分析和实证研究，揭示厚松散层地质条件下开采作业对覆岩稳定性和地表移动的影响机制，为相关领域的工程实践提供理论支撑和科学依据。

文章首先介绍了厚松散层地质条件的特性，包括其形成原因、分布规律以及对地下开采活动的潜在影响。

在此基础上，文章综述了国内外在厚松散层下开采覆岩及地表移动规律方面的研究成果和进展，指出了当前研究中存在的问题和不足。

接下来，文章通过理论分析和数值模拟方法，深入探讨了厚松散层下开采过程中覆岩的应力分布、变形特征以及破坏机制。

结合现场监测数据和实验室研究结果，对地表移动规律进行了定量分析和定性描述，揭示了地表移动与开采活动之间的内在联系。

文章提出了针对性的工程实践建议和技术措施，旨在提高厚松散层下开采作业的安全性和效率，减少覆岩失稳和地表移动对环境和人类活动的影响。

本文的研究成果对于推动相关领域的技术进步和工程实践具有重要的理论价值和现实意义。

二、厚松散层地质特性分析厚松散层是指在地表以下，由风化、侵蚀、搬运和沉积作用形成的一系列未固结的或弱固结的松散堆积物。

这些堆积物通常包括砂土、粘土、砾石等，其形成过程复杂，且地质特性各异。

在煤炭等矿产资源的开采过程中，厚松散层的存在对覆岩及地表的移动规律产生显著影响，因此对其进行详细的地质特性分析至关重要。

厚松散层的厚度和分布范围是影响开采过程中覆岩移动的关键因素。

厚松散层的厚度越大，其对上覆岩层的支撑能力越弱，开采时引起的覆岩移动范围也越大。

厚松散层的分布范围也会影响地表的移动规律，如果厚松散层分布广泛，那么开采引起的地表移动可能更加显著。

厚松散层的物质组成和物理性质也是影响其地质特性的重要因素。

不同的物质组成和物理性质会导致厚松散层在开采过程中的不同响应。

例如，砂土和粘土的物理性质差异较大，前者颗粒较大，透水性较好，后者颗粒较小，透水性较差。

近距离煤层群覆岩采动导水裂隙发育规律分析基于燕家河煤矿开采地质条件,本文采用物理模拟、数值模拟及工业性试验分析等研究方法,对煤矿近距煤层群5-1、5-2及8煤采动覆岩运移及导水裂隙发育规律展开了系统研究。

分别开展了 8煤、5-1煤、5-2煤的上行开采,5-1煤、5-2煤、8煤的下行开采及不同开采尺寸条件下的覆岩采动导水裂隙发育规律研究,得到了不同开采条件下覆岩采动导水裂隙发育特征,确定了8煤工作面合理尺寸。

主要研究成果如下:(1)物理模拟得出了 8105工作面初次来压步距为54m,周期来压步距为20m。

8煤层开采过程中,开采边界处覆岩采动导水裂隙发育显著。

在8煤开采的基础上,依次对8煤上覆5-1煤及5-2煤进行了上行开采模拟,得出了 8煤覆岩采动导水裂隙发育高度为98.4m、5-1煤覆岩采动导水裂隙发育高度为118.4m、5-2煤覆岩采动导水裂隙发育高度为126m,5-2煤回采后覆岩采动导水裂隙发育至直罗组含水层。

(2)数值模拟分析表明了不同开采顺序对覆岩采动导水裂隙发育影响明显。

受层间距影响,上行开采结束后,导水裂隙最终发育高度为129.2m,此时导水裂隙进入直罗组含水层;下行开采过程中,导水裂隙最终发育高度为145.3m,此时导水裂隙贯通直罗组含水层;下行开采覆岩采动导水裂隙较上行开采发育。

(3)数值模拟分析表明了工作面开采尺寸对覆岩采动导水裂隙发育高度影响显著。

采宽由0m～200m,导水裂隙增高明显;200～300m时,导水裂隙发育高度趋于95m;采高由3m～7m,导水裂隙发育高度呈线性增长;但覆岩采动导水裂隙均未进入直罗组含水层,确定了工作面合理采宽为200m、采高为7m。

(4)工业性试验结果表明,工作面回采初期,因导水裂隙发育高度未进入直罗组含水层,涌水量较小;随着工作面推进,覆岩采动导水裂隙发育增高,进入直罗组含水层后,涌水量增加显著;当工作面充分采动后,覆岩采动裂隙逐渐压实闭合,工作面涌水量下降并趋于稳定。

大采深条件下采煤活动引起的覆岩移动变形及破坏规律研究发表时间：2018-07-25T16:37:40.617Z 来源：《基层建设》2018年第15期作者：张瑞[导读] 摘要：随采深增大工作面顶板覆岩的运动规律与浅部有很大不同，本文从大采深条件下综放工作面工程实践出发，研究了工作面顶板在纵向方向的破坏范围和推进方向的运动规律，给出了该条件下顶板的垮落步距及其对放顶煤的影响。

新疆焦煤（集团）有限责任公司 830025摘要：随采深增大工作面顶板覆岩的运动规律与浅部有很大不同，本文从大采深条件下综放工作面工程实践出发，研究了工作面顶板在纵向方向的破坏范围和推进方向的运动规律，给出了该条件下顶板的垮落步距及其对放顶煤的影响。

实践表明，在研究顶煤及煤层顶板运动规律的基础上，采取合理开采技术，可提高采出率，减少资源浪费。

对实现矿井高产高效，以及指导类似条件下煤炭开采都具有重要意义。

关键词：放顶煤；覆岩移动；顶板来压规律；垮落步距1 顶板沿纵向方向运动规律1.1 直接顶厚度4306工作面煤层厚度变化较大，如果按统一的放顶煤工艺及参数来操作，必然使得采出率在某些地段高，在某些地段低，这种情况难免会导致直接顶的厚度（即冒高）产生相应的变化。

考虑到割煤和放煤的采出率不同，总采出率按85%计，取冒落顶煤碎胀系数为1.3，岩石碎胀系数为1.4。

从以下3个方面来考虑直接顶的厚度，然后再求得直接顶厚度的平均值：（1）按煤层最大厚度5.20m计算。

丢失煤炭的充填高度△1=1.014m，此时直接顶可能的最大厚度mz1为10.5m。

（2）按煤层平均厚度4.1m计算。

丢失煤炭的充填高度△2=0.80m，此时直接顶可能的最大厚度mz2为5.75m。

（3）按煤层最小厚度0.8m计算。

丢失煤炭的充填高度△3=0.16m，此时直接顶可能的最大厚度mz3为1.6m。

由以上可知，直接顶的变化厚度应是比较大的，其平均值为5.95m。

这是可能的最大冒高，即采空区完全被充满。

第52卷第12期煤炭工程C O A L E N G I N E E R I N G Vol. 52，No. 12doi：10.11799/ce2020120138.8m超大采高综釆工作面覆岩活动规律研究杨俊哲(国家能源集团神东煤炭集团有限责任公司，陕西神木719315)摘要：为了掌握浅埋深8.8m以上特厚煤层一次采全高开采覆岩活动规律，以上湾煤矿8.8m 超大采高综采工作面为研究对象。

利用理论计算，相似模拟以及数值模拟等方法，通过顶板位移深基点观测、微震监测、矿压监测等多种手段，将远场覆岩活动与近场矿压显现相结合，对8.8m超大采高综采工作面采场覆岩运移规律和顶板结构形式进行研究。

推演得出浅埋深8. 8m超大采出空间下覆岩垮落的结构模型，揭示了工作面远场顶板断裂与垮落时空演化规律，分析了8.8m超大采高综采工作面矿压机理及支架与围岩的力学关系，为类似条件下特厚煤层综采工作面支架选型及安全高效开采提供理论及技术指导。

关键词：浅埋煤层；超大采高；覆岩结构模型；上覆岩层；矿压显现规律；支架-围岩关系；微震监测中图分类号：TD325 文献标识码：A文章编号：167卜0959(2020) 12-0055-06Overburden activity law of 8. 8m super-high-cutting fully-mechanized working faceY A N G J u n-z h e(C H N Energy Shendong Coal Group, S h e n m u 719315, China)Abstract ：In order to grasp the overburden activity law of full-seam mining in shallow-buried extra—thick coal s e a m thicker than8. 8m,based o n the engineering background of 8. 8m super -high fully m e chanized mining face in S h a n g w a n Coal M i n e,theoretical calculation,similar simulation and numerical simulation are carried o u t,a n d through observation of roof displacement at d eep base point, microseismic monitoring, monitoring of ore pressure a n d other m e a n s,the far-field overburden activity is analyzed combining with near-field m i n e pressure behaviors, the law of overburden migration a n d roof structure is studied for the8. 8m super high cutting fully m echanized mining face. Structure mo d e l of the overlying strata caving is obtained for the shallow-buried 8. 8m s uper-high m i n e d out space, the space-time evolution law of far field roof fracturing a n d caving is revealed, the m i n e pressure m e c h a n i s m of the 8. 8m super-high-cutting fully-mechanized working face a n d the mechanical relationship between the support a n d surrounding rock are analyzed. T h e study can provide theoretical a n d technical guidance for the support selection,a n d safe a n d efficient mining in ultra-thick s e a m fully m e chanized mining face under similar conditions.K e y w o r d s：shallow d e p t h；supper - high - cutting；structure m o d e l of overlying strata；overlying strata；m i n e pressure behavior；relationship b e tween support a n d surrounding rock我国煤炭在一次能源消费中的比例达60%以上[1]。

6 采动破坏规律及底板水害威胁程度6.1 顶板冒裂带高度计算6.1.1 理论基础1）覆岩遭受破坏的根本原因煤层开采后形成的采场空间，会引起围岩的原始应力变化，当围岩所承受的应力超过它的极限强度时，就会发生位移、开裂、断裂、直至破碎冒落。

因此，采场空间的存在，是覆岩产生破坏的根本原因。

（1）破坏性采动影响和非破坏性采动影响采后覆岩大面积缓慢整体移动或下沉，一般不产生连通性的导水裂隙，岩层的原始渗透性不发生明显的变化，属于非破坏性采动影响。

如果覆岩在发生变形、位移过程中伴有开裂、破碎、脱落使岩层原有的导水、隔水性能改变，就属于破坏性采动影响。

根据破坏程度和形式不同，破坏性采动影响分为冒落性和开裂性两种。

冒落性破坏是指覆岩在采动影响下，由于离层、断裂、破碎等，使一部分煤岩块从母体上脱落、自由地堆积在采空区内的现象，它对上覆水体或井巷的破坏是十分严重的。

开裂性破坏是指覆岩在采动影响下，只发生离层、开裂或错动，而不发生煤岩块脱落和“抽冒”，它虽然增加了岩层的导水性，但基本不破坏岩层的原有产状。

（2）规律性采动破坏和非规律性采动破坏以长壁工作面为代表的大面积均匀采煤，造成采高大致相同的采出空间，它的采动影响在垂直剖面上是以采场为中心，以顶底板及煤壁为起点向四周扩展，并逐渐减弱或消失的，因而它具有一定的分带性，并且比较有规律，故称为规律性采动破坏。

与之相反，以落垛、托煤顶等采煤方法为代表的采场，采高很不均匀，常常由于局部采高超出煤层而向上“抽冒”，采出空间很不规律，覆岩的采动破坏在垂直剖面上不具备分带性，没有规律可循，称为非规律性采动破坏。

2）覆岩采动破坏的分带性在正常条件下，根据覆岩采动破坏程度及其次生的透水、透砂能力，从开采煤层的顶板开始，由下而上大致可划分为三个不同的破坏影响带，即：冒落带、裂隙带和弯曲带。

（1）冒落带采煤工作面放顶后，顶板发生逐层冒落，直到冒落矸石接触上覆岩层，此冒落破坏范围为冒落带。

- 89 -工 程 技 术０　引言煤层开采以后形成采空区，由于煤层的开采，上覆岩岩层松动会形成很多裂隙，如果地下水或地表水顺着裂隙进入采空区，会严重威胁矿井工人的安全，因此对裂隙发育规律的研究具有十分重要的意义。

国内外很多学者对上覆岩裂隙的发育规律进行了研究[1]，虽取得了一定的成果。

据现有资料查证，前人采用材料相似模拟、钻孔法探测、经验类比、经验统计等方法对浅部煤层进行研究，可以得出上覆岩的发育规律[2-4]。

但对上覆岩岩层岩性、前期存在的裂隙构造产生的继发性问题考虑较少，需要进一步分析研究。

目前，尤其是对水库下、中厚煤层大采高开采的裂隙发育规律研究更少。

该文考虑了基于岩层岩性、原生裂隙等前提条件，利用UDEC 数值模拟法对水库下、中厚煤层进行裂隙演变发育进行研究，为类似地质条件下的煤层开采提供理论指导，并防治水灾的发生。

１　Ｎ１Ｓ１综采工作面概况研究区N1S1工作面位于3台子水库下，水深15 m 左右，上覆岩主要包括砂岩、泥岩、油页岩等多种岩层，工作面采用综采的开采方法，煤层厚度为15 m，开采深度为430 m，工作面长度为280 m，采放高度为15 m。

其上覆岩原生裂隙有4条，具体信息见表1。

表1 N1S1工作面原生裂隙参数坐标X １（ｍ）Y ２（ｍ）X ２（ｍ）Y ２（ｍ）裂隙１２３０１０３２５５３２５裂隙２３０５ １０３３３０９０裂隙３３００２４０３３０４２０裂隙４３２０２１０３８５３３０２　采煤工作面的数学建模模型设计：研究开采进程中上覆岩裂隙发育规律，首先要确定研究区范围，即模型大小。

模型尺寸越大，在开采的进程中对边界的影响就会越小，但是在建模的过程中，一个模型过大会严重降低计算机设备运行的速度，严重时会导致卡进、死机的情况，难以较好地完成模拟计算。

因此在确定模型范围时，遵循“对所要研究的问题的结果不会产生显著的影响”的设计计算原则。

经过筛选多次模拟最终确定模型的长度为600 m，高度为500 m。

第32卷10期2020年10月中国煤炭地质COAL GEOLOGY OF CHINAVol.32No.10Oct.2020doi:10.3969/j.issn.1674-1803.2020.10.03文章编号:1674-1803(2020)10-0010-05近距离厚煤层重复采动覆岩 两带 高度分析柳昭星1,2,3(1.中煤科工集团西安研究院有限公司,西安㊀710054;2.陕西省煤矿水害防治技术重点实验室,西安㊀710077;3.西安科技大学地质与环境学院,西安㊀710054)摘㊀要:随着煤炭资源大规模开发利用,许多矿区面临近距离煤层重复回采问题,其中重复采动造成的 两带 发育高度是指导多煤层开采的重要指标参数,而现有相关规定中对近距离煤层重复采动高度缺少理论性分析,因此为合理确定近距离煤层重复采动覆岩 两带 高度,利用理论分析和数值模拟计算对近距离煤层重复采动覆岩 两带 高度进行分析和讨论㊂研究结果表明:近距离煤层开采时,煤层间距大于或小于下层煤垮落带高度,下层煤开采均会导致上层煤的垮落带和导水裂缝带高度增加,并且垮落带高度占导水裂缝带高度中的比例增加,重复采动的 两带 高度需要增加下层煤回采造成的等效采后影响㊂研究结果对于近距离煤层重复采动覆岩 两带 高度的确定具有理论意义和指导价值㊂关键词:近距离厚煤层;重复采动;岩石碎胀系数; 两带 高度中图分类号:TD327㊀㊀㊀㊀㊀㊀文献标识码:AAnalysis of Two Zones Height in Overburden above Small Interval Thick Coal Seams Repeated MiningLiu Zhaoxing 1,2,3(1.Xi an Research Institute,China Coal Technology and Engineering Group Corp,Xi an,Shaanxi 710054;2.Shaanxi Key laboratory of Coalmine Water Hazard Prevention and Control Technology,Xi an,Shaanxi 710077;3.College of Geology and Environment,Xi an University of Science and Technology,Xi an,Shaanxi 710054)Abstract :Along with extensive exploitation and utilization of coal resources,many mine areas have faced issues from small interval coalseams repeated extraction.In which,repeated mining caused caving and fissure two zones developed height is major indicative parame-ters to guide multiple coal seams mining.While to small interval coal seams repeated mining is lack of theoretical analysis in available relevant regulations.Thus to reasonable determination of overburden two zones height in overburden above small interval coal seams repeated mining has been analyzed and discussed through theoretical analysis and numerical simulation computation.The result hasshown that during the small interval coal seams mining,the interval greater than or less than lower coal seam caving zone height,theextraction of lower coal seam will cause upper coal seam caving zone and water conducted fissure zone height increased,and proportion of caving zone in water conducted fissure zone increased.The two zones height in repeated mining should increase lower coal seam extraction caused equivalent post mining effect.The studied results have theoretical significance and guidance value for small intervalcoal seams repeated mining overburden two zones height determination.Keywords :small interval thick coal seams;repeated mining;coefficient of rock bulk increase; two zones height基金项目:天地科技股份有限公司科技创新创业资金专项(2018-TD -QN052);陕西省自然科学基础研究计划项目(2019JQ009,2020JM -715)㊂作者简介:柳昭星(1988 ),男,汉族,山东肥城人,博士研究生,助理研究员㊂收稿日期:2020-05-06责任编辑:宋博辇㊀㊀煤层采动破坏了岩体的原始应力场,使得采场围岩和采空区的应力发生变化并重新达到平衡状态,在这一过程中围岩尤其是采空区上覆岩层发生变形㊁开裂及破断[1],而在我国许多大型人工水体和江河湖泊下压赋着大量煤炭资源,对其进行开采势必会带来技术上的困难和安全上的威胁[2]㊂经过大量实践和研究,我国已有许多水体下采煤的成功案例,其中,覆岩破坏的 两带 高度(导水裂缝带和垮落带)是成功开采水体下煤炭资源㊁指导矿井防治水和防溃砂工作的关键参数[3]㊂因此准确分析研究煤层采后覆岩 两带 发育规律,对安全采出水体下压滞煤炭资源具有重要意义㊂20世纪80年代,刘天泉院士等通过对大量现场覆岩破坏实测数据的分析,总结了在普采㊁分层开采采煤工艺下覆岩破坏 两带 高度的经验计算公式,并被写入2000年版本的‘建筑物㊁水体㊁铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程“(以下简称‘三10期柳昭星:近距离厚煤层重复采动覆岩 两带 高度分析11㊀下采煤规程“㊂但随着我国煤炭装备水平的提升及深部煤炭资源的开采,综放开采㊁一次采全高㊁近距离厚煤层等高产高效的开采工艺不断涌现,高强度的开采给水体下采煤带来了新的问题和挑战㊂目前,已有学者对单一煤层综放开采和大采高一次采全高的 两带 高度进行了研究和总结[4]㊂2017年版本的‘建筑物㊁水体㊁铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程“指出近距离煤层垮落带和导水裂缝带高度的计算,必须考虑上㊁下煤层开采的综合影响㊂但到目前为止,近距离厚煤层覆岩破坏 两带高度仅限于少量实际观测[5-7]和数值模拟研究[8],对其定量的理论研究较少㊂随着煤炭资源的大规模开发利用,煤系地层多煤层开采势必造成覆岩的重复扰动问题,为煤矿安全生产提供科学依据,有必要对近距离煤层重复采动下的 两带 发育高度进行理论分析㊂覆岩破坏后 两带 发育高度取决于采空区冒落岩块的压实程度和开采空间的大小,因此,笔者基于岩块碎胀变化对近距离煤层重复采动的覆岩 两带 高度进行理论探究,并结合数值模拟对近距离厚煤层重复采动的覆岩破坏 两带 高度进行分析和总结,以期为水体下近距离厚煤层覆岩破坏 两带 高度的确定在理论上提供借鉴和依据㊂1㊀工程概况我国东部某矿为典型水体下采煤矿区,主采7#㊁8#煤,为近距离厚煤层,间距0~29.97m,7#煤,厚度为3.23~6.32m,平均厚度5.02m,平均倾角7.5ʎ,煤层结构简单,为全井田可采的稳定型厚煤层;8#煤,煤厚为0~5.95m,平均厚度3.5m,为局部可采的较稳定煤层㊂目前采用综采或综放开采方法㊂东翼某采区7#㊁8#煤层浅部露头处于地表大型水体下,7#煤层储量基本开采完毕,仅浅部露头区有部分煤炭,8#煤层工作面已经开采㊂据统计,该区域基岩面以下17m浅部煤量为7#煤层580万t㊁8#煤450万t㊂而合理确定8#煤重复采动后覆岩 两带 发育高度是保证该部分煤炭资源安全回采的关键㊂2㊀近距离厚煤层重复采动覆岩 两带 高度理论分析2.1㊀近距离厚煤层重复采动覆岩破坏规律关于近距离煤层覆岩导水裂缝带最大高度的确定,2017年版‘三下采煤规程“内容中删掉了近距离煤层 两带 高度计算方法,只给出了考虑上㊁下两层煤相互影响的指导性原则;2000年版‘三下采煤规程“规定:当上㊁下两层煤的最小垂距h大于回采下层煤时的垮落带高度H xm时,分别以上㊁下层煤厚度计算导水裂缝带高度,通过对比上㊁下层煤厚度所确定的导水裂缝带高度标高确定最终值;当上㊁下两层煤的最小垂距h小于回采下层煤的垮落带H xm 时,上层煤的导水裂缝带最大高度采用本层煤的开采厚度计算,下层煤的导水裂缝带最大高度则应采用上㊁下两层煤的综合采厚计算,取其中标高最高者为两层煤的导水裂缝带的最大值[9]㊂笔者认为上层煤开采打破原有应力平衡状态,造成上覆岩层破断㊁垮落和底板产生岩层破裂,直到上覆垮落岩块逐渐在采空区压实支撑住上覆岩层达到新的应力平衡状态后停止㊂下层煤重复开采造成应力平衡状态再次被打破,下层煤上覆岩层产生破断㊁垮落,上层煤采空区底板在上部压实岩块及上覆岩层载荷下处于应力集中状态,由于初次开采的扰动,其底板强度降低,当下层煤上方垮落带高度小于上㊁下煤层最小间距时,上层煤采空区底板岩层势必会在上部集中应力载荷下产生变形㊁破断,直至下层煤采空区冒落岩块被压实达到应力平衡状态后停止㊂而上层煤回采后冒落的岩块随下部岩层弯曲㊁变形的同时变得活化㊁松散,致使上覆岩层在下部失去冒落岩块支撑后处于应力不平衡状态,其内部原有裂缝带中一般开裂和微小开裂部分在应力不平衡状态下产生由下向上的扩展,进而导致垮落带和裂缝带范围进一步发育和增大,而且垮落带范围所占比例越来越大,裂缝带所占比例则越来越小[10]㊂文献[5]中的实测资料也表明:上层煤底板破坏范围与下层煤垮落带发育范围有重合区域时,下层煤垮落带高度增大㊂因此,不论上㊁下层煤间距与下层煤的垮落带高度关系如何,下层煤的开采势必会导致上层煤垮落带和裂缝带的进一步发育,计算下层煤重复采动覆岩 两带 发育高度时要对上层煤的 两带 发育高度进行重新计算和修正,以得到最终的 两带 发育高度㊂2.2㊀重复采动覆岩 两带 高度分析2.2.1㊀垮落带文献[11]指出,开采空间的存在及松散冒落岩块的被压缩是产生裂缝带的根本原因,开采空间的大小和冒落岩块的压缩率则是裂缝带高度的量度㊂采厚大㊁冒落带高度大,冒落岩块的压缩率大,裂缝带高度也大,反之裂缝带高度也小㊂因此在采厚一定的情况下,垮落岩块的碎胀性对 两带 高度的发育起到了至关重要的作用㊂因此可以通过重复采动产生的岩块碎胀性的变化导致的开采空间的变化对 两带 高度进行修正和计算㊂如图1为近距离煤12㊀中㊀国㊀煤㊀炭㊀地㊀质第32卷层采动覆岩破坏高度示意,其中M s 和M x 分别为上层煤和下层煤采厚,H sl 和H xl 分别为上层煤和下层煤裂缝带高度,H sm 和H xm 分别为上层煤和下层煤垮落带高度㊂图1㊀近距离厚煤层开采 两带 高度示意Figure 1㊀A schematic diagram of two zones heightduring small interval coal seams mining上层煤初次回采时垮落带范围内岩层厚度自下而上依次为H 1㊁H 2㊁ H n ,每层岩层对应岩块的压实碎胀系数分别为K 1ᶄ,K 2ᶄ, ,K n ᶄ,则对应煤层开采后各层岩层的碎胀高度分别为K 1ᶄH 1,K 2ᶄH 2,K 3ᶄH 3, K n ᶄH n ,进而得到上层煤初次回采后的垮落带高度:H sk =M s +ðni =1H i -ðni =1Kᶄi H i ㊀㊀下层煤开采时,上㊁下煤层间垮落带范围内岩层自下而上厚度依次为h 1,h 2, ,h n ,每层岩层对应的松散岩石碎胀系数为k 1,k 2, ,k n ,煤层采厚为M x ,则开采后岩石碎胀高度为:k 1h 1,k 1h 1, ,k n h n ,上覆岩层底板下沉空间为Δx ,则:Δx =M x +ðni =1h i -ðni =1k i h i ㊀㊀压实后的碎胀系数为kᶄ1,kᶄ2, .,kᶄn ,上覆岩层底板下沉受阻空间变为Δᶄx 则:Δᶄx =M x +ðni =1h i -ðni =1Kᶄi h i ㊀㊀因此,在不考虑上层煤冒落岩块碎胀性变化的情况下,开采下层煤相当于上层煤采厚增加Δᶄ1(如图1)㊂当煤间距L 大于下层煤垮落带高度时:ðni =1h i <L㊀㊀当煤间距L 小于下层煤垮落带高度时:ðn i =1h i =L㊀㊀根据前文分析,下层煤重复回采后相当于上层煤采厚增加Δᶄx ,而且重复采动造成上层煤初次回采时压实在采空区的碎石活化㊁松动,碎胀性提高,因此通过考虑上述2个因素得到重复采动后上层煤垮落带高度:Hᶄsk =M s +Δᶄx +ðmi =1hᶄi -ðmi =1kᵡi hᶄi 式中:kᵡi 为重复采动后上层煤采空区岩石碎胀系数,m >n ㊂2.2.2㊀裂缝带裂缝带位于垮落带之上,其岩层整体上具有较好的断裂次序,贯通裂缝较多,具有透水性特征㊂下层煤的重复采动造成垮落带的增大,并且随着碎石对顶板承压后被压实,相当于上层煤采空区空间高度增加了Δᶄx ,而其对上部裂缝带高度的影响主要取决于裂缝带上部的弯曲下沉带是否有部分断裂,如果断裂则裂缝带高度提高,而其弯曲下沉带主要影响因素为岩层的破断距和极限挠度,而上层煤单独回采时弯曲下沉带岩层已经发生弯曲下沉变形,因此极限挠度应与重复采动的等效增加厚度和原有弯曲下沉值之和进行比较分析裂缝带增加高度㊂3㊀近距离厚煤层重复采动数值模拟分析3.1㊀模型构建采用FLAC 3D 数值模拟软件对7#煤和8#煤回采过程中覆岩破坏情况进行模拟计算㊂根据采区7#㊁8#煤赋存地质条件,设定煤层及岩层倾角为13ʎ,松散层为水平分布,煤层沿倾向方向,标高逐渐增高,基岩厚度逐渐减小㊂模型中7#煤厚度为6m,8#煤厚度为4m,二者间距8m,顶底板模型根据岩层结构组成建立模型(图2),模型长360m,宽50m,高256m,整个模型共划分为43840个单元,49764个节点,模拟计算中的地层物理力学参数详见表1㊂图2㊀数值计算模型Figure 2㊀Numerical computation mode计算采用摩尔-库伦本构模型,模型前后和左10期柳昭星:近距离厚煤层重复采动覆岩 两带 高度分析13㊀右边界施加水平约束,即边界水平位移为零㊂模型底部边界固定,即底部边界水平㊁垂直位移均为零,模型顶部为自由边界㊂表1㊀模型地层物理力学参数Table 1㊀Model stratigraphic physical and mechanical parameters名称密度/kg㊃m -3弹性模量/MPa 泊松比黏聚力/MPa 摩擦角/(ʎ)抗拉强度/MPa 表土135013000.150.3180.13黏土17303500.170.35220.23砂质黏土180014000.190.41240.18泥岩220030000.25.528 1.2细砂岩240031500.357.132 2.4中砂岩230025300.28 6.533 2.2粗砂岩211022500.21 5.234 2.1煤层137016000.20.56300.33.2㊀模拟计算及结果分析根据采区回采工艺先模拟回采上层煤7#煤,再模拟回采下层煤8#煤㊂7#煤层和8#煤层工作面回采进尺依次为30m㊁60m㊁120m㊁150m㊁180m 和200m㊂通过不同煤层回采进尺计算得到不同回采进尺下覆岩塑性破坏特征和垂直应力分布特征㊂图3㊀7#煤回采进尺180m 时覆岩塑性破坏区Figure 3㊀Coal No.7overburden plastic failure zone duringcoal extraction footage180m图4㊀7#煤回采进尺200m 时覆岩塑性破坏区Figure 4㊀Coal No.7overburden plastic failure zone duringcoal extraction footage200m图5㊀8#煤回采进尺180m 时覆岩塑性破坏区Figure 5㊀Coal No.8overburden plastic failure zone duringcoal extraction footage180m图6㊀8#煤回采进尺200m 时覆岩塑性破坏区Figure 6㊀Coal No.8overburden plastic failure zone duringcoal extraction footage 200m图3㊁图4分别为7#煤回采180m 和200m 时覆岩塑性破坏结果,图5㊁图6分别为8#煤层重复采动进尺180m 和200m 时覆岩塑性破坏结果㊂分析可得7#煤层工作面回采时,随工作面进尺增加覆岩破坏范围变大, 两带 发育高度逐渐增大,最后在进尺180m 时达到充分采动状态㊂采空区上方自下而上,依次产生拉伸破坏和剪切破坏,呈现明显 马鞍 形发育形态;8#煤层工作面重复回采时,相同进尺下采空区围岩破坏范围明显大于7#煤单独回采时破坏范围, 两带 高度均有所增加,最后达到充分采动, 两带 高度达到最大㊂另外,当7#煤层工作面单独回采时和8#煤层工作面重复采动时,导水裂缝带发育第四系松散层底部均受到抑制,这是由于采区浅部露头区域第四系松散层下部的风化带泥化现象严重,抑制了导水裂缝带发育㊂图7㊁图8分别为7#煤和8#煤工作面回采180m 时垂直应力分布云图㊂分析可得7#煤层单独回采与8#煤层重复采动时工作面两侧均发生了应力集中现象,最大值均位于工作面煤壁前方不远位置处,随着采空区范围增大,应力集中最大值逐渐推移㊂在采空区边缘上方,岩体处于拉压应力区,采动裂隙14㊀中㊀国㊀煤㊀炭㊀地㊀质第32卷图7㊀7#煤回采进尺180m 时围岩垂直应力分布Figure 7㊀Coal No.7surrounding rock vertical stress distributionsduring coal extraction footage180m图8㊀8#煤回采进尺180m 时围岩垂直应力分布Figure 8㊀Coal No.8surrounding rock vertical stress distributionsduring coal extraction footage 180m发育充分,导水裂缝带在此处发育最高;另外,8#煤层重复采动时工作面前方支承压力峰值大于比7#煤单独回采时的支承压力峰值,并且峰值位置较7#煤层工作面距煤壁更远,原因在于8#煤重复采动时产生了更大覆岩活动空间,上覆岩层破坏范围增大,覆岩中原有的岩层 结构 发生失稳,在应力重复分布的过程中 结构 向上传递,从而造成结构应力拱在工作面一侧的前移㊂由图9可得:7#煤单独回采时垮落带最大发育高度为33m,导水裂缝带最大发育高度为62m;8#煤重复采动时垮落带最大发育高度为47m,导水裂缝带最大发育高度为65m㊂且8#煤重复采动时垮落带占导水裂缝带的比例明显大于7#煤单独回采时的比例,主要原因在于7#煤与8#煤间距为8m,小于8#煤回采后的垮落带高度,而8#煤重复采动后,形成的垮落带高度与7#煤采空区的压实岩块重叠,造成压实岩块松动㊁碎胀性增大,从而使得垮落带和裂缝带增大,但裂缝带增加幅度小于垮落带增加幅度㊂图9㊀7#煤单独回采和8#煤重复采动不同回采步距下数值模拟 两带 高度Figure 9㊀Numerical simulated two zones height duringcoal No.7single extraction and with coal No.8repeatedmining under different independent extraction advances4㊀结论通过对近距离煤层下层煤重复采动岩石碎胀性变化的理论分析和近距离煤层单独回采㊁重复采动数值计算得到:近距离煤层开采时,煤层间距大于或小于下层煤垮落带高度,下层煤开采均会导致上层煤的垮落带高度和导水裂缝带高度的增加,并且垮落带高度占导水裂缝带高度中的比例增加㊂参考文献:[1]李兴尚.建筑物下条带开采冒落区注浆充填减沉技术的理论研究[D].江苏徐州:中国矿业大学,2008.[2]李伟,张文泉.近距离煤层开采覆岩导水断裂带高度研究[J],矿业安全与环保,2012,39(6):23-28.[3]许延春,刘世奇.水体下综放开采安全煤岩柱留设方法研究[J].煤炭科学技术,2011,39(11):1-4.[4]许延春,李俊成,刘世奇,等.综放开采覆岩"两带"高度的计算公式及适用性[J].煤矿开采,2011,16(2):4-7.[5]许延春,刘世奇,柳昭星,等.近距离厚煤层组工作面覆岩破坏规律实测研究[J].采矿与安全工程学报,2013,30(4):506-511.[6]栾元重,李静涛,班训海,等.近距离煤层开采覆岩导水裂缝带高度观测研究[J].采矿与安全工程学报,2010,27(1):139-142.[7]武书泉.近距离煤层重复采动上覆岩层"两带"高度的探测[J].神华科技,2015,13(6):15-18.[8]仇圣华,曹福辉,杨志锡,等.近距离煤层采后覆岩导水裂隙带高度数值模拟研究[J].中国煤炭,2012,38(11):4-47.[9]国家煤炭工业局.建筑物㊁水体㊁铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程[M].北京:煤炭工业出版社,2000:227-236.[10]煤炭科学研究院北京开出研究所.煤矿地表移动与覆岩破坏规律及其应用[M].北京:煤炭工业出版社,1981.[11]夏小刚,黄庆享.基于空隙率的冒落带动态高度研究[J].采矿与安全工程学报,2014,31(1):102-107.。

多煤层重复采动覆岩“两带”高度探测技术研究高振宇闫江平庞长庆（国家能源集团神东煤炭公司布尔台煤矿，内蒙古鄂尔多斯，017209）摘要：为准确判识多煤层重复采动条件下覆岩“两带”发育高度，选取布尔台煤矿典型工作面，采用钻孔冲洗液漏失量观测、彩色钻孔电视成像及“井-地”联合微震监测综合探测技术，并通过相似模拟实验研究，综合判定42煤重复采动条件下，垮落带高度为34.7m 、裂隙带高度为158.5m 。

根据实测数据，拟合回归提出了多层煤重复采动条件下，覆岩“两带”高度计算公式，并利用计算得出42煤重复采动垮落带高度为32.7m 、裂隙带高度为158.7m ，与实测值基本吻合，对比验证了拟合公式的准确适用性。

关键词：重复采动垮落带导水裂隙带彩色钻孔电视微震监测中图分类号：TD325文献标识码：A 文章编号：2096-7691（2020）07-033-06作者简介：高振宇（1984-），男，工程师，2008年毕业于西安科技大学地质工程专业，现任职于国家能源集团神东煤炭公司布尔台煤矿，主要从事煤矿水害及矿压防治工作。

Tel：151****6014，E-mail：****************煤层开采后，采空区上覆岩层势必发生变形和破坏，形成明显的“三带”形态，从下往上依次是垮落带、导水裂缝带和弯曲下沉带。

其中，垮落带和裂缝带（简称“两带”），合称导水裂隙带，是顶板含水层威胁工作面的主要导水通道。

随着矿井水平延深，一些煤矿已经进入上组煤采空区之下开采，或者实行上、下两煤层联合开采。

下组煤开采导致覆岩破坏产生的裂隙导通上组煤层采空区积水，另外，下组煤重复采动，形成的复合导水裂隙带高度可能大于上组煤一次采动导水裂隙带高度，进而导通上组煤采空区上部含水层，极大地影响下组煤的开采。

因此，多煤层重复采动覆岩的“两带”发育规律亟需深入研究。

近年来，众多学者及工程技术人员通过现场实测、理论分析、物理相似模拟、数值模拟、地球物理探查、微震监测等方法对覆岩“两带”发育规律进行了总结研究，取得了丰硕的成果［1-14］。

第30卷第5期2021年5月中国矿业CHINA MINING MAGAZINEVol.30,No.5May2021智能矿山基于数字散斑技术的煤层群开采覆岩运移规律试验研究晏涛，王明，夏向学(华北科技学院，河北三河065201)摘要：为研究缓倾斜近距离煤层群开采时上覆岩层运移及含水层水动力演化规律，防止煤层群下行开采时发生突水事故，采用流固耦合相似模拟试验、应用数字散斑技术、理论分析等研究手段对某煤矿六采区综采工作面煤层群开采后的顶板变形破坏进行研究。

结果表明：①14#上组煤层开采过程中，隔离煤柱能够较好地控制顶板的移动变形，15#下组煤层重复开采时会破坏上组煤层隔离煤柱，导致顶板的变形破坏加剧；②煤层群开采后覆岩位移传播方向为竖直方向，同一岩层位移呈现出中间下沉量大、两侧下沉量小的盆地特征；③应用数字散斑技术测得14#上组煤层和15#下组煤层开采后覆岩位移最大影响高度分别为29.0m和32.8m,与经验公式法计算结果进行对比，观测误差分别是18%和5.3%;④工作面依次下行开采14#煤层和15#煤层时含水层有发生突水的危险&关键词：数字散斑技术；流固耦合；相似模拟；运移规律中图分类号：TD82文献标识码：A文章编号：1004-4051(2021)05-0120-05Experimental study on overlying strata migration law of coal seam group miningbased on digital speckle technologyYAN Tao,WANG Ming,XIA Xiangxue(North China Institute of Science and Technology,Sanhe065201,China)Abstract:In order to study the law of overlying strata migration and aquifer hydrodynamic evolution duringmining of gently inclined and close distance coal seams,and to prevent water inrush accidents duringdownward mining of coal seams,the deformation and failure of roof of fully mechanized working face inNo.6mining area of a coal mine is studied by means of fluid solid coupling similar simulation test,digitalspeckle technology application and theoretical analysis.The results show that during the mining process of14#upper group coal Phe isolaPed coal pi l ar can be P er conProlPhe movemenPand deforma ion ofPhe roofwhilePherepeaPed mining of15#lower group coal wi l desProyPhe isolaPed coal pi l ar of upper group coalresulting in the aggravation of roof deformation and failure;after the mining of coal seams,the overlyingstrata displacement propagation direction is vertical direction andthe displacementofthesamestratumpresents the characteristics of large middle subsidence and small subsidence on both sides；the maximuminfluence height of overburden displacement measured by digital speckle technology is29.0m and32.8mafter mining14#upper group coal and15#lower group coal respectively and compared with the calculationresults of empirical formula method,the observation error is1.8%and5.3%；瓦aquifer water inrush riskwi l occurwhen14#coalseamand15#coalseamaremineddownsuccessively.Keywords:digital speckle technology；fluid solid coupling；similarity simulation；migration law收稿日期：2020-08-27责任编辑：边晶莹基金项目：河北省高等学校科学技术研究项目资助(编号:ZC2021103)；河北省自然科学基金重点项目资助(编号：D2017508099)第一作者简介：晏涛(1991—)，男，硕士，讲师，主要从事矿山地质方面的教学与研究工作，E-mail：549161561@。

深部开采多场耦合含瓦斯煤宏细微损伤机理及裂隙动态演化规律1. 引言在煤矿深部开采过程中，瓦斯是一个重要的安全隐患，它不仅会引起煤矿瓦斯爆炸，还会导致矿井顶板的破坏和岩爆等问题。

因此，研究深部开采多场耦合含瓦斯煤的宏细微损伤机理及裂隙动态演化规律对于保障矿井的安全运营具有重要意义。

2. 多场耦合含瓦斯煤开采的背景深部开采多场耦合含瓦斯煤是指在深部煤矿开采过程中，存在多种场耦合效应：包括瓦斯-煤体-岩石的耦合效应、瓦斯-顶板-煤柱的耦合效应、岩层结构的变形和煤体损伤等。

这些场耦合效应的交互作用对于矿井的安全运营和瓦斯排放具有重要影响。

3. 宏观损伤机理宏观损伤机理是指在深部开采过程中，矿井的岩石结构和煤体会因为多种因素受到影响而产生损伤，表现为岩层的破裂、煤柱的变形等。

深入了解宏观损伤机理对于预测矿井的稳定性和安全开采具有重要意义。

以下为宏观损伤机理的一些主要内容：3.1 瓦斯对煤体的损伤瓦斯在煤体内部的积聚会导致煤体内部的裂隙形成和扩展，从而引起煤体的损伤。

瓦斯的渗透性和压力会对煤体的物理性质产生影响，同时也会加剧煤体的损伤程度。

3.2 顶板对煤体的损伤在深部开采过程中，顶板的压力会导致煤体的强度下降和破坏，从而引起煤柱的变形和煤层的塌陷。

因此，研究顶板对煤体的损伤机理对于矿井的安全开采非常重要。

3.3 煤柱的应力变化和损伤煤柱是煤田中相对稳定的部分，但在深部开采过程中会受到多种力的作用，从而导致煤柱的应力变化和损伤。

研究煤柱的应力变化和损伤机理对于预测矿井的稳定性具有重要意义。

4. 微观损伤机理微观损伤机理是指在深部开采过程中，岩石和煤体的微观结构会因为外界力的作用而发生变化，进而导致岩石和煤体的损伤。

以下为微观损伤机理的一些主要内容：4.1 微裂纹的形成和扩展微裂纹是岩石和煤体损伤的显著特征，它的形成和扩展会导致岩石和煤体的强度下降和破坏。

深入研究微裂纹的形成和扩展规律对于预测岩石和煤体的损伤具有重要意义。

Vol. 30 ! No. 3Mar 2021第30卷第3期2021年3月中国矿业CHINA MINING MAGAZINE寺家庄煤矿15106采煤工作面覆岩裂隙“三带”规律研究余北建(阳泉煤业(集团)有限责任公司,山西阳泉045000)摘要：为研究寺家庄煤矿15106工作面回采过程中上覆岩层裂隙的动态发育规律，基于工作面覆岩地 质条件，采用理论分析、数值模拟和相似模型实验的方法研究覆岩裂隙的发育，并划分“三带”。

依据矿业控制理论，得到垮落带高度为14.37〜17.25 m,裂隙带高度为54.8〜72.6 基于UDEC 软件，模拟得到 k 2石灰岩底板距离煤层顶板18 m 为跨落带高度，毗石灰岩底板距离煤层顶板66 m 为裂隙带高度&根据相似模型实验得到垮落带高度为18 m,裂隙带高度为64 理论分析、数值模拟和模型实验得到覆岩“三 带”高度基本一致，以坚硬的石灰岩高度为准，确定垮落带高度18 m,裂隙带高度66 m,为高抽巷层位选取 提供了一定的理论指导&关键词：覆岩；裂隙；UDEC 软件；相似模型；三带中图分类号：TD821 文献标识码：A 文章编号：10044051(2021)03019305Study on the “three zones ” of overburden fracture in the 15106 coalface of Sijiazhuang coal mineYU Beijian(Yangquan Coal Industry (Group ) Limited Liability Company ， Yangquan 045000， China )Abstract : In order to study the dynamic development law of overlying strata fissures during the miningprocessof15106 workingfaceinSijiazhuangcoalmine !basedonthegeologicalconditionsoftheoverlying strataoftheworkingfacetheoreticaldevelopmentnumericalsimulationandsimilarmodelexperimentsareusedtostudythedevelopmentofoverburdenfractureszones Accordingtothe miningcontroltheory the heightofcavingzoneis14 37-17 25 m !andtheheightoffracturedzoneis54 8-72 6 m Based on theUDEC software,the simulation results show that the k 2 limestone floor is 18 m from the roof of the coal seam and the height of the k 4 limestone floor is 66 m from the roof of the coal seam. According to thesimilarmodelexperiment !theheightofcavingzoneis18 m !andtheheightoffracturedzoneis64 m. Theoreticaldevelopmentnumericalsimulationandmodelexperimentsshowthattheheightof “threezones ” oftheoverburdenisbasica l ythesame.Basedontheheightofthehardlimestonetheheightofcavingzoneis18 m !andtheheightoffracturedzoneis66 m.Theresultsprovidesometheoreticalguidancefortheselectionofhighdrainagelanes.Keywords : overlying rock ； fracture ； UDEC software ； similar model ； three-zone传统“三带”理论认为1，工作面向前推进，顶板 岩层悬露继而破坏垮落，在顶板垮落过程中，上覆岩层可形成垮落带、裂隙带和弯曲下沉带，三个岩层移动和变形各有特点的空间区域。