厚松散层采动覆岩裂隙分形演化与应力分布规律:以延安红石岩煤矿为例

尚慧; 崔少博; 谢方鹏; 许康; 李泽江; 苏理想

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2506629

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (17) :7196-7208 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2506629

矿冶工程

厚松散层采动覆岩裂隙分形演化与应力分布规律:以延安红石岩煤矿为例

尚慧 ¹ ,
崔少博 ¹^,^* ,
谢方鹏 ² ,
许康 ² ,
李泽江 ¹ ,
苏理想 ¹

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Fractal Evolution and Stress Distribution Law of Mining-induced Fractures in Overlying Strata within a Thick Loose Layer: Hongshiyan Coal Mine in Yan’an City

SHANG Hui ¹ ,
CUI Shao-bo ¹^,^* ,
XIE Fang-peng ² ,
XU Kang ² ,
LI Ze-jiang ¹ ,
SU Li-xiang ¹

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摘要

为探究厚松散层条件下煤层开采过程中覆岩裂隙发育特征及应力分布规律的特殊性,以延安红石岩煤矿12605工作面为研究对象,基于相似材料模拟试验和数值模拟,分析厚松散层条件下煤层采动过程中覆岩裂隙发育与应力分布规律,并结合分形理论,对裂隙演化进行分区定量化表达。研究结果表明:相似材料模拟试验中,覆岩裂隙分形维数随工作面的推进分为升维、分维波动和稳维阶段,其中每个阶段对应覆岩裂隙发育规律明显;通过对不同区域发育裂隙进行定量统计分析发现:不同分区内裂隙占比与分形维数成正相关关系,垮落区裂隙占比最大,达到27.07%,工作面两侧的边界裂隙发育占比最小,仅占整个边界区域的23.54%;煤层采动过程中,纵向裂隙在冒落带和工作面两侧贯通性较好,但未发育至松散层内部,离层裂隙在厚松散层荷载下发生超前闭合,抑制裂隙向上扩展。冒落带最大发育高度为10 m,冒采比为4.3,导水裂隙带最大发育高度为65 m,裂采比为28.26,发育规律与实测结果基本一致;基于3DEC,根据实际开采条件模拟煤层开采,可知随着工作面的持续推进,覆岩塑性区范围逐渐扩大,应力卸压区也随之增大并向上扩张,但未延伸到松散层内。导水裂隙带最大发育高度为70 m;应力分布规律与相似材料试验的应力分布规律一致。

Abstract

To investigate the characteristics of fracture development and stress distribution during coal seam mining beneath thick overlying loose layers, the 12605 working face at Yan’an Hongshiyan Coal Mine was selected as the research subject. By integrating similar material simulation experiments with numerical modeling, the evolution of overburden fractures and associated stress distribution patterns under such geological conditions were systematically examined. Fractal theory was further applied to enable quantitative characterization of fracture development across different zones, enhancing the objectivity and precision of the analysis. The results demonstrate as following. In physical simulations, the fractal dimension of overburden fractures evolves progressively with working face advancement, clearly exhibiting three distinct stages including dimensional increase, fractal fluctuation, and dimensional stabilization, each corresponding to a specific fracture development mechanism. Quantitative statistical analysis reveals a strong positive correlation between fracture proportion and fractal dimension across zones. The caving zone exhibits the highest fracture density, reaching 27.07%, while the boundary regions on both sides of the working face display the lowest, accounting for only 23.54% of the total boundary area, indicating less intense fracturing in these peripheral zones. During mining, vertical fractures exhibit high connectivity within the caving zone and along lateral boundaries but are effectively confined below the loose layer. Bed-parallel fractures undergo premature closure under the compressive load of the thick overlying strata, which significantly inhibits upward fracture propagation. The maximum height of the caving zone is measured at 10 m, yielding a caving ratio of 4.3. The water-conducting fracture zone reaches a maximum height of 65 m, resulting in a fractured mining ratio of 28.26. The development patterns are generally consistent with the measured results. Based on 3DEC and simulating coal seam mining according to actual mining conditions, it can be seen that as the working face continues to advance, the plastic zone of the overlying rock gradually expands, and the stress relief zone also increases and expands upward, but does not extend into the loose layer. The maximum development height of the water conducting fracture zone is 70 meters; the stress distribution pattern is consistent with that of similar material tests.

Graphical abstract

关键词

厚松散层 / 导水裂隙带 / 离层裂隙 / 分形理论 / 应力分布规律

Key words

thick loose layer / water-conducting fracture zone / bedding separation fracture / fractal theory / stress distribution pattern

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尚慧, 崔少博, 谢方鹏, 许康, 李泽江, 苏理想. 厚松散层采动覆岩裂隙分形演化与应力分布规律:以延安红石岩煤矿为例[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(17): 7196-7208 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2506629

SHANG Hui, CUI Shao-bo, XIE Fang-peng, XU Kang, LI Ze-jiang, SU Li-xiang. Fractal Evolution and Stress Distribution Law of Mining-induced Fractures in Overlying Strata within a Thick Loose Layer: Hongshiyan Coal Mine in Yan’an City[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(17): 7196-7208 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2506629

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在中国现有的诸多煤矿中,将松散层厚度在50 m以上的煤矿称为厚松散层矿区^[1],并且厚松散层覆盖下的煤层开采占比近2/3^[2-3]。在煤炭开采过程中,势必会引起覆岩应力状态发生改变,导致在采空区覆岩内部形成复杂的裂隙通道^[4]。部分学者认为,由于松散层和基岩结构上的差异性,不仅会产生自身固结下沉,还会加剧开采沉陷,导致纵向裂隙向上延伸直至进入松散层内部^[5-6];另有一些学者针对厚松散层条件下的采动地表沉陷变形特征展开大量研究,王晓蕾等^[7]针对矿区地表沉陷监测及预测存在的问题,提出将互联网+、CCD技术及GPS组合传感器技术相结合,可提高矿区地表沉陷预测精度。王振伟等^[8]基于数值模拟结果,认为厚松散层的强塑性很好地抑制了冒落带和导水裂隙带的发育。但由于松散层厚度、固结程度及下伏基岩硬度等因素影响,会导致厚松散层条件下煤层采动过程中覆岩裂隙发育与应力分布呈现不同的特征和规律,具有一定的复杂性。

在对覆岩裂隙定量化及应力分布规律的研究中,李振华等^[9]结合数值模拟结果,认为裂隙扩展分为偏应力张量主导和土拱效应主导两个阶段,并提出厚松散层薄基岩覆岩破断机理;李宏艳等^[10]基于分形理论定量描述裂隙的时空演化规律;郭龙辉等^[11]将相似材料模拟试验和分形理论结合起来,对采动过程中覆岩裂隙网格的分形特征进行研究,并且认为在厚松散层荷载下,薄基岩部分岩层在移动变形过程中可以形成稳定的强支撑结构;邹恩隆等^[12]利用分形理论和玫瑰花图定量分析了覆岩裂隙数量、倾角、长度、宽度等参数;陈凯等^[13]基于离散元数值模拟分析了覆岩裂隙分形维数与开采次数之间的函数关系;李志华等^[14]通过对采空区是否注浆充填两种试验方法对比条件下覆岩采动裂隙分形理论的研究,验证了在冒落带注浆充填开采能有效控制覆岩裂隙发育情况;吴群英等^[15]、李树刚等^[16]利用相似材料模拟试验,以裂隙率定量化表达了重复采动条件下覆岩裂隙演化的规律;Wang等^[17]基于相似材料模型中裂隙发育的规律,引入分形理论分析出随着工作面的推进,分形维数总体呈现上升趋势;郭文兵等^[18]通过分析覆岩受采动演化影响机制,给出了覆岩破坏高度与回采距离存在Logistic函数关系、与煤层厚度存在线性函数关系;王双明等^[19]通过对浅埋煤层开采覆岩破坏与地表损伤特征的研究,揭示了覆岩力链演化对块体分布和地裂缝发育的影响规律;刘延欣等^[20]基于FLAC^3D数值模型,揭示了厚松散层下底部隔水层对采动应力的传播具有较重要的缓冲或抑制作用。

近年来,已有诸多学者基于分形理论,从不同方面入手,对覆岩采动裂隙演化规律进行定量化研究^[17-26],但对陕北地区厚松散层条件下煤层开采引起的裂隙演化与应力分布规律相关研究较少。因此,现以陕西红石岩煤矿12605工作面为研究区,该工作面上覆松散层平均厚度为68.5 m,属厚松散层。将相似材料模拟试验与数值模拟结果及实测数据进行对比分析,基于分形理论,对采动过程中不同周期来压下的离层及纵向裂隙扩展情况进行定量分析,并对应力进行监测和数值模拟,得到厚松散层条件下采动裂隙分形演化规律与应力分布规律,以期为类似矿区厚松散层条件下煤层采动裂隙定量化表达及应力变化规律研究提供借鉴和理论依据。

1 研究区概况

红石岩煤矿位于陕西省黄陵县店头镇,如图1所示,煤矿往北距延安市203 km,往南离西安市233 km。地势西北高、东南低,周边常年性流水河流主要为沮水河,流量较小,随季节变化明显。地处鄂尔多斯盆地次级构造单元中陕北斜坡与渭北隆起的过渡地带,以平缓褶皱为主,断层较少。地层由老至新依次为:三叠系上统延长群(T₃y)、侏罗系中统延安组(J₂y)、侏罗系中统直罗组(J₂z)、侏罗系中统安定组(J₂a)、白垩系下统洛河组(K₁l)和第四系(Q)。采用斜井-平硐联合开拓方式,主采侏罗系中统延安组的2#煤层,煤层平均埋深290 m,平均煤厚2.19 m,倾角0°~3°,属于近水平煤层,煤层结构较简单,夹矸0~5层,厚度为0.05~0.4 m,属井田内大部分可采的中厚煤层。

12605工作面位于六采区西部区域,南西为井田边界,北东为南翼大巷;北为已回采12604综采工作面,南为12606设计工作面。该工作面地层为单斜构造,局部地段出现起伏,为背斜构造的一翼。工作面走向长度715 m,倾向长度176.5 m;煤层厚度为1.3~2.7 m,平均煤厚2.3 m,覆岩之上覆盖松散层平均厚度为68.5 m,属于厚松散层。

2 覆岩裂隙演化及应力分布规律相似材料模拟试验

2.1 模型设计

以红石岩煤矿12605工作面为研究区,经计算,工作面推进长度420 m时2#煤层已经达到充分采动。由于物理模型大小及比例尺限制,为了试验操作方便,设置工作面走向长度500 m,相似材料模拟试验中按照水平煤层装填。覆岩岩性主要为泥岩、粉砂岩、粉砂岩细砂岩互层、中砂岩及粗砂岩,其中直接顶为泥岩,老顶为粉砂岩,基岩之上覆盖近70 m厚松散层;煤层底板主要为泥岩、细砂岩及粉砂岩。

试验选取的相似材料为黄土、石膏、河沙和大白粉,在不同岩层界面处铺撒少量云母模拟岩层界面。确定的几何相似比为1∶200,容重相似比为8∶5,时间相似比为1∶10$\sqrt{2}$,速度相似比为1∶10$\sqrt{2}$,应力相似比为1∶125。相似材料模拟试验模型尺寸为长×宽×高=2.5 m×0.2 m×1.57 m。待模型自然风干后,按照时间相似比模拟2#煤层采煤过程。为了消除边界效应,左右各留20 cm煤柱,模拟回采长度210 cm,对应实际工作面开采长度为420 m。每步回采2 cm,共分105步模拟开采过程。简化后地层及材料配比如表1所示。

相似材料模拟试验模型如图2(a)所示,模型测点布设如图2(b)所示,模型顶部布设9个百分表,间距25 cm,观测开采过程中地表的沉降变形。在距离模型下边界15、22、32、48、73、96、120及140 cm处共布设8条位移测线,每条位移测线布置24个测点,间距为10 cm,观测开采过程中覆岩的移动变形。在距离模型下边界7、17、38及62 cm处布设应力测线,其中Ⅰ测线位于煤层底板处,共包括9个测点,测点间距25 cm;Ⅱ测线测点间距30 cm,共计6个测点,左右测点距模型边界50 cm;Ⅲ测线与Ⅳ测线均布设3个测点,测点间距62.5 cm,观测开采过程中底板及覆岩应力变化规律。主要研究煤层开采过程中覆岩的裂隙演化及应力分布规律,对位移的监测结果不作探讨。

2.2 覆岩裂隙演化规律

2.2.1 分形理论

分形维数又称为盒维数,用来描述复杂形体或分形客体的不规则性和复杂性,是复杂形体不规则性的度量。假设r为每一个被均分的小网格的边长,平面上可以分隔出来的小网格的总数用N(r)表示,则分形维数D可以定义为

(1)D= $\underset{r\to 0}{\mathrm{l}\mathrm{i}\mathrm{m}}\frac{\mathrm{l}\mathrm{n}\left[N\right(r\left)\right]}{\mathrm{l}\mathrm{n}(1/r)}$

首先,在相似材料模拟试验过程中用数码相机拍摄不同开采步距下的裂隙发育照片;其次,采用图像处理软件将照片处理为灰度图;最后,基于MATLAB软件的Fraclab插件将灰度图片进行二值化处理,计算分形维数。

2.2.2 覆岩裂隙发育特征与分形演化规律

根据上述分形维数的获取方式,得到每次周期来压时采空区覆岩的裂隙网格图片,对图片进行二值化处理,对处理结果进行线性拟合,直线斜率即为分形维数,研究各周期来压下采空区覆岩裂隙网格的动态发育及分形特征。部分周期来压下裂隙二值化图及分形维数线性拟合如图3所示,线性拟合精度较高,均在0.98左右。

根据图3中各周期来压下覆岩裂隙网格的动态演化,可以发现采空区覆岩裂隙网格的分布区域随着工作面的推进延伸扩展,其演变过程主要分为裂隙的产生、扩展延伸、压实消失3个阶段。对应的分形维数呈现“升维-分维波动-稳维”3个阶段的变化(表2)。

在相似材料模拟试验中,冒落带最大发育高度为10 m,当煤层推进距离为50~200 m时,导水裂隙带高度呈上升趋势,表明工作面采动后覆岩原始应力场发生变化,岩层之间的拉张应力和剪切应力导致岩层结构被破坏,内部出现大量纵向裂隙和离层裂隙,分形维数也随之增大,处于升维阶段;在回采至216 m时,导水裂隙带达到最大高度,为65 m,但处于煤层顶板范围内的部分微小纵向裂隙仍在持续发育;回采至244 m时初次达到稳维阶段,此时受采动影响产生的新离层裂隙与部分逐渐闭合的离层裂隙基本处于动态平衡;在回采至296 m时,部分离层裂隙闭合导致分形维数暂时降低,之后继续采动产生新的纵向裂隙导致分形维数上升,最终稳定在1.58左右。

综上可知,在工作面推进过程中,采空区覆岩裂隙持续演化,但所有离层及裂隙都出现在基岩内部,并未发育至厚松散层内,且在厚松散层荷载作用下,基岩内部岩层在运移过程中会形成强支撑结构,可快速平衡因采动引起的应力重分布问题;同时,由于2#煤顶板以泥岩和粉砂岩为主,属于软弱岩层,纵向裂隙在软弱岩层中的发育高度相较于在中硬或坚硬岩层中的发育高度要小,抑制裂隙向上发育^[6-7],结论与已有文献一致。2#煤在工作面推进至216 m时导水裂隙带发育高度达到稳定值65 m,裂采比为28.26;冒落带最大发育高度为10 m,冒采比为4.3。2#煤导水裂隙带实测发育高度为62 m,相似材料模拟试验结果较实测数据稍偏大,主要是由于试验条件所限,对2#煤层进行加厚处理;冒落带最大发育高度的相似材料模拟试验与实测值一致,均为10 m。

为了进一步分析采动过程中两带发育高度与裂隙发育分形维数之间的关系,绘制了不同周期来压下覆岩裂隙发育分形维数与两带高度拟合曲线,如图4所示。

随着工作面推进距离的增加,冒落带发育高度和导水裂隙带高度均与分形维数呈正相关关系。

在第一阶段(升维阶段:OA段),伴随着开采活动进行,在第一次周期来压到第九次周期来压之间,直接顶持续发生垮落,其间导水裂隙带高度不断发育升高,覆岩裂隙在自重及采动后应力场作用下快速发育贯通,其间分形维数由1.387上升至1.573,表明大量新裂隙产生并发育。

第二阶段(分维波动阶段:AB段),当开采进尺达到296 m时,达到第十次周期来压,但本次周期来压下冒落带高度及导水裂隙带高度都未发生变化。在此次回采过程中,因应力分布导致的部分离层裂隙被重新压实,而新产生的离层裂隙则较少,相比较下呈现出覆岩裂隙被压实闭合占主导地位,覆岩裂隙分形维数下降为1.521;工作面推进至324 m时,发生第十一次周期来压,覆岩裂隙分形维数升高至1.576,冒落带高度增加,新生离层裂隙持续发育,已产生的裂隙随着工作面的推进向横向扩展。

第三阶段(稳维阶段:BC段),当工作面推进距离在344~420 m时,其间发生五次周期来压,分形维数维持在1.58左右,基本无明显变化,此时冒落带及导水裂隙带均已经达到最大高度,伴随工作面开采横向延伸发展的离层裂隙与受到自重及应力作用下缓慢闭合的离层裂隙基本达到动态平衡,覆岩裂隙分形维数基本维持在一个较小的范围内波动。

2.2.3 覆岩裂隙分区定量化分析

由于在采动过程中,采空区上方不同区位纵向裂隙及水平离层裂隙发育特征不同,故开采结束后,按照覆岩裂隙产生的位置及特点将其进行分区,分别为边界裂隙发育区、离层发育区、微小裂隙贯通区及垮落区4个区域,如图5所示。然后再利用MATLAB中的Fraclab插件将不同区域的裂隙分形维数进行计算,最终得到不同区域的裂隙发育的定量化表达结果。不同区域裂隙定量化表达结果如表3所示。

根据采动过程中裂隙及离层发育演化的规律,代入分形维数进行定量计算得出:在不同分区内裂隙占比量与该区域内裂隙分形维数成正比;由于垮落区覆岩破碎垮落,导致该区域分布大量裂隙,垮落岩体破碎且裂隙贯通性良好,裂隙占比达到27.07%,垮落区裂隙演化分形维数为1.756;其次,位于顶板上方的离层发育区离层裂隙占比达到25.06%,该区域裂隙发育以水平向为主。仅有少数纵向裂隙贯通上下两层离层,部分离层未贯通,只是由于原始应力释放后产生弯曲下沉,离层发育区分形维数为1.625;位于离层发育区和垮落区之间的微小裂隙贯通区裂隙占比达到24.33%,导水裂隙带高度伴随微小裂隙的贯通发育情况在此区域出现峰值,该区域内既有向上贯通的纵向裂隙,还有随着工作面推进后应力释放产生弯曲下沉闭合或半闭合的离层裂隙,该区域内微小裂隙发育,但贯通性一般;位于开切眼右上方及停采线左上方的边界裂隙发育区裂隙占比23.54%,该区域由两条持续向上贯通的纵向裂隙为主,基本无水平离层裂隙发育,边界裂隙发育区分形维数为1.527,占比最小。

2#煤层开采结束后,在采空区上方覆岩裂隙数量能够反映覆岩受扰动的具体情况,从煤层顶板开始上方每10 m划分一个区域,统计每个区域内裂隙的数量,探究覆岩裂隙发育纵向分布规律,并以此建立各区域裂隙数量与岩层埋深之间的关系曲线,如图6所示。

从图6可以看出,覆岩裂隙数量随着岩层埋深的增大而增大,裂隙分布最多的区域位于埋深280~290 m。在相似材料模拟试验中,该区域属于冒落带,冒落带岩层由于煤层采空发生垮落,裂隙数量远高于其他区域。为准确反映裂隙数量随岩层埋深增加的趋势,对其进行拟合分析,发现裂隙数量与岩层埋深之间呈指数增长趋势,且相关性较好,回归方程如下。

(2)y=${\mathrm{e}}^{5.448{x}^{2}-0.24x+28.57}$, R²=0.959 6

2.3 应力分布规律

煤层开采后,顶底板应力重分布,会造成顶底板岩体产生位移、变形,甚至破坏。通过YBY-4010型应力测试分析系统观测开采过程中各测点的应力变化,得到2#煤层开采过程中应力变化曲线图(图7)。开采过程中采集仪系统记录的是竖向压应力变化量,当监测值为正时,说明该点正处于增压状态,反之则处于卸压状态,若应力变化曲线呈现上升趋势,说明该点正处于应力集中状态,反之则处于应力释放状态。

Ⅰ测线位于2#煤层底板处,随着工作面的推进,各测点应力曲线都经历“缓慢上升—迅速降低—缓慢上升—稳定不变”4个阶段,对应应力状态从开始扰动时的缓慢增压到出现周期来压时的快速释放压力,再由于应力重分布使岩层内部产生缓慢增压,直至应力逐渐达到同一水平;Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ测线各测点位于2#煤层顶板处,随着煤层的开采,各测点应力变化均出现“稳定波动—缓慢升高—迅速降低—稳定不变”4个阶段,从Ⅱ测线到Ⅳ测线随着测线埋置深度越来越浅,对应应力变化幅度越来越小,说明在厚松散层荷载条件下,2#煤层采动对覆岩的扰动程度随着岩层埋深的减小而逐渐减弱,并且部分覆岩在受扰动后可以形成较稳定的强支撑结构,限制裂隙发育。

3 覆岩裂隙演化及应力分布规律数值模拟

3.1 模型建立

基于厚松散层荷载作用下煤层开采会导致纵向裂隙出现抑制受阻情况,结合红石岩煤矿12605工作面实际地层情况,建立基于3DEC程序的数值模型,并根据实际开采条件对煤层采动过程进行数值模拟,分析覆岩裂隙演化及应力变化情况。

建立的数值模型以煤层走向为x轴,倾向为y轴,重力方向为z轴。模型顶部地表为自由面,在模型四周及底面施加边界约束。初始应力以自重应力为主,设置重力加速度为9.8 m/s²,方向竖直向下。

设置模型尺寸为长×高×宽=500 m×314 m×20 m,如图8所示。根据不同岩层所处的位置划分节理,模型块体本构模型选取遵循Mohr-Coulomb准则,节理采用库伦滑移破坏准则。模型初始应力为自重应力,重力加速度为9.8 m/s²,方向竖直向下,岩土体物理力学参数如表4所示。

在模型达到初始应力平衡后,对模型位移、节理进行清零。为避免边界效应,在模型两侧各留40 m边界煤柱,开挖长度420 m,每次开挖长度105 m,分4次开挖结束。通过对模型每次开挖后的塑性区及应力变化云图进行分析,得到红石岩煤矿12605工作面2#煤层采动覆岩裂隙发育及应力变化情况,并将分析结果与相似材料模拟试验和实测数据进行对比验证。

3.2 数值模拟结果分析

3.2.1 覆岩塑性区变化分析

煤层在开采过程中,会扰动上覆岩层的原始应力场,导致原岩应力场遭到破坏并重新分布,部分区域会由于产生塑性变化从而形成塑性屈服区。由于在2#煤层上方顶板岩层以泥岩、粉砂岩和砂岩为主,均属于软弱岩层,岩层发生破坏后裂隙很难再闭合,因此塑性区分布云图也可以作为判断导水裂隙带发育高度的依据^[27-28]。

图9为不同推进距离对应的塑性区云图,可以看出,在工作面推进初期,破坏范围主要集中在开切眼附近;塑性区分布范围随着工作面的推进不断扩大,采空区覆岩自下而上逐渐出现剪切破坏和拉伸破坏,底板部分区域由于发生底鼓作用产生拉伸破坏;2#煤层采动结束时采空区上方覆岩以拉伸破坏为主,导水裂隙带发育高度达70 m;塑性区在煤层采动过程中经历了“开始发育—快速发育—稳定变化”3个阶段,整体呈“梯形”分布。

数值模拟得到的导水裂隙带发育高度比相似材料模拟试验偏大,其可能原因是在相似材料模拟试验中,先发生垮落的岩体在底板堆积与后发生垮落的岩体之间产生不平整接触,垮落体之间存在相互支撑关系,导致新的裂隙在发育过程中被支撑结构抑制。相似材料模拟试验与数值模拟得到的裂隙发育规律与实测数据基本吻合,其中相似材料模拟试验的误差为4.9%,数值模拟误差为12.9%,两种方法均可为研究区及类似矿区导水裂隙带高度预测提供理论依据。

3.2.2 覆岩应力场变化分析

在煤层采动过程中,由于地下采空区的形成,导致采空区附近岩层原始应力结构被破坏,覆岩应力发生重分布并达到平衡。为更好分析工作面开挖后采空区覆岩应力场变化情况,得到不同推进距离对应的覆岩应力场云图,如图10所示。

从煤层采动过程中覆岩应力场云图可以得到:煤层开挖后,覆岩原始应力场发生变化,并在自重作用下重新达到平衡,应力重分布后的应力场分为应力卸压区、应力集中区和应力不变区;应力卸压区位于工作面的正上方,该区域主要对应相似材料模拟试验中的弯曲下沉带,仅有部分离层裂隙发育;应力集中区主要位于开切眼和工作面附近,应力状态以拉张应力为主,随着工作面的推进向前移动,在该区域内以纵向裂隙发育为主,同时伴随许多微小裂隙出现;卸压区在横向和纵向上均呈扩大趋势,应力扰动范围逐渐影响至松散层内部。采动结束后,覆岩发生变形破坏,且产生的纵向裂隙及水平向离层主要出现在应力卸压区,在开挖至420 m时,覆岩应力集中区范围最大。

4 结论

(1)基于相似材料模拟试验,在厚松散层条件下,覆岩裂隙分形维数变化随工作面推进可分为升维阶段、分维波动阶段和稳维阶段。处于升维阶段时,覆岩裂隙发育贯通明显;分维波动阶段时覆岩由于受自重及岩层压应力影响出现短暂的降维后又迅速升维;稳维阶段受采动影响产生的新裂隙与受自重逐渐压实闭合的裂隙基本达到动态平衡。

(2)在采动过程中,随着工作面推进距离的增加,冒落带发育高度和导水裂隙带高度均与分形维数呈正相关关系。同时,通过对采动后不同区域裂隙进行定量化表达:对于同一裂隙分区,裂隙占比量与该区域内裂隙分形维数成正比,在冒落区裂隙占比最大,达到27.07%,而工作面两侧的边界裂隙发育占比最小,仅占整个边界区域的23.54%,表明采动后裂隙主要分布在采空区顶板上方,而两侧边界由于扰动较小,裂隙发育也少。

(3)在厚松散层条件下,纵向裂隙在冒落带和工作面两侧贯通性较好,但未发育至松散层内部,离层裂隙在厚松散层荷载下发生超前闭合,抑制裂隙向上扩展。2#煤层采动过程中共经历了16次周期来压,周期来压步距为16~28 m,平均周期来压步距为23.5 m。开采结束后,冒落带发育高度为10 m,冒采比为4.3,导水裂隙带发育高度为65 m,裂采比为28.26,试验结果均略大于实测值,但发育规律基本一致。

(4)数值模拟结果表明,覆岩塑性区范围随工作面的推进逐渐扩大,对应的应力卸压区范围也逐渐增大。在停采时,导水裂隙带发育高度为70 m,最大应力位于停采线附近覆岩的应力集中区;煤层顶板应力在工作面推进方向出现持续缓慢的增压,达到周期来压时伴随顶板冒落应力迅速释放,与相似材料试验的应力分布规律一致。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

[1]	李青海, 张存智, 李开鑫, 等. 巨厚松散层下开采地表下沉的影响因素分析[J]. 煤炭科学技术, 2021, 49(11): 191-199.

[2]	Li Qinghai, Zhang Cunzhi, Li Kaixin, et al. Analysis of influence of different parameters of mining under super-thick loose layer on surface subsidence[J]. Coal Science and Technology, 2021, 49(11): 191-199.

[3]	刘超杰, 高运增, 赵高博, 等. 厚松散层软弱覆岩工作面“三带”发育特征与高度研究[J]. 矿业安全与环保, 2022, 49(1): 53-58.

[4]	Liu Chaojie, Gao Yunzeng, Zhao Gaobo, et al. Study on the development characteristics and height of “three zones”of the working face covered with thick alluvium and weak overburden[J]. Mining Safety & Environmental Protection, 2022, 49(1): 53-58.

[5]	刘启蒙, 刘瑜, 谢志钢, 等. 基于“双行裂隙”模型的两淮矿区高承压厚松散层突水机理[J]. 煤田地质与勘探, 2021, 49(3): 140-149.

[6]	Liu Qimeng, Liu Yu, Xie Zhigang, et al. Water inrush mechanism of thick alluvium aquifer with high pressure based on the “bidirectional fractures” model in Huainan and Huaibei Mining Area[J]. Coal Geology & Exploration, 2021, 49(3): 140-149.

[7]	夏筱红, 魏宏涛, 杨伟峰, 等. 厚松散层下开采覆岩及地表移动变形规律试验研究[J]. 科学技术与工程, 2023, 23(32): 14053-14059.

[8]	Xia Xiaohong, Wei Hongtao, Yang Weifeng, et al. Experimental study on overlying strata and surface movement and deformation law of mining under thick loose layer[J]. Science Technology and Engineering, 2023, 23(32): 14053-14059.

[9]	赵文. 厚松散层条带采空区工后地表变形规律[J]. 科学技术与工程, 2025, 25(19): 8003-8012.

[10]	Zhao Wen. Surface deformation law of thick loose layer strip goal after grouting[J]. Science Technology and Engineering, 2025, 25(19): 8003-8012.

[11]	刘剑, 屈井丰. 神东矿区厚松散层下采煤沉陷相似材料实验研究[J]. 煤炭工程, 2021, 53(S1): 76-80.

[12]	Liu Jian, Qu Jingfeng. Similar simulation test on surface subsidence caused by coal mining under thick loose layers in Shendong mining area[J]. Coal Enginering, 2021, 53(S1): 76-80.

[13]	王晓蕾, 姬志岗, 魏慷, 等. 煤层开采地表沉陷监测及预测技术现状及发展趋势[J]. 科学技术与工程, 2020, 20(24): 9696-9706.

[14]	Wang Xiaolei, Ji Zhigang, Wei Kang, et al. Present situation and development trend of surface subsidence monitoring and prediction technology in coal seam mining[J]. Science Technology and Engineering, 2020, 20(24): 9696-9706.

[15]	王振伟, 苏保平, 秦建壮, 等. 巨厚松散层薄基岩厚煤层采动裂隙发育抑制机理[J]. 煤炭科技, 2022, 43(5): 67-70.

[16]	Wang Zhenwei, Su Baoping, Qin Jianzhuang, et al. Suppression mechanism of mining fracture development in extremely thick loose bed, thin bedrock and thick coal seam[J]. Coal Science & Technology Magazine, 2022, 43(5): 67-70.

[17]	李振华, 任浩, 杜锋, 等. 厚松散层薄基岩开采“梁-拱”结构动态演化规律研究[J/OL]. 煤炭学报, 1-19[2026-03-26]. DOI: https://doi.org/10.13225/j.cnki.jccs.2025.0072.11.2190.TD.20250428.1142.001.

[18]	Li Zhenhua, Ren Hao, Du Feng, et al. Study on dynamic evolution law of ‘beam-arch’ structure in thick loose layer and thin bedrock mining[J/OL]. Journal of China Coal Society, 1-19[2026-03-26]. DOI: https://doi.org/10.13225/j.cnki.jccs.2025.0072.11.2190.TD.20250428.1142.001.

[19]	李宏艳, 王维华, 齐庆新, 等. 基于分形理论的采动裂隙时空演化规律研究[J]. 煤炭学报, 2014, 39(6): 1023-1030.

[20]	Li Hongyan, Wang Weihua, Qi Qingxin, et al. Study on fissure development rule of overlying sarate influenced by mining based on fractal theory[J]. Journal of China Coal Society, 2014, 39(6): 1023-1030.

[21]	郭龙辉, 程桦, 彭世龙, 等. 厚松散层薄基岩开采覆岩离层裂隙演变与下沉分形特征研究[J]. 煤矿安全, 2020, 51(9): 59-64, 70.

[22]	Guo Longhui, Cheng Hua, Peng Shilong, et al. Study on evolution and subsidence fractal characteristics of overlying strata in thick loose layers and thin bedrocks[J]. Safety in Coal Mines, 2020, 51(9): 59-64, 70.

[23]	邹恩隆, 李志华, 马军, 等. 采动裂隙动态演化定量分析及其应用研究[J]. 矿业研究与开发, 2023, 43(7): 101-107.

[24]	Zou Enlong, Li Zhihua, Ma Jun, et al. Study on the quantitative analysis of dynamic evolution of mining fracture and its application[J]. Mining Research and Development, 2023, 43(7): 101-107.

[25]	陈凯, 葛颖, 张全, 等. 基于离散元模拟的巨厚煤层分层开采覆岩裂隙演化分形特征[J]. 工程地质学报, 2021, 29(4): 1113-1120.

[26]	Chen Kai, Ge Ying, Zhang Quan, et al. Discrete element simulation for crack fractal evolution laws associated with slicing mining in super thick coal seam[J]. Journal of Engineering Geology, 2021, 29(4): 1113-1120.

[27]	李志华, 耿倩, 杨科, 等. 综采工作面垮落带注浆充填开采覆岩采动裂隙定量表征试验研究[J]. 中国矿业, 2024, 33(2): 159-167.

[28]	Li Zhihua, Geng Qian, Yang Ke, et al. Quantitative characterization of mining-induced cracks in overlying strata of grouting filling mining in caving area of fully mechanized mining face[J]. China Mining Magazine, 2024, 33(2): 159-167.

[29]	吴群英, 郭重威, 翟鸿良, 等. 重复采动覆岩裂隙率空间分布相似模拟研究——以陕北矿区为例[J]. 煤炭科学技术, 2022, 50(1): 105-111.

[30]	Wu Qunying, Guo Chongwei, Zhai Hongliang, et al. Physical simulation on spatial distribution of void fraction in overburden due to repeated mining in North Shaanxi mining area[J]. Coal Science and Technology, 2022, 50(1): 105-111.

[31]	李树刚, 秦伟博, 李志梁, 等. 重复采动覆岩裂隙网络演化分形特征[J]. 辽宁工程技术大学学报(自然科学版), 2016, 35(12): 1384-1389.

[32]	Li Shugang, Qin Weibo, Li Zhiliang, et al. Research on fractal characterization of mined crack network evolution repeated coal mining[J]. Journal of Liaoning Technical University(Natural Science), 2016, 35(12): 1384-1389.

[33]	Wang C, Zhang N, Han Y, et al. Experiment research on overburden mining-induced fracture evolution and its fractal characteristics in ascending mining[J]. Arabian Journal of Geosciences, 2015, 8(1): 13-21.

[34]	郭文兵, 葛志博, 胡玉杭, 等. 厚松散层薄基岩综放开采覆岩破坏与地裂缝发育规律[J]. 矿业科学学报, 2024, 9(5): 723-736.

[35]	Guo Wenbing, Ge Zhibo, Hu Yuhang, et al. Patterns of overburden failure and ground fissure development of thick loose layer and thin bedrock[J]. Journal of Mining Science and Technology, 2024, 9(5): 723-736.

[36]	王双明, 魏江波, 宋世杰, 等. 黄土沟谷区浅埋煤层开采覆岩破坏与地表损伤特征研究[J]. 煤炭科学技术, 2022, 50(5): 1-9.

[37]	Wang Shuangming, Wei Jiangbo, Song Shijie, et al. Study on overburden and surface damage characteristics of shallow-buried coal seam mining in loss gully area[J]. Coal Science and Technology, 2022, 50(5): 1-9.

[38]	刘延欣, 武宇亮, 岳尊彩, 等. 采动应力在薄基岩及厚松散层底部传递规律探究[J]. 中国煤炭, 2019, 45(1): 83-88.

[39]	Liu Yanxin, Wu Yuliang, Yue Zuncai, et al. Discussion on transfer law of mining-induced stress in thin rock and thick unconsolidated formation bottom[J]. China Coal, 2019, 45(1): 83-88.

[40]	程磊, 罗辉, 李辉, 等. 近年来煤矿采动覆岩导水裂隙带的发育高度的研究进展[J]. 科学技术与工程, 2022, 22(1): 28-38.

[41]	Cheng Lei, Luo Hui, Li Hui, et al. Research progress on the development height of water-conducting fracture zone in overlying strata caused by coal mining in recent years[J]. Science Technology and Engineering, 2022, 22(1): 28-38.

[42]	Zhang D, Qi X, Yin G, et al. Coal and rock fissure evolution and distribution characteristics of multi-seam mining[J]. International Journal of Mining Science and Technology, 2013, 23(6): 835-840.

[43]	梁涛, 刘晓丽, 王思敬. 采动裂隙扩展规律及渗透特性分形研究[J]. 煤炭学报, 2019, 44(12): 3729-3739.

[44]	Liang Tao, Liu Xiaoli, Wang Sijing. Fractal study on the crack network evolution and permeability change in mining rock mass[J]. Journal of China Society, 2019, 44(12): 3729-3739.

[45]	闫和平, 李文平, 段中会, 等. 黄陇煤田典型特厚煤层综放开采涌水机理与导水裂隙带发育规律[J]. 煤田地质与勘探, 2024, 52(5): 129-138.

[46]	Yan Heping, Li Wenping, Duan Zhonghui, et al. Water inrush mechanism and water conducting fractured zone’ developmental patterns of a typical ultra-thick coal seam in the Huanglong coalfield during fully mechanized mining[J]. Coal Geology & Exploration, 2024, 52(5): 129-138.

[47]	王志国. 深部开采上覆岩层中采动裂隙网络演化规律研究[D]. 北京: 中国矿业大学(北京), 2011.

[48]	Wang Zhiguo. Research on the evolution law of mining induced crack network in overburden rock strata of deep mining[D]. Beijing: China University of Mining and Technology-Beijing, 2011.

[49]	申艳军, 吕游, 王双明, 等. 煤矿采动作用对围岩扰动影响范围的分析[J]. 煤矿安全, 2022, 53(5): 194-202, 210.

[50]	Shen Yanjun, Lü You, Wang Shuangming, et al. Analysis of influence range of coal mining on surrounding rock disturbance[J]. Safety in Coal Mines, 2022, 53(5): 194-202, 210.

[51]	徐东晶, 张瑞庆, 高卫富, 等. 华北型煤田不同覆岩类型下导水裂隙带高度分区预测研究[J]. 煤田地质与勘探, 2025, 53(3): 177-189.

[52]	Xu Dongjing, Zhang Ruiqing, Gao Weifu, et al. Zonal prediction of the heights of water-conducting fracture zones under-varying overburden types in North China-type coalfields[J]. Coal Geology & Exploration, 2025, 53(3): 177-189.

[53]	尚慧, 柳思航, 甘智慧, 等. 浅埋煤层群开采覆岩垮落及导水裂隙带发育规律研究[J]. 水文地质工程地质, 2025, 52(2): 125-137.

[54]	Shang Hui, Liu Sihang, Gan Zhihui, et al. Development of overlying strata collapse and water-conducting fractured zone in shallow coal seams mining[J]. Hydrogeology & Engineering Geology, 2025, 52(2): 125-137.