我国神东矿区煤层埋深约100～300 m，属于浅埋煤层，且煤层层数多，厚度大，层间距离近[1]。当前，部分煤矿的上煤层已经采完，正进行下煤层回采，属于浅埋近距离双厚煤层开采。上、下煤层开采后，两层煤开采形成的采动应力场及覆岩裂隙场相互叠加，增加了采空区煤炭自燃等灾害的治理难度。因此，研究此类条件下的覆岩裂隙发育规律具有重要的理论意义及工程应用价值。
在近距离煤层群开采方面，国内学者在采场覆岩结构和覆岩裂隙发育规律等方面开展了大量的研究。许家林等将神东矿区浅埋近距离煤层覆岩关键层结构分为3类4种，并分析了覆岩运动特点[2];姜福兴等认为重复采动时采高增加会导致采空区上方顶板“活化”，导致铰接平衡岩块失稳[3];朱卫兵通过对神东矿区近距离煤层重复采动关键层结构失稳机理研究，提出了针对多种关键层结构失稳的控制与防范措施[4];王庆照等基于鲁西矿3煤重复采动下裂隙带发育高度的实测结果，提出覆岩裂隙带发育高度随着采空区变化具有动态变化特点[5];李树清等认为在双重卸压开采作用下，一些覆岩裂隙经历了生成、扩展、压实、张拉、再压实等复杂过程[6];李树刚等构建了重复采动下覆岩裂隙椭抛带形态的动态变化数学模型，并推导出椭抛带沿走向及倾向的形态分布动态方程[7]。其他学者对不同矿区双煤层采动后的裂隙带高度也进行了实测研究[8-10]。
总体而言，我国学者对近距离煤层群开采的研究主要集中在矿压显现规律和覆岩运动特征方面，对覆岩裂隙演化规律研究较少，尤其缺乏覆岩内空隙表征及裂隙发育高度的研究。基于此，笔者以补连塔煤矿上煤层12306、下煤层22305综采工作面为工程背景，分别建立了浅埋双厚煤层开采三维物理相似模型、PFC2D数值模型和理论模型，分析双厚煤层开采后覆岩应力演化规律、空隙分布和裂隙带发育高度，以期揭示地表漏风机制。
1 地质概况
补连塔煤矿主采1-2，2-2和3-1等3个近水平煤层，均属于Ⅰ类易自燃煤层，自然发火期为1个月左右，其中1-2煤层埋深66～183 m。开采1-2煤层的12306工作面位于开采2-2煤层的22305工作面上部，层间距离30～50 m，均采用综合机械化工艺一次采全厚，平均开采高度分别为4.66和6.80 m。因此，两工作面开采条件属于浅埋近距离双厚煤层开采。
钻孔统计表明，补连塔煤矿采场上覆岩层以细砂岩、粗砂岩、砂质泥岩为主，平均抗压强度分别为40.6，35.2和32.4 MPa，属于中硬覆岩类型。煤系地层岩性及物理力学性质见表1，判定由下至上存在关键层1、关键层2和主关键层。
表1 煤岩赋存状态及物理力学参数
Table 1 Stratigraphic section and mechanical and physical parameters of rock strata
2 双厚煤层开采三维物理实验
2.1 实验系统
本次实验采用课题组研制的长×宽×高为2.3 m×2.3 m×1.2 m的双煤层开采三维相似材料模拟实验台(发明专利号:ZL201510451445.6)，如图1所示。上、下煤层通过钢构件填充，模拟1.2 m×1.2 m的开采区域。
图1 双煤层开采三维相似模拟实验台
Fig.1 Three-dimensional similar simulation test bench for double coal seam mining
2.2 模型试验及矿压观测
模型的几何相似比为100∶1，容重、强度相似比为150∶1。相似材料以细河沙做骨料，以生石灰和石膏做胶结料。模型铺设过程中，以云母片作为分层材料。由于模型尺寸限制，只铺设表1中主关键层以下岩层，铺设高度0.96 m。为了获得开挖过程中岩层内垂直应力演化规律，如图2所示，在模型中不同深度埋设应力传感器。其中，1～11号测点位于2-2煤层顶板7 m处;16～21号测点位于1-2煤层顶板7 m处。为了消除埋入式应力传感器与相似材料刚度不匹配问题，试验之前通过将传感器埋入相同相似材料进行了标定。在分析过程中，依据标定曲线对测试值进行了转换。
图2 模型应力监测点分布
Fig.2 Arrangement of stress sensors in model
2.3 采动应力及覆岩移动破坏规律
试验过程中，除4和9号测点异常外，其余测点均采集了两次采动过程中完整的应力变化数据。限于篇幅，如图3所示，笔者仅以6和20号测点的测试结果作进一步分析。
图3 6和20号测点应力随开采的变化规律
Fig.3 Variation of stress at points 6 and 20 with the mining working face
在上、下煤层开采过程中，20号测点应力变化具有增压、卸压和复压等几个阶段。上煤层工作面推进20 m以后，测点应力开始逐渐增高;在推进70 m时达到最大应力(4.0 MPa);工作面推过测点以后，直接顶随即垮落，应力迅速卸压至0.3 MPa;随着覆岩垮落和采空区矸石被压实，应力最终恢复至1.2 MPa。在下煤层开采过程中，由于20号测点处于上煤层采空区垮落矸石上部岩层中，应力随着下煤层工作面推进，依次经历二次增压、卸压和复压阶段，但应力波动范围比上煤层开采时小，最大应力为2.4 MPa，仅为上煤层开采时的60%左右。类似，6号测点应力在上、下煤层开采过程中也经历两个循环的增压、卸压和复压阶段。
以上、下煤层不同开采阶段的应力分布特征(图4)，进一步探讨覆岩断裂破坏规律。
图4 不同开采阶段的应力分布
Fig.4 Stress distribution at different advancing distances
图4(a)表明，下煤层工作面推进至50 m时，大部分测点应力较40 m时均有小幅增加。当工作面推进至60 m时，除开挖引起直接顶垮落导致6号测点卸压外，3号测点也发生卸压，表明3号测点所在的采空区煤柱边缘发生破坏;同时，2号测点和7号测点应力升高，表明压力已向煤柱深部和采空区中部转移。结合上煤层采空区16,17,18号测点应力同步减小，而19,20,21号测点应力同步增大，可以推断下煤层开采至60 m时，两煤层之间的关键层1发生初次断裂(断裂步距约为60 m)，上、下采空区通过裂隙发生联系。
由图4(b)可知，下煤层工作面推进至80 m时，7号测点随直接顶垮落而卸压，其余采空区处和煤柱内测点应力比推进70 m时均有小幅增加。由此可知，采空区继续被压实，而两侧煤柱承担采场更大范围岩层荷载的转移。相反，推进至90 m时，19，20号测点同时大幅度卸压，而21号测点应力升高，表明关键层1发生第1次周期性断裂，断裂步距约为30 m。同时，6，7号测点应力稍有增大，则可以判断周期来压时采空区内受覆岩移动破坏影响范围约为20 m左右，即采场覆岩周期来压期间工作面后方20～40 m范围内的矸石被逐步压实。
图4(c)为上、下煤层工作面开挖后采空区顶底板应力卸压、恢复状态对比图。上煤层开采后，顶板16～21号测点应力均为卸压状态，且整体分布特征是两端小、中间大，表明上煤层采空区中部垮落矸石压实程度大于采空区两端部。其中，19号测点应力(1.6 MPa)约为初始应力的91%，即19号测点承担了上覆岩层约91%的荷载，以此判断关键层2发生断裂。下煤层开采后，采场顶底板应力分布仍为两端小、中间大，也表明采空区中部覆岩被压实程度仍然大于端部，在采空区边缘存在较大的空隙空间。
2.4 覆岩裂隙分布特征
上、下煤层模拟开采结束以后(图5)，人工整体切割观测了模型内部状态。图5(a)表明上、下煤层开采后，采动裂隙已经达到模型上表面(主关键层下)，但限于模型尺寸，模型顶部岩层仅发生了呈“O”形圈的初次破坏;图5(b)表明下煤层开采后覆岩断裂角约为73°，且断裂线周围裂隙呈张开状态，而采空区中部破断岩体压实程度高。由此可知，覆岩断裂破坏后，采空区中部裂隙被挤压成闭合状态，而在顶板“O”形破坏圈周边具有较大的空隙，成为采空区漏风的优势通道。此外，下煤层开采以后，上煤层顶板破碎程度相对于下煤层顶板更大，说明下煤层开采导致上煤层开采时垮落的岩层发生二次运移破坏，也导致上煤层高位弯曲带的部分岩层转化为裂隙带岩层。
图5 三维采场覆岩破坏形态
Fig.5 Damage of overburden in three-dimensional stope
3 双厚煤层开采覆岩空隙场表征
随着覆岩的多次断裂失稳，采动裂隙会反复张开、闭合。如图6所示，引入采动空隙场概念，利用颗粒流软件PFC2D分析近距离双厚煤层开采后覆岩内部空隙分布规律。
图6 破断岩块间的空隙率计算
Fig.6 Calculation of porosity between broken rock
PFC2D数值模拟结果如图7所示。模型长×高为300 m×170 m，模型高度包括2-2煤上部直至地表厚153 m的覆岩、2-2煤和10 m底板岩层。
图7 工作面开挖后采动空隙场分布
Fig.7 Mining-void filed after panels excavation
上煤层开挖后，如图7(a)所示，关键层2发生周期性断裂。空隙最大发育高度约60.3 m，接近于三维物理模拟的推断结果(55.5 m)。结合关键层理论，可以将采动影响的覆岩由下至上分为不规则空隙带(Ⅰ区)和周期性空隙带(Ⅱ区)。其中，不规则空隙带包括关键层2下部垮落区域，由于关键层2断裂后形成砌体梁承载结构，该区域岩层不能被完全压实;周期性空隙带包括关键层2及其上部一定范围的软岩，采动空隙主要分布在关键层2初次断裂和周期性断裂附近。
按照采动空隙大小和连通性，可将覆岩空隙概化为“双拱”形分布，并以此将采动覆岩划分为拱间优势空隙带(Ⅲ区)和拱下微空隙带(Ⅳ区)。拱间优势空隙带介于外拱和内拱之间，是采空区两侧斜向发育的纵向裂隙与覆岩离层裂隙连通的拱形通道。由于覆岩层位越高，回转下沉空间越小，从而形成岩块跨度上大下小的铰接岩梁结构，与文献[11]中二维相似材料模拟研究结果一致。此区域的空隙率约为0.3～0.5，是覆岩漏风的优势通道。拱下微空隙带位于内拱下部的采空区中部区域。受上覆岩层垮落压实以及两侧岩体水平挤压的影响，该区域空隙率较低，约为0.1～0.3，可以在一定程度上阻断采空区和工作面之间风流的流动。
下煤层开采后，引起关键层1和主关键层断裂，空隙发育直达地表，如图7(b)所示，采动空隙场仍然表现为“双拱”形态。关键层1断裂失稳后，上、下工作面开采形成的垮落带相互连通，构成了新的不规则空隙带(Ⅰ区)。由于下沉空间的增大，上煤层开采后关键层2形成的砌体结构失稳，其上部软岩发生断裂下沉，主关键层发生初次断裂，在工作面推进长度增加以后还会发生周期性断裂。因此，主关键层的断裂步距即为周期性空隙带(Ⅱ区)的空隙间距。
在下煤层开采以后，新的拱间优势空隙带(Ⅲ区)由上、下采空区两侧的斜向连通裂隙和离层带裂隙组成，且由于采场顶板断裂线外移和覆岩运动范围的增加，空隙带范围进一步扩大;拱下微空隙带(Ⅳ区)由上、下煤层开采后于中部区域各自形成的闭合裂隙带共同组成，与上煤层单独开采相比，该区域岩体压实程度更高，空隙也更小。
总体而言，上、下煤层开采以后，覆岩中均存在不规则空隙带、周期性空隙带、拱间优势空隙带和拱下微空隙带，但下煤层开采以后形成的空隙带范围更大，在垂直方向上达到了地表，是地表漏风的根源。另外，随工作面不断向前推进，采空区边缘的优势空隙带逐渐向微空隙带转化。
4 覆岩裂隙带发育高度
4.1 综合采厚
大量研究表明，近距离煤层群开采形成的裂隙带发育高度与采厚、煤层间隔距离和覆岩岩性等因素有关，具有叠加效应[5-7]。为利用单一煤层开采的裂隙带发育高度公式预计近距离煤层群开采裂隙带发育高度，文献[12]将这些因素转化为能够综合反映近距离煤层群采动叠加效应的综合采厚，即
(1)
其中，Meq为综合采厚;Mu为上煤层采厚;Ml为下煤层采厚;h为上、下煤层间隔层厚度;Yl为下层煤冒高与采厚之比[12]。但实践表明，该公式的物理意义不明确，计算结果误差大。因此，2017年新标准已将该公式取消[13]。
为了明确综合采厚的物理意义，结合前面物理模拟和数值模拟结果，得到图8所示的双煤层开采综合采厚计算模型。
图8 双煤层开采综合采厚计算模型
Fig.8 Model on calculating comprehensive mining height in double-layer coal seam mining
图8表明，对于近距离双厚煤层，下煤层开采后，间隔层断裂、下沉，而间隔层顶部下沉的结果将导致上煤层采空区垮落带、裂隙带的二次下沉破坏。因此，综合采厚是上煤层采厚与下煤层开采引起间隔层顶部位置的二次下沉值之和。
设m为下煤层开采后间隔层顶部岩层的二次下沉值，有
m=qiMl
(2)
其中，qi为下煤层开采后间隔层顶部位置的下沉系数。采用文献[14]给出的中硬覆岩条件下的岩层内部下沉系数表达式
(3)
式中，H为下层煤埋深;h为间隔层厚度;q为与采动程度有关的地表下沉系数。
利用式(2)和(3)，可得双层煤开采后的综合采厚，即
Meq=Mu+m
(4)
4.2 裂隙带发育高度计算及验证
现行“三下采煤”规程只给出了采厚小于3 m的普采、综采和分层开采的“两带”高度预计公式，而近距离双厚煤层开采后，其综合采厚远大于3.5 m，更为接近综合机械化放顶煤的开采高度。因此，依据文献[10]列出的国家煤矿安监局调研的152组综放开采“两带”高度实测数据，以0.5 m采厚为单位区间，将数据划分为17组，取平均采高和裂隙带高度进行拟合(图9)，得到修正后的综放开采裂隙带发育高度Hf的预计公式(拟合优度R2=0.93):
(5)
利用PFC2D进行数值模拟，得到不同综合采厚下近距离双厚煤层开采裂隙带发育高度(表2)。
图9综合反映了实测结果(来自文献[10])、数值模拟结果和式(5)拟合结果。3者的变化趋势一致，说明式(5)可以用于近距离双厚煤层开采裂隙带发育高度的计算。
表2 不同开采条件下裂隙带发育高度数值模拟结果
Table 2 Numerical results of fracture zone under different mining conditions
图9 裂隙带发育高度对比图
Fig.9 Comparison on development height of fracture zone
针对补连塔煤矿开采条件，取Mu=5.5 m，Ml=7 m，h=40 m，H=153 m，q=0.3，利用式(2)～(5)得到Meq=10.1 m，Hf=146.5 m。该结果同样表明，在地表松散层抗变形破坏能力差的条件下，浅埋深双厚煤层开采导致主关键层断裂产生的采动裂隙影响可以扩散至地表。
5 工程验证
5.1 12306采空区高温事故分析
如前所述，补连塔煤矿下煤层22305综采工作面采空区上方是上煤层12306工作面的采空区。如图10所示，当220305工作面推进至47 m处时，在回风巷侧采空区有蓝烟涌出，并有炭烟味，而工作面上隅角CO浓度最高达0.16%。该工作面停产后，在地面施工29个钻孔，探测12306采空区的温度为27.5～49 ℃，并有烟雾和高温气体从钻孔涌出，说明12306采空区遗煤发生自燃，燃烧后的CO等有害气体也通过间隔层裂隙进入22305工作面。依据现场测试结果，圈定22305上覆采空区高温区域在12306主、辅切眼附近。此后，矿方先后对高温区灌注液氮、液态二氧化碳和粉煤灰进行灭火。但是，灌注的浆液顺裂隙流入22305采空区，未在12306采空区形成有效的覆盖，影响了治理效果。
图10 工作面布置及探测点分布
Fig.10 Arrangement of working face and distribution of probe points
现场钻孔检测和灭火效果表明，下煤层开采以后，间隔层发生了断裂破坏，联通了上煤层12306采空区和下煤层22305采空区，并在采空区边缘形成了漏风甚至漏浆的优势通道。现场测试结果与前述相似材料模拟试验结果和理论分析结果一致。
5.2 地表漏风测试
如图10所示，通过地面塌陷裂缝释放SF6气体，在回采巷道进行了相应的漏风测试[15]。
当下煤层22305工作面推进785 m时，在1，2和3号点释放SF6气体后，均在两个不同时间段检测到浓度较大的SF6气体，表明采空区边缘与地表存在多条漏风通道，且漏风量大。因此，下煤层开采以后，采空区边缘属于拱间优势空隙带，通过裂隙与地表具有气流联系。
此外，在4号点释放SF6气体后，在检测点没有检测到SF6气体。由于4号点释放的SF6气体需要经过采空区中部再流向检测点，可以认为，下煤层采空区中部被上覆岩层压实后空隙减小，形成了拱下微空隙带，减小了采空区边缘与采空区中部的气流联系。
5.3 综合分析
(1)由于拱间优势空隙带的拱脚位于采空区边缘，则井下采空区防灭火的重点应是开切眼和终采线附近区域;
(2)地表漏风点主要位于主关键层初次断裂及周期性断裂位置;
(3)伴随采煤工作面的推进，采空区边缘的优势空隙带将逐渐向微空隙带转化。
基于以上认识，对地表和覆岩优势空隙带进行防灭火处理以后，还应加快工作面推进速度，在采空区内尽快形成拱下微空隙带，隔绝采空区与工作面的气体流联系。
6 结 论
(1)上煤层开采后，裂隙带发育高度约为55.5～60.3 m;当下煤层推进约60 m时，采场顶板发生初次断裂，引起上、下采空区连通;下煤层开采引起主关键层断裂，形成直达地表、高约146.5～153.0 m的裂隙带。
(2)采空区边缘覆岩被压实程度小于采空区中部，具有较大的空隙空间;与此相对应，采空区应力恢复特征是中部大、边缘小。
(3)双厚煤层采动空隙场呈“双拱”形态。结合关键层理论，可将覆岩划分为不规则空隙带和周期性空隙带，以及拱间优势空隙带和拱下微空隙带。
(4)双厚煤层开采以后，周期性空隙带由主关键层控制，其断裂步距即为地表漏风点的间隔距离;拱间优势空隙带呈上宽下窄，在采空区边缘收缩，是地表风流进入井下的汇风区域，也是防治煤自燃的重点区域;加快工作面推进速度，在采空区内尽快形成拱下微空隙带，有助于隔绝采空区与工作面的气体联系。
(5)采用本文提出的近距离双煤层开采的综合采厚计算方法，结合修正的综放开采裂隙带发育高度预计公式，可进行近距离双厚煤层裂隙带发育高度计算。
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