0 引言

随着我国中东部煤炭资源的逐渐枯竭，西北地区逐渐成为煤炭主要生产供应基地，其中山西、陕西、内蒙古与新疆等省(区)为主要产煤地，其产量达到国内煤炭总产量的80%以上[1-2]。西北地区的煤炭赋存具有浅埋深、近距离、煤层厚、自燃风险高等特点，属于典型的浅埋煤层[3-5]。浅埋近距离煤层在单一和重复开采扰动影响下会引起地表-采空区-工作面“三区”连通以及多煤层间上下采空区贯通，易引发工作面低氧、灾害气体超限等问题。多年来，国内外学者围绕覆岩结构和覆岩采动裂隙演变规律做了大量相关研究。钱鸣高等[6-7]提出了“砌体梁”、关键层理论和空间椭抛带分布观点；一些学者[8-14]开展了采动煤岩体影响下的覆岩破断规律，研究得出损害出现的根源为单一关键层结构。

综上所述，虽然国内外学者对煤层群开采覆岩结构以及覆岩运动方面进行了大量的实验和理论研究，但针对浅埋近距离煤层群开采扰动下地面-采空区-工作面“三区”漏气通道演化形成规律及其关键参数影响机制方面的研究较少。本文以陕煤柠条塔煤矿S1232工作面为研究背景，采用理论与数值模拟相结合的方法，研究了单一煤层、复合煤层重复开采下覆岩破坏特征，分析了煤层间距与采厚对裂隙二次发育的影响规律。

1 工作面概况及地质模型

陕煤柠条塔煤矿S1232工作面开采柠条塔煤矿2-2号煤层，走向长度4 998 m，倾斜长度325.5 m，煤层埋藏深度为126～210 m，其中上覆基岩厚度60～110 m，土层厚度70～95 m，沙层厚度0～5 m，煤层结构复杂、赋存稳定，与3-2号煤层平均间距为27 m。以2-2号煤层与3-2号煤层开采为例，构建尺寸为400 m×2 m×240 m(长×宽×高)数值模型，模型左右前后边界X1=0 m，X2=400 m，Y1=0 m，Y2=2 m设置为滑动支撑，分别限制x和y方向速度为0，模型底部Z=-240 m设置为固定支撑边界，限制z方向速度为0。将该块体划分为23层，通过关键层计算结果设置第5、18层的初始破断距与周期破断距，由开切眼处向前推进，推进距离300 m。几何模型示意如图1所示，地层物理力学参数见表1。

2 单煤层采动下上覆岩体裂隙-破断-下沉

采用3DEC软件对S1232工作面开采过程中2-2号煤层覆岩采场变化进行离散模拟，得到采动煤岩体位移和裂隙尺寸分布状态，如图2所示。

当S1232工作面推进至 40 m时，岩层下沉，岩层底板最大位移下沉量为6.3 m，岩层初始阶段整体呈“悬臂梁”破断和台阶式下沉结构，且由于前期顶板受煤层扰动较充分，在煤岩体内形成的裂隙降低了顶板抗拉强度，上覆岩体破断较为迅速；当S1232工作面推进至130 m时，岩层整体呈现弯曲下沉破断至关键层，关键层出现较明显裂隙，裂隙发育至关键层上方，关键层开始发生初次破断，呈现滑落失稳破断形式，裂隙发育影响厚土层，裂隙开始逐渐向上发育。

当S1232工作面推进至160 m时，岩体裂隙发育模拟如图3所示。结合图2(c)和图3可知，推进至160 m处时，关键层发生2次破断，破断距离平均15 m，呈滑落失稳状态，属于典型浅埋煤层短砌体梁模型。采空区垮落带呈阶梯下沉式分布，残存空间巨大，高度与垮落带高度基本一致，宽度约为3 m，垮落带岩层破断形式逐渐从“悬臂梁”破断发展为“悬臂梁+砌体梁”破断。由于厚土层整体物理力学参数相比基岩层小，导致裂隙发育速度较快，厚土层发生整体弯曲下沉，平均破断距离25 m。在裂隙发育至地表时，开切眼沿走向75～80 m处地表开始出现裂隙，较小竖向裂隙在地表裂隙左侧25～30 m处开始发育，发育至距地表36 m处，靠近开切眼处的裂隙发育较工作面上方更充分，关键层上部靠近开切眼处离层裂隙以0.05～0.10 m宽度为主，竖向破断裂隙以0.10 m宽度为主，关键层上下存在较大离层裂隙，宽度达到0.50 m，关键层下部离层裂隙以0.05～0.10 m宽度为主，竖向破断裂隙以0.20 m宽度为主；靠近工作面处关键层上方离层裂隙以0.05 m宽度为主，0.10 m宽度裂隙较少，存在部分长度较短的0.20 m宽阶梯状离层裂隙，竖向裂隙以0.10 m宽度为主。由此说明靠近工作面处关键层上方裂隙破断距离较长，离层裂隙与竖向裂隙发育不充分。关键层上下存在0.20 m宽度裂隙，关键层下部裂隙区以0.05 m竖向裂隙为主，将成为下一次大裂隙的破断节点，垮落带竖向裂隙与离层裂隙发育充分，0.50 m宽离层裂隙占比较大。

当S1232工作面推进至300 m时，裂隙发育尺寸模拟如图4所示。结合图2(d)和图4可知，工作面推进至300 m后停采一段时间裂隙发育稳定后，整体裂隙所占空间体积稳定，垮落带离层裂隙分布整体均匀性更强，竖向裂隙持续发育，靠近压实区区域逐渐压实，裂隙尺寸减小，发育裂隙区持续发育，裂隙尺寸逐渐增大。关键层上部靠近开切眼处离层裂隙较少，相邻结构层间距较小，结构稳定，裂隙以0.05 m宽度为主，竖向破断裂隙以0.10 m宽度为主，关键层上下离层裂隙减小，宽度以0.10～0.20 m为主，关键层下部离层裂隙与竖向破断裂隙以0.05～0.10 m宽度为主，采空区垮落带呈阶梯下沉式分布，残存空间减小。靠近工作面处关键层上方几乎不存在离层裂隙，竖向裂隙以0.05～0.10 m宽度为主，关键层上下存在0.10～0.20 m宽度离层裂隙，关键层下部裂隙区以0.05～0.01 m竖向裂隙为主，垮落带竖向裂隙与离层裂隙发育充分，0.20～0.50 m宽离层裂隙占比较大。和持续回采过程相比，关键层上部压实裂隙区裂隙宽度平均减小至0.05 m，发育裂隙区域平均宽度不变，裂隙数目增加；关键层下部压实裂隙区裂隙宽度减小至0.05 m，发育裂隙区域平均宽度不变，裂隙数目增加。

地表下沉高度差是导致“三区”贯通裂隙发育的根源，因此对地表下沉距离设置测线，每推进10 m监测一次测线最终位置，获得随推动距离变化的地表沉陷曲线，如图5所示。

由图5可以看出，工作面推进0～100 m时，地表下沉曲线变化缓慢；工作面推进100～150 m时，下降速度逐渐增加，结合图2可知，工作面推进100～150 m时，开始对关键层产生影响，在130 m处发生关键层初次破断下沉，下沉最低点随推进距离的增加沿走向移动；工作面推进150～170 m时，发生2次关键层破断，导致厚土层破断距离延伸至地表，下沉距离急剧增加，此时需要加强地表与工作面的监测，防止地表行人受伤与地下周期来压剧烈危害工作面安全；工作面推进180～200 m时，地表沉陷至最大值，地表沉陷速度减缓；工作面推进200～300 m时，呈现周期下沉曲线，但下沉距离保持不变，地表下沉最低点一直处于地表裂隙初次破断点。

3 双煤层采动下上覆岩层破断-下沉

由上述分析可知，当S1232工作面推进至160 m 处时地表开始出现裂隙，“三区”开始沟通。目前柠条塔煤矿2-2号煤层逐渐回采完毕，3-2号煤层开采列入规划，2-2号煤层与3-2号煤层间距为27 m，3-2号煤层采高3 m。3-2号煤层开采期间必然面临采动裂隙贯通上覆采空区，导致上覆采空区低氧气体漏入3-2号煤层，导致回采工作面低氧。随工作面的推进，采空区面积增大，亦会增大上覆岩层裂隙密度。

基于此，开展重复采动下煤岩体裂隙发育及分布特征研究。3-2号煤层推进模拟结果如图6所示。由图6可知，工作面推进至60 m时关键层出现较明显裂隙，扰动破坏高度延伸至2-2号煤层采空区，但并未对2-2号煤层采空区内已经压实区产生明显影响；工作面推进至75 m，2-2号煤层采空区压实区裂隙开始二次发育，2-2号煤层开切眼处孔隙度较大，但工作面推进至15～75 m时，地表并未出现明显沉降。

当工作面推进至90 m处，3-2号煤层采空区出现压实区，与上部2-2号煤层采空区开切眼处沟通减弱，由于上覆岩层已经发生断裂，其结构强度显著降低，因此工作面推进至75 m时已触发地表沿裂隙出现二次沉陷；工作面推进至90～180 m时，地表出现明显沉降，且沉降速度较快，地表坡度逐渐增大；工作面推进至195～300 m时，最大下沉距离基本保持不变，随工作面的推进，地表坡度不断降低。3-2号煤层回采结束后，与2-2号煤层相比，裂隙数量增加了1.5～2.0倍，宽度增加0.05～0.10 m，出现0.50 m宽的大型裂隙。开切眼处上方裂隙逐渐二次发育，开始出现0.50 m宽的大型裂隙。工作面区域关键层上方裂隙发育区0.10 m裂隙增加1.5～2.0倍，裂隙压实区0.05～0.10 m裂隙显著增加，关键层下方裂隙数量增多，宽度增加。

4 重复采动上覆岩层裂隙密度趋势分析

3-2号煤层工作面推进至300 m时，裂隙发育情况如图7所示。结合图4和图7可知，上覆岩层裂隙前期0.05～0.10、0.10～0.20、0.20～0.50 m 3个区间裂隙密度差值基本一致，大于0.50 m宽度区间裂隙整体分布于垮落带与关键层附近，数量整体占比较少。为了对上覆岩层的裂隙进行定量化分析，通过Photoshop的RGB图像色彩分析技术，确定裂隙主要的RGB色彩码，对节理裂隙RGB色彩码所占像素点统计分析，利用像素点数量表示孔隙密度，像素点数量越多代表裂隙发育越充分，统计结果如图8所示。

由图8可知，推进至30～90 m时裂隙密度增长较缓慢，以大裂隙为主，此时处于起始阶段，符合垮落带裂隙特征，在2-2号煤层工作面推进至90～160 m之前，覆岩裂隙呈指数型增长，进入裂隙密度快速增长阶段；工作面推进至160 m时，地表裂隙刚沟通的时候裂隙数量达到最大值，此时地表运动处于最不稳定阶段。随着时间的推移，工作面持续回采，地表下沉达到最大值，逐渐趋于稳定，裂隙密度先逐渐下降。待采空区逐渐压实后，裂隙密度达到最低点，此时开切眼上方裂隙已发育稳定，工作面上方裂隙开始随关键层周期破断，不断重复裂隙张开和压实的过程，此阶段裂隙数量基本稳定。细微裂隙会有较缓慢增长，0.10 m以上裂隙基本保持不变。 3-2号煤层开采之后，裂隙发育主要分为3阶段，与 2-2煤层开采裂隙分布关系密切，在接近上煤层开切眼与工作面上方裂隙分布区域时，地表裂隙二次发育，整体密度逐渐上升，进入上煤层压实区后，裂隙密度基本不变。

上覆岩层宽度区间裂隙点差值如图9所示。由图9可知，2-2号煤层推进可分为起始阶段、快速增长阶段与稳定阶段，起始阶段0.05～0.10 m裂隙密度发育速度慢于0.10～0.20 m裂隙，0.20～0.50 m裂隙密度增长速度最快，随关键层的破断失稳，0.10～0.20 m与0.05～0.10 m 裂隙密度先后开始快速增长，0.05～0.10 m裂隙增长趋势和数量与0.10～0.20 m裂隙增长趋势和数量基本一致，稳定阶段两者数量也基本一致。快速增长阶段0.20～0.50 m裂隙增长逐渐小于0.10～0.20 m与0.05～0.10 m 裂隙密度增长速度，在推进至160 m之前，即地表出现裂隙之前，三者增长趋势与数量基本保持一致，总体呈指数型稳定增长。在地表出现裂隙后，3个区间的裂隙密度达到最大值。此后，裂隙开始随着工作面的推进逐渐压实，裂隙密度开始逐渐下降，下降至最低点后裂隙密度虽然存在波动，但整体走势较为平缓，未出现持续快速增长阶段。

3-2号煤层推进可分为增长阶段、稳定阶段与二次增长阶段，亚关键层破断裂隙之前，上覆岩层0.20～0.50 m区间裂隙密度明显增加，0.05～0.10、0.10～0.20 m裂隙密度增加趋势复杂，波动性较大，整体走势平缓，此时靠近开切眼上方裂隙区，裂隙未开始二次发育。工作面推进至60 m后，关键层开始破断，此时3个区间的裂隙密度开始显著增加，在沟通上覆采空区压实区，裂隙数量达到峰值，随着开采靠近上覆采空区压实区，裂隙逐渐减少至波谷，工作面继续推进至上覆采空区终采线后，采动开始对终采线上方裂隙区产生影响，0.05～0.10、0.10～0.20 m裂隙宽度开始显著增长，由于该阶段垮落带已经逐渐趋于稳定增长，因此0.20～0.50 m裂隙增长速度较0.05～0.20 m裂隙增长速度缓慢。

在3-2号煤层开采过程中，初始阶段裂隙密度受上覆采空区裂隙发育分布特征影响较大。靠近2-2号煤层开切眼与终采线时，裂隙密度逐渐增大。远离2-2号煤层开切眼与终采线时，裂隙密度逐渐降低。

5 上覆岩层裂隙演变影响参数分析

3-2号煤层的开采会对2-2号煤层上覆岩层裂隙造成二次影响，导致裂隙二次发育扩大。设计煤层间距为20、30、40、50、60 m共5组模型。每组模型采厚为2、3、4、5、6、7、8 m，总计42组对照模拟进行采厚和层间距对上覆岩层裂隙演变影响参数分析。不同层间距裂隙密度发育趋势如图10所示。

在采厚相同的条件下，层间距30 m的0.05～0.10 m裂隙密度始终大于层间距20 m的0.05～0.10 m裂隙密度，差值随采厚的增大而逐渐增大；层间距增大为40 m时0.05～0.10 m裂隙密度始终小于层间距30 m的裂隙密度，但均大于层间距20 m的裂隙密度，随着层间距的增大，裂隙密度逐渐增大，裂隙密度整体表现为随层间距增大而逐渐增大的趋势。宽度0.10～0.20 m的裂隙密度整体表现出随采厚的增加先随层间距的增大逐渐降低后随层间距的增大逐渐增大的趋势，宽度0.20～0.30、0.30～0.40、0.40～0.50 m与大于0.50 m区间的裂隙密度体表现出随层间距的增大逐渐减小，大于0.50 m区间的裂隙密度随采厚的增大平均值逐渐增大。

不同采厚下裂隙密度发育趋势如图11所示。由图11可以看出，随采厚的增大，宽度0.05～0.10、0.10～0.20 m裂隙影响较大，对于宽度大于0.20 m的裂隙影响较少。以采厚4 m为分割线，在采厚相同的条件下，0.05～0.10 m裂隙密度从随层间距增大逐渐减少变为随层间距增大逐渐增大；以采厚6 m为分割线，在采厚相同的条件下，0.10～0.20 m裂隙密度从随层间距增大逐渐减少变为随层间距增大逐渐增大；各宽度区间平均裂隙密度随采厚增大逐渐增大，宽度0.05～0.10、0.10～0.20、0.20～0.30 m与大于0.50 m区间的裂隙密度增大趋势逐渐增大，0.30～0.40、0.40～0.50 m增加不明显，说明随着采厚的增大，大裂隙发育更充分，裂隙宽度逐渐增大。随着采厚的增加各区间裂隙密度均呈现逐渐增大的趋势，增加速度随层间距的增大逐渐加快，宽度0.20～0.30 m与大于0.50 m区间的裂隙密度差值逐渐减少。

6 结论

(1)浅埋煤层开采下上覆岩层裂隙发育主要呈现为垮落带与裂缝带，垮落带区域以离层裂隙为主，竖向裂隙略少，裂缝带竖向裂隙远大于离层裂隙。

(2)裂缝带竖向破断发育取决于关键层周期破断，开切眼上方裂隙压实区与裂隙发育区整体裂隙宽度大于工作面上方裂缝带裂隙宽度，裂隙压实区裂隙宽度小于裂隙发育区裂隙宽度，裂隙整体超前于开切眼，滞后于工作面。

(3)上煤层开采下覆岩裂隙密度发育可以分为初始-加速-稳定3个阶段；下煤层开采下覆岩裂隙密度发育经历增长-稳定-再增长3个阶段。

(4)裂隙密度发育受层间距和采厚的影响。层间距不变时，随采厚的增大各区间裂隙密度均呈现逐渐增大，大裂隙发育更充分，裂隙宽度整体增大；采厚不变时，宽度大于0.2 m区域的大裂隙密度均随着层间距的增大逐渐减小，宽度小于0.2 m区域的裂隙密度整体表现为随层间距增大而逐渐增大的趋势。

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Numerical simulation on the spatiotemporal evolution of air leakage fissure field of "three zones" in shallow-buried coal seam group mining

MA Liang1, MENG Wei2, GAO Liang1, ZHANG Zhuangzhuang2, SONG Tao1, FENG Xiong1, XIA Tongqiang2,3

(1. Shaanxi Coal and Chemical Industry Group Shenmu Ningtiaota Mining Co., Ltd., Yulin, Shaanxi 719300, China;2.Carbon Neutrality Institute, China University of Mining and Technology, Xuzhou, Jiangsu 221116, China;3. Henan Key Laboratory for Green and Efficient Mining &Comprehensive Utilization of Mineral Resources, Henan Polytechnic University, Jiaozuo, Henan 454150, China)

Abstract Under the mining influence of shallow-buried coal seam group, the connected air leakage channel is easily formed between the "three areas" of surface ground-goaf-working face, which leads to low oxygen in working face and coal spontaneous combustion in goaf. How to clarify the spatiotemporal distribution and evolution law of the gas leakage channel in the "three zones" of shallow coal seam group under the influence of mining is the key to effectively prevent and control coal spontaneous combustion and low oxygen. Based on S1232 working face of Ningtiaota Coal Mine in Shaanxi, the failure characteristics of overburden under repeated mining of single coal seam and composite coal seams were studied by combining theory study and numerical simulation, and the influence of layer spacing and mining thickness on secondary development of cracks was analyzed. It was found that the cracks were only developed in caving zone and fractured zone in overlying strata during shallow coal seam group mining, and the fractured zone developed rapidly to the surface ground after the fracture of the main key layer, and the periodic fracture of the key layer controlled the periodic formation and subsidence of the surface fissure; the development of fracture density in upper coal seam was divided three stages: rapid growth, stable growth and secondary growth; with the increase of mining thickness, the fracture density in each zone increased, the large fracture developed more fully, and the fracture width overall increased; with the increase of layer spacing, cracks smaller than 0.2 m width increased with the mining thickness, and the increasing speed was gradually accelerated, while cracks larger than 0.2m width increased with the mining thickness, but the increasing speed was gradually slow; with the same mining thickness, the density of large fractures with widths greater than 0.2 m decreased with the increase of layer spacing.

Keywords shallow-buried close coal seam group; repeated mining; air leakage channel; fracture width; seam spacing; mining thickness; numerical simulation

中图分类号 TD325

文献标志码 A

引用格式：马亮，孟威，高亮，等.浅埋近煤层群采动“三区”漏风裂隙场时空演化规律数值模拟[J].中国煤炭，2024，50(3)∶69-79. DOI：10.19880/j.cnki.ccm.2024.03.009 MA Liang，MENG Wei，GAO Liang，et al. Numerical simulation on the spatiotemporal evolution of air leakage fissure field of "three zones" in shallow-buried coal seam group mining [J].China Coal，2024，50(3)∶69-79.DOI：10.19880/j.cnki.ccm.2024.03.009

基金项目：国家自然科学基金项目(52074284)；河南省矿产资源绿色高效开采与综合利用重点实验室开放基金(KCF2206)；中国矿业大学中央高校基本科研业务费专项资金(2023KYJD1002)

作者简介：马亮(1985-)，男，陕西绥德人，高级工程师，主要从事矿业工程实践方面的研究。E-mail：496050589@qq.com

通讯作者：夏同强(1985-)，男，安徽亳州人，博士，副教授，博士生导师，从事矿井安全智能化理论与工程应用方面的研究。E-mail：xtq09cumt@163.com

(责任编辑 张艳华)