近年来，随着对煤炭的高强度开采，浅部煤炭资源已不能满足社会需求，深部可利用煤层资源亟待开发，重复开采问题日益增多。而开采沉陷作为矿区煤炭开采过程中形成的地质灾害问题，严重破坏矿区生态地质环境，影响矿区及周边居民正常生产生活。且重复开采对煤层上部应力场造成二次干扰，在应力重新平衡的过程中，使得上覆岩层再次发生变形破坏，引起更加强烈的开采沉陷。因此，对重复开采过程中的开采沉陷规律进行深入研究，对于矿区有效防治采煤沉陷危害，保护矿区生态地质环境具有重要意义[1,2,3,4,5,6]。目前，许多学者采用物理模拟、数值模拟等方法，对重复开采造成的开采沉陷展开研究，并取得了显著的成果[4,5,6,7,8]。随着研究的逐渐深入，各种因素对开采沉陷的影响日渐清晰。李阔[9]结合物理模拟和数值模拟，分析了不同采宽、不同煤层间距条件下的地面变形位移情况；陈盼等[10]根据现场实测，对比分析了重复采动与单层采动下地面移动变形的差异性；蒯洋等[2]利用FLAC3D研究了厚松散层下多煤层重复开采次数对地面变形的影响；赵兵朝等[11]在重复开采条件下，考虑基采比、基载比、间采比3个关键指标，研究其对地面下沉系数的影响；董灿灿等[12]考虑复杂地貌下，重复开采造成地面沉陷的移动变形规律；侯恩科等[13]利用PFC2D模拟两工作面斜交开采过程，分析地面裂缝发育特征，发现采高的差异会影响地面下沉量；孙世国等[14]模拟上下两采区同时开采时对地面变形的影响；孙学阳等[15]通过改变上层煤两工作面中间留设煤柱宽度，利用相似物理模拟和数值模拟，分析对地面移动变形的影响。但工作面布置方式作为一个重要因素，相关研究还不充分。对于大采区、多工作面布置而言，工作面布置方式是影响开采沉陷的一个重要因素。

本文以山西省某煤矿重复开采工程为背景，利用MIDAS GTS/NS仿真模拟软件，建立了煤矿中常见的两种工作面布置方式，即工作面垂向平行布置与垂向垂直布置两种方式下的重复开采模型。对比不同布置方式下，地表移动变形及煤层覆岩应力应变变化规律，分析重复开采过程中，不同布置方式对开采沉陷的影响。此项研究为今后大采区进行重复开采时，工作面设计布置提供了参考思路，可以作为矿区有效防治开采沉陷灾害、保护生态地质环境的参考依据。

1、重复开采工程数值模型

重复开采项目区位于山西省西北部黄土高原中低山区，地形起伏较大，冲沟发育，地势东南高西北低。地表大部分被新生界松散层覆盖，基岩地层仅零星出露于沟谷底部。地层倾向西南，总体为一向西南倾斜的单斜构造，地层倾角为2°～8°。

煤矿主要开采煤层为8#煤和13#煤，8#煤层工作面与13#煤层工作面空间上呈垂向垂直分布。研究区内，8#煤层平行布置有8113,8115工作面，沿东西方向布置，工作面宽165 m, 长2000 m, 2013—2014年完成开采。13#煤层平行布置有13302,13306工作面，沿南北方向布置，工作面宽220 m, 长1800 m, 于2022年开始开采，目前已推进到13306工作面。经野外调查发现，现在研究区内地表已经出现不同程度沉陷，沉陷盆地边缘出现阶梯状塌陷(见图1)。

图1 研究区地表现状   

根据矿区相关地质资料，利用MIDAS GTX/NX建立研究区三维地质模型(见图2)。为研究重复开采下，工作面空间布置方式对开采沉陷的影响，排除地形因素对试验结果的干扰，将地形概化成平原，其他因素均保持不变。模型三轴尺寸为800 m×600 m×237 m, 地层一共14层，其中第6层为8#煤层，第12层为13#煤层，地层倾角为3°。对模型进行网格划分，网格尺寸为15 m。对模型四周施加侧向位移约束，模型底面施加固定约束，各岩层材料特性使用摩尔 - 库伦本构模型。

图2 研究区三维数值模型   

模型中各岩土体物理力学参数依据研究区相关资料及以往工程经验确定，具体参数见表1。

表1 地层分布及主要力学参数

单煤层工作面布置拟采用两种方案。方案一：两个工作面沿煤层倾向布置，工作面尺寸为600 m×165 m, 两工作面间隔煤柱宽70 m, 每阶段进尺60 m。方案二：两个工作面沿煤层走向布置，工作面尺寸为400 m×220 m, 两工作面间隔煤柱宽60 m, 每阶段进尺50 m(见图3)。采用综采一次采全高采煤法，顶板管理采用自然垮落法。8#煤层两个工作面分别为8113,8115;13#煤层两个工作面分别为13302,13306。

图3 工作面布置   

共建立5个模型，通过对比分析同种工作面布置方式下，重复开采与单煤层开采造成的开采沉陷情况，以及重复开采下，不同工作面布置方式造成的开采沉陷情况，得出工作面布置方式在重复开采过程中对开采沉陷的影响规律。具体模型工作面布置方式见表2、图4。

表2 各模型工作面布置方式

由图4可知，模型4两煤层工作面空间上垂向垂直分布，模型5两煤层工作面空间上垂向平行分布。

图4 各模型工作面布置   

2、数值模拟结果分析

2.1 地表位移变化规律

为研究不同工作面布置方式对地表下沉的影响，选取X=400 m, Y=300 m两个典型剖面，对各模型开采结束后地表位移情况进行分析，剖面线上各模型沉陷曲线如图5所示。

图5 各模型地表下沉曲线  

由图5分析可以得出以下规律。

(1) 以图5(a)中模型1位移曲线为例，当剖面横切过两工作面时，位移曲线呈“W”形，两个沉陷最大值对应位置为沉陷盆地的中心。开采沉陷导致地表形成以采空区为中心的沉陷盆地，越靠近采空区，沉陷值越大。

(2) 对比模型1、模型2位移曲线可以发现，工作面布置相同时，煤层埋深越深，开采沉陷对地表造成的扰动越小。

(3) 对比模型1、模型5位移曲线，可见重复开采相比单层开采，开采沉陷造成的地表下沉范围更广、下沉量更大。

(4) 对比模型1+模型2、模型5位移曲线，以及模型1+模型3、模型4位移曲线，分析可得重复采动引起的地表下沉量与两个单层煤开采引起的地表下沉量之和并非线性关系。与多层煤采掘工作面布置方式有很大的关系，当上下工作面垂向平行布置时，地表下沉量小于两个单层煤开采引起的地表下沉量之和；当上下工作面垂向垂直布置时，地表下沉量大于两个单层煤开采引起的地表下沉量之和。

由此可以看出，重复开采引起的开采沉陷不是两个单层煤开采引起的开采沉陷的简单叠加。

2.2 煤层顶板位移变化规律

地表下沉值与煤层上覆岩层的移动变形息息相关，因此，需要分析工作面布置方式对覆岩顶板的移动变形规律，分别在各模型工作面顶部岩层布置监测点。具体布置位置见表3。

表3 监测点布置

绘制测点随工作面不断推进过程中的位移变化曲线，如图6所示。

图6 随工作面推进测点位移曲线   

由图6(a)可以看出，开采8#煤层时，8#煤层工作面正下方的13#煤层顶板会发生上鼓；而开采13#煤层会对8#煤层顶板产生扰动，使其继续下沉。最终两单煤层开采时，煤层顶板位移之和与工作面垂向平行布置时两煤层顶板位移之和大致相等。

由图6(b)可以看出，开采8#煤层时，边界煤柱下方的13#煤层顶板会发生下沉。最终两单煤层开采时，煤层顶板位移之和远小于工作面垂向垂直布置时两煤层顶板位移之和。

由图6(c)可以看出，开采8#煤层时，13#煤层顶板位于8#煤层工作面下方，会发生上鼓，位于8#煤层边界煤柱下方的顶板会被压缩。13#煤层开采时，垂向平行布置条件下，对8#煤层上覆顶板的扰动小于工作面垂向垂直布置。最终垂向平行布置条件下，两煤层顶板位移之和也远小于工作面垂向垂直布置。

顶板位移变形受覆岩应力场控制，由此可见，不同工作面布置条件下，重复开采时覆岩应力场受到的扰动也不同。

2.3 覆岩应力变化特征

分析重复开采覆岩应力变化特征时，先绘制监测点随工作面不断推进过程中最大主应力变化曲线，如图7所示。

图7 随工作面推进煤层顶板最大主应力变化曲线  

所有测点均位于工作面的中央，处于两个开采阶段中间，随着前一个开采阶段的推进，测点压应力激增，测点所处位置发生变形，在前一个开采阶段完成之后，压应力达到峰值，测点所处位置发生破坏；随着后一个阶段的不断推进，煤层顶板发生垮落，压应力急剧减小，随着后一个开采阶段的完成，测点所处位置垮落完成，压应力趋于稳定，后续阶段在压应力的作用下，垮落下来的岩层碎块重新压实，变形量逐渐减小并趋于稳定。

对比分析各测点应力变化情况，可看出重复开采过程中各煤层顶板的应力扰动情况。

(1) 对比测点C1-8#、C4-8#、C5-8#,发现重复开采条件下，13#煤层开采期间，8#煤层顶板压应力会随之略有增加，当13#煤层工作面推进到测点正下方时，增加幅度增大；继续向前推进，压应力逐渐趋于平稳。这也就导致了重复开采条件下，13#煤层开采使得8#煤层顶板继续下沉，当工作面推进到测点正下方时，下沉量增加。

(2) 对比测点C4-8#、C5-8#,发现工作面垂向平行布置相较于垂向垂直布置，8#煤层顶板在13#煤层开采期间，压应力变化幅度更小，也导致受13#煤层采动影响，8#煤层顶板下沉量小。

(3) 对比测点C2-13#、C5-13#可以看出，工作面垂向平行布置时，8#煤层顶板测点压应力减小，13#煤层顶板测点压应力也随之减小。从而导致13#煤层顶板发生上鼓，使得13#煤层顶板压应力激增，但压应力峰值明显小于单13#煤层开采时的煤层顶板压应力峰值，这也导致13#煤层顶板下沉量小于13#煤层单独开采时的下沉量。

(4) 对比测点C3-13#、C4-13#可以看出，工作面垂向垂直布置时，8#煤层8113,8115工作面推进至240 m时，13#煤层顶板压力开始增加，随着工作面开采完毕，压应力趋于稳定。因此，从8113工作面推进至240 m到8115工作面开采完毕，13#煤层顶板才会出现0.01 m的下沉量，同时使得后面13#煤层压应力激增，但压应力峰值明显大于13#煤层开采时的煤层顶板压应力峰值，这也导致13#煤层顶板下沉量大于13#煤层单独开采时的下沉量。

而从宏观来看，当煤层开挖之后，应力平衡被破坏，上覆岩层发生形变破坏，应力重新分布，最终形成新的应力平衡。此时最大主应力在采空区上部形成类似于拱形的压应力集中区。而“应力拱”会随着工作面不断推进，垂直工作面推进方向不断形成。当同一煤层两个工作面开采完成后，形成“M”形“应力拱”(见图8)。

图8 模型1采毕最大主应力矢量   

“应力拱”所对应的地层作为持力层，是“竖三带”中冒落带和裂隙带的分界[6],阻止开采空间全部转化为地表下沉。上部地应力通过“应力拱”绕过采空区，经由边界煤柱传递至下部地层承担。因此，当煤层顶板垮落之后，压应力迅速减小，并小于初始压应力。

在重复开采过程中，由于8#煤层开采之后形成“应力拱”,使得13#煤层开采所引起的扰动无法直接作用于地表，造成单采13#煤层时所引起的地表下沉量减小。当上下两层煤的工作面布置方式不同时，13#煤层开采过程中对原“应力拱”扰动有所不同(见图9)。

由图9可知，当工作面垂向平行布置时，13#煤层与8#煤层“应力拱”方向一致，13#煤层开采期间地层缺失，无法承担“应力拱”传导下来的上部荷载，只能再经由13#煤层边界煤柱向更深处传导，在经过新一轮的应力平衡之后，“应力拱”形状大致不变，最大主应力值变大。导致13#煤层的开采空间没有向地表下沉转化，8#煤层的开采空间在原有基础上继续向地表下沉转化了一部分。

而当工作面垂直布置时，一方面13#煤层开采后导致原“M”形“应力拱”中间失去支撑，破坏原有拱形，增大拱的跨度，新一轮的应力平衡之后，“应力拱”很难起到支撑作用，使得8#煤层开采空间大幅向地表下沉转化；另一方面，由于工作面垂直，8#煤层工作面长轴方向的“应力拱”由于拱的跨度过长，无法有效阻隔13#煤层开采空间向地表下沉转化。

图9 重复开采过程中模型4、模型5最大主应力变化云图   

3、结论

(1) 重复开采相较于单煤层开采，开采沉陷造成的地表下沉更为严重，地表下沉范围更广，下沉量更大。

(2) 重复采动引起的地表下沉量与两个单层煤采动引起的地表下沉量之和并非线性关系。工作面垂向平行布置时，地表下沉量小于两个单层煤开采引起的地表下沉量之和；工作面垂向垂直布置时，地表下沉量大于两个单层煤开采引起的地表下沉量之和。

(3) 工作面垂向平行布置时，两煤层顶板位移下沉量与两个单层煤开采时煤层顶板位移下沉量之和基本一致。工作面垂向垂直布置时，两煤层顶板位移下沉量远大于两个单层煤开采时煤层顶板位移下沉量之和。

(4) 工作面垂向平行布置时，13#煤层开采对于“应力拱”的扰动较小，使得8#煤层开采空间接着向地表下沉转化一部分，但是13#煤层开采空间基本没有转化为地表下沉值。

(5) 工作面垂向垂直布置时，13#煤层开采对于“应力拱”的扰动很大，破坏原有“应力拱”结构，使得8#、13#煤层开采空间均大幅转化为地表下沉值，甚至大于8#、13#煤层单煤层开采时的转化值。

因此，重复开采时，上下煤层工作面应保持垂向平行布置，以减少开采沉陷对地表下沉的影响。

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基金资助:山西省自然科学基金项目(2021030212411);

文章来源:段进睿,吕义清,葛若鑫.重复开采条件下不同工作面布置方式对开采沉陷的影响[J].矿业研究与开发,2024,44(01):60-66.