文|长风
编辑|长风
前言
中国陡倾斜煤层开采导致地表破坏的问题在该国广泛存在，然而对于陡倾斜多层煤矿开采引起的地层破坏过程和运动机制的研究却非常有限。
本文通过物理模型实验，研究了陡倾斜多层分段开采中覆岩的破坏过程和运动机制。通过物理模型实验，本文模拟了陡倾斜多层煤矿开采的过程，分析了开采过程中回采区-岩体结构的动态变化，总结了覆岩的变形和破坏特征，并将覆岩划分为几个区域。
陡倾斜煤层相关简介中国拥有大量陡倾斜煤层储量，占总煤炭储量的15%到20%，西部地区的矿井中有超过50%的矿井在开采陡倾斜煤层，陡倾斜煤层的开采经常导致地表塌陷坑和阶梯状凹陷，对地面上的建筑物和结构构成了巨大威胁。
地下多层煤矿开采引起的覆岩运动和地表破坏比单层煤矿开采更为严重，因此，研究陡倾斜多层煤矿开采的岩体破坏过程对于安全生产和地表沉降预测具有重要意义。
根据煤层埋藏形式的不同，可以根据倾角进行划分：水平煤层、缓倾斜煤层、中等倾斜煤层和陡倾斜煤层。
对于水平和缓倾斜煤层（小于25°）开采引起的覆岩和地表运动机制，前人在覆岩结构形式、覆岩地层运动模式、开采压力控制参数、关键地层破断方式、关键地层载荷变化以及地表沉降特征等方面进行了深入研究。
通过采用砌体梁结构力学模型、弹性地基梁力学模型、Kirchhoff板力学模型、关键地层控制理论以及其他一些理论，最终取得了丰硕的成果。
对于中等倾斜煤层开采，学者们利用数值模拟、现场观测和力学模型研究了覆岩地层的运动特征、周期加重间隔、应力分布模式、裂缝发展以及地表沉降的预测，并取得了明确的认识。
对于陡倾斜煤层开采（大于等于45°）引起的岩体破坏过程的研究还不充分，尤其是多层煤矿开采引起的覆岩运动机制尚未完全揭示。
华阳等人采用向量法建立了适用于任意倾角煤层的广义开采沉降模型，并提出了一种利用影响函数的灵活性预测倾斜煤层开采沉降的预测模型。
孟等人采用弹性薄板理论建立了高倾斜煤层采空区顶板破裂的力学模型，邓等人采用理论分析和数值模拟，分析了陡倾斜煤层开采过程中顶板的应力和变形过程，采用离散元法分析了缓倾斜薄煤层回采区顶板的变形和破坏过程。
张和曹基于弹性板理论得到了陡倾斜工作面顶板挠度和应力分布的解析，邓等人采用有限元法研究了陡倾斜特厚煤层上向切片回采过程中地压和应力分布的出现，采用有限差分法评估了煤层和围岩倾角对陡倾斜煤层围岩稳定性的影响。
云等人利用动态监测系统监测了东霞煤矿37220工作面顶板和底板的支承压力，李等人通过物理模拟和理论分析研究了综放工作面顶板结构的稳定性，利用物理模型试验研究了陡倾斜煤层开采过程中回采区煤矸石的运动。
陶等人利用物理模型试验和数值模拟相结合，研究了深部高重力和水平构造应力下45°和60°倾斜层状软岩地层的破坏机制，通过建立工作面底板塑性破坏力的力学特征模型，得出了不同应力集中系数下底板破坏深度的计算公式。
上述研究大部分针对的是陡倾斜单层煤矿开采，而在多层煤矿开采中，围岩的位移较大，采空区很可能被穿透，因此引起的覆岩运动和地表破坏比单层煤矿开采更为严重，但相关研究结果很少报道。
为了研究陡倾斜多层煤矿开采引起的岩体破坏过程和机制，设计了陡倾斜多层煤矿开采的物理模型，通过逐步挖掘来模拟煤炭开采，利用照片和全站仪监测围岩破坏过程和运动模式。
分析了开采过程中的岩石破坏过程，并讨论了围岩运动的机制，对于未来类似工程设计提供了宝贵的经验。
覆盖层破坏过程多层煤矿开采是一个逐步进行的过程，每个步骤的现象描述都很复杂，为了方便描述开采区域和破坏过程，我们将每个步骤开采的煤层区域与测试现象进行了关联，并总结了测试结果。
从实验现象可以得知，在煤层#1的开采过程中，首先在顶板地层中生成了剥离断裂Fr1，随着开采的进行，剥离断裂Fr2和Fr3不断生成，这些断裂逐渐扩展直至穿透，顶板地层崩塌。
在其他煤层的开采过程中，初始切口和顶板地层出现小规模崩塌，但没有发生剥离断裂。煤层的回采区贯穿初始切口附近，模型没有引起大规模崩塌和破坏，岩体完整性良好。
崩塌的碎裂岩体向工作面方向移动，最终积聚在附近，由于夹层的弯曲效应，开采区域上方的水平地层发生弯曲，并在地表上形成一系列裂缝。
当陡倾斜煤层开采一定距离后，顶板首次崩落，工作面与初始切口之间的垂直高度被定义为开采崩落的启动垂直高度。
不同煤层的开采崩落启动垂直高度也不同，煤层#1的开采崩落启动垂直高度为7.5厘米，煤层#2和#3分别为12.5厘米和17.5厘米，煤层开采越晚，开采崩落的启动垂直高度越高。
对于煤层#4，开采崩落的启动垂直高度仅为10厘米，推测是因为#4煤层的顶板岩体性质较差，在开采一定距离后，顶板在自身重力的作用下受损崩落，在陡倾斜多层煤矿开采中，开采越晚，煤层顶板的初始塌落步距越大。
开采完成后5小时，弯曲变形的沉降中心位于煤层#1正上方，开采完成后11小时，回采区上方的水平地层全部向下崩塌，并随机分布在回采区内，倾斜煤层正常方向的岩体整齐有序地向回采区移动，导致回采区崩落。
沉降中心从煤层#1正上方转移到煤层#3上方，开采完成后21小时，回采区的沉降仍在进一步增加。地表显示出不对称的沉降，最大沉降点位于回采区中心附近，在上坡方向，地表影响范围较大，在下坡方向较小，岩层破坏主要是拉伸破坏或剪切滑动破坏。
地表变形区域可分为两个区域：不连续变形区域和连续变形区域，不连续变形区域表现为地表扰动较大，如张裂缝、台阶和塌陷坑，张裂缝是由拉伸变形形成的，沿着与煤层平行的几乎垂直不连续面（主要节理组）发展。
在应力松弛作用下，有着大垂直变形的地表形成了塌陷，因此，不连续变形区域可以进一步划分为塌陷区域和裂缝区域，不连续变形区域的外部是连续变形区域，地表受开采影响较小。
在模型稳定后，最大正向水平位移出现在距离40厘米的位置，位于煤层#3上方。最大反向水平位移出现在距离90厘米的位置，位于煤层#1处，这两个最大位移点位于塌陷区域的边缘。
所有的裂缝都是垂直拉伸裂缝，向下方向的拉伸裂缝的数量远远大于向上方向的数量，从C1到C13，裂缝的长度先增加，然后减小，然后再次增加，然后再次减小。
这个模式类似于水平煤层开采后地表裂缝长度的发展模式，陡倾斜煤层顶板的位移角度测量为48°，底板的位移角度为62°，可以看出，沿着煤层顶板方向的地表影响范围大于沿着底板方向的范围。在实际开采中，应注意控制沿着煤层顶板方向的地表沉降。
先前的研究表明，在陡倾斜单层煤矿开采中，顶板会逐渐崩落，导致下坡方向的围岩猛烈挤入回采区，地表沉降盆地偏向下坡方向。
在本次实验中，除了单层开采引起的现象外，由于前期煤层开采，围岩结构发生了巨大变化，后期岩层的运动和破坏过程更加复杂，对岩层和地表的破坏更为严重。
根据实验现象认为采场结构的动态变化是陡倾斜多层煤矿开采中岩层运动的关键，因此，陡倾斜多层煤矿开采的采场结构变化可以分为两个阶段：稳定岩体阶段和严重破坏阶段。
在第一层煤层开采时，初始切口处的岩体失去支撑，在重力作用下发生崩落，随着工作面的推进，顶板的悬挑长度也变得更长，逐渐发生“弯曲-开裂-坍塌-堆积”过程，由于回采区的大倾角，破碎岩体通常积聚在工作面附近，对开采有很大的不利影响。
从实验现象可以看出，围岩的变形主要包括初始切口上方岩体的向下移动和顶板地层的侧向移动，这两个方向的岩体运动形成了弯曲区和支撑区，从而在回采区上方形成了一个稳定的拱形结构，防止了围岩进一步破坏。
由于上述的拱形结构，支撑区也将承受岩体重量在岩石运动角度φ范围内的作用，因此在第二层煤层的顶板处形成了减压区。
这也导致了在开采第二层煤层时，顶板会因自重而发生开裂和小规模崩塌，但一般是稳定的，第二层煤层开采崩落的启动垂直高度比第一层煤层要大。
同样的过程也发生在第三层和第四层煤层的开采中，在进行一定距离的煤层群开采后，夹层成为支撑柱，回采区呈现稳定的方柱支护结构，由于夹层的倾斜形态，初始切口处施加的覆岩荷载使夹层成为倾斜压实柱。
当多层煤矿开采达到一定程度时，第一层煤层的拱形结构受到破坏，原有的拱脚卸载，导致第一层煤层的顶板向回采区滑动，在滑动的早期阶段，移动速度较慢，回采区的变化也较缓慢。
当由滑动引起的位移达到一定程度时，覆岩荷载的分布将变得越来越不均匀，加速岩体滑动。此时，采场结构进入岩体的猛烈破坏阶段，回采区大规模崩落，岩体结构不稳定。
由于每个煤层的顶板具有更大的悬挑区域和更大的倾角，第一层煤层的崩落顶板（区域A）将直接压碎夹层-1，接着是夹层-2和夹层-3，产生“多米诺骨牌”式的破坏效应，回采区的夹层最初用于支撑覆岩地层的重量。在这些夹层破坏后，覆岩崩落，导致对地表的猛烈破坏。
结论实验结果表明，在初始阶段，岩体主要发生小尺度崩塌，包括初始切口和顶板的稳定阶段。
当顶板暴露一定范围后，岩体沿着下坡方向滑入回采区，逐渐破坏回采区的夹层，类似多米诺骨牌效应的位移效应（岩体严重破坏阶段）。
当回采区结构破坏时，覆岩下沉，导致地表广泛破坏，回采区正上方的地表破坏主要由严重下沉变形引起，而下坡方向的地表破坏主要由裂缝支配。
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