高承壓水體上開采煤層底板潛在突水區動態演化數值模擬

陳陸望，劉金龍，桂和榮

(1.合肥工業大學資源與環境工程學院, 安徽 合肥 230009; 2.合肥學院建筑工程系, 安徽 合肥 230022; 3.宿州學院地球科學與工程學院, 安徽 宿州 234000)

多年來對承壓水體上開采引起的煤層底板突水問題的研究，國內外學者進行了一些有益的探索和嘗試[1-10]。高承壓水體上開采工作面突水，其實質是高承壓水突破底板隔水層的阻隔沿底板隔水層裂隙以突發、緩發或滯發的形式向上涌入工作面或采空區的過程。目前高承壓水上體上開采煤層底板突水理論，雖然均在不同程度上為防治煤礦底板水害起到了積極的指導作用，但大部分研究成果只是基于簡單物理數學模型或數值模型，很少從采動過程乃至具體地質與水文地質條件入手分析煤層底板變形破壞演化趨勢及其與突水的關系，以致高承壓水體上開采突水的預測預報勢必存在一定程度的盲目性。考慮高承壓水體上煤層開采過程，從時空以及應力場與滲流場共同作用的角度研究底板巖體變形破壞與潛在突水區的演化規律，將會給底板突水的研究帶來更符合實際的解答。

本課題以淮北礦業(集團)有限責任公司蘆嶺煤礦高承壓的石炭系太原組灰巖含水層(水壓一般為4MPa～7MPa)上開采10煤層為研究示范。采用大型有限元數值分析軟件Plaxis建立能模擬高承壓水壓力的10煤動態開采的數值模型，并考慮冒落矸石密度、變形參數與強度參數隨時間的變化，分析底板采動破壞帶與潛在突水區域的時空分布及其演化規律，為高承壓含水層上煤層開采的防治水工作提供理論支持。

1 煤層開采條件

蘆嶺煤礦10煤層是其主要可采煤層之一，占全礦井儲量的14.9%。10煤層底板標高-300～-800m，傾角0°～30°，10煤底板至石炭系太原組一灰頂厚約為40～80m，其上部為細砂巖、粉砂巖、砂質泥巖互層，中下部以黑色泥巖為主。太原組灰巖含水層水壓一般為4MPa～7MPa。10煤開采除了與地質構造、瓦斯、地壓、頂板外，10煤底板高承壓的灰巖水是威脅10煤安全開采的重要因素。

2 有限元數值建模

2.1 前提與假設

工作面頂底板巖體的變形與破壞僅發生在橫斷面內，即視為平面應變問題，巖體采用理想彈塑性模型，屈服準則為Mohr-Coulomb準則；每一巖層內部構造均勻且為各向同性體；采煤過程中10煤工作面的回采速度取值為4 m/d；參考相關文獻資料[9-11]，假定采空區長度大于20 m時頂板巖體將產生冒落；10煤底板隔水層底面處受到的超靜水壓力，用等效均布荷載模擬；10煤層厚度均值為1.92m，計算中取2.0 m。

2.2 幾何模型與邊界

蘆嶺煤礦10煤傾角為5°、隔水層厚度為40m時的有限元計算簡圖。圖中煤層頂底板各巖層的分布是基于水文地質綜合柱狀圖概化而得到的。計算模型的上部取至500m深處，通過施加均布荷載P來模擬上部巖層的重力作用。承壓水作用于隔水層底面，通過施加均布荷載pw來模擬其作用效果。在進行有限元計算時，對模型的底面施加水平和豎直方向的位移約束，對兩側只施加水平方向的位移約束。初始應力場由巖層自重應力和上部均布荷載及承壓水荷載共同作用產生。采用15節點三角形單元，網格剖分利用軟件自動實現，其大小通過試算并考慮計算精度及收斂條件確定，并在10煤層工作面附近進行手動加密優化處理。

2.3 參數選取

結合礦井勘察資料、鉆孔資料及相關圖紙，計算中采用表1所示的計算參數(少數查不到的參數，采用工程類比法與相關文獻[9-10]中的參數進行對比研究確定)。其中側壓力系數按照Jaky經驗公式k0=1-sinФ求得。

表1 有限元計算參數

采空區冒落的矸石是一種松散介質。隨著工作面的推進，矸石在覆巖作用下逐步被壓實，材料的密度ρ、彈性模量E、泊松比v、黏聚力c與內摩擦角Ф隨時間而增加[9-11]，見圖1。其中不妨以K(K=f(x)/ f(x)0，f(x)可以分別取ρ、E或v，其中ρ0=1600kg/m3，E0=15MPa，v0=0.05)為增大系數來考察密度ρ、彈性模量E、泊松比v隨時間的變化規律。

2.4 采空區與冒落區關系的處理

進一步解釋了有限元計算過程中采空區及其中冒落區的處理方法。從10煤工作面開切眼開始，工作面按4m/d的采煤速度向右推進。根據假定，采空區最大未冒落長度為20m。若采空區長度超過20m，離當前工作面最遠處的頂板將產生冒落，冒落形成的矸石把采空區填充。離當前工作面越遠，其冒落越早，矸石的強度增長越大。依此類推，根據圖1，冒落時間不同導致其計算參數的取值是不同的，計算參數隨時間增長而變大。可見，本有限元計算中對不同位置的矸石采用不同的計算參數，可以較合理的模擬采煤工作面向前推進過程中采空區相繼冒落的工程力學作用機制。

圖1 矸石密度、變形與強度隨時間變化

3 數值模擬結果分析

3.1 底板潛在突水區形成及其動態演化

承壓水上采煤過程中底板突水位置是與采空區應力和變形相關聯的[12-13]。煤層底板應力卸荷較大，導致底板隆起變形加大，使得巖體中原本閉合的裂隙相互勾通而成為涌水通道，從而構成底板突水危害。因此，分析開采過程底板應力的變化程度，也可以從一定程度上反映底板突水危險性的程度。有限元計算得到了10煤開采過程中巖體豎向應力小于未開采前數值30%的區域分布，可見，針對煤層底板而言，豎向應力減小為未開采前數值30%的區域基本位于距煤層底板20m的范圍內。隨著工作面的推進，該范圍也逐漸向前推進。各圖紅線所示區域內，應力減小程度較大，也是底板采動破壞影響程度大的區域。

研究表明，底板突水的必要條件是底板存在破碎帶或導水裂隙，其突水的充分條件是承壓水的水壓Pw大于或等于水平應力σx[14-15]。底板在開采前后的水平最小應力，可以作為底板突水的預測依據。10煤開采過程中底板水平應力σx小于承壓水壓力Pw的分布區域。分析可知，煤層開采過程中底板采動破壞區域具有下列特征：①采空區底板，由于應力卸荷嚴重，存在潛在突水區；②隨著工作面的推進，底板潛在突水區也逐步跟進，該區域緊靠10煤層底部，其深度一般不大于20m；③隨著工作面的推進，冒落矸石強度隨著時間的延長而逐步增長，其所承擔的應力水平也逐漸提高，原來開挖產生的導水裂隙可能在應力調整過程中又逐步閉合，導致早期冒落處底板的突水可能性降低。

3.2 底板潛在突水區演化的煤層傾角機制

考慮開采過程中底板隔水層厚度與承壓水壓力的極端情況，圖7給出了底板隔水層厚度40 m，承壓水壓力Pw=7MPa，開采至25d，煤層傾角取值不同時巖體內水平應力σx小于承壓水壓力Pw的區域(潛在突水區)分布圖。從潛在突水區面積上看，隨著煤層傾角的增大，底板中潛在突水區有縮小的趨勢。但這并不意味著隨著煤層傾角的增大底板突水的可能性降低，從圍巖體內水平應力σx小于承壓水壓力Pw的軌跡連線上看，煤層底板深度一定范圍內的區域均處于潛在突水區，煤層傾角的變化對潛在突水區的影響不顯著。然而，隨著煤層傾角的增大，由于冒落巖體的充填效應，沿工作面的推進方向采空區原來的導水裂隙提前閉合，潛在突水區區域減小并逐步集中于新近采空區的底板處。

3.3 底板潛在突水區演化的承壓水壓力機制

毫無疑問，承壓水壓力越大，煤層底板裂隙擴展并最終相互溝通的可能性越大，煤層底板突水的危險性增大。隔水層厚度40m、煤層傾角13°、開采至25d，且承壓水壓力分別為4MPa、5MPa、6MPa和7MPa時底板潛在突水區分布隨著承壓水壓力的增大，隔水層中潛在突水區及其深度增大。特別是當承壓水壓力為7MPa時，底板中的裂隙迅速向含水層擴展，潛在突水區急劇增大，具有突發性。因此，在承壓水壓力較大的區域，若隔水層厚度較小(特別是隔水層中泥巖所占比重較小)時，該處的煤層開采是相當危險的，不輔以其他加固或疏水降壓措施，原則上這些區域的煤層不宜開采。

4 結論

數值模型選擇了采煤工作面推進距離、煤層傾角、承壓水壓力等方面的因素，從時空角度動態分析了蘆嶺煤礦底板受石炭系太原組灰巖高承壓含水層威脅的10煤開采過程中底板變形破壞及潛在突水區演化。研究結論包括如下三個方面：

1)正常開采條件下，10底板破裂深度隨著工作面的推進距離的加大而增加，推進到一定距離時將會達到極大值，底板采動破壞帶深度不超過20m。

2)煤層傾角的變化對潛在突水區影響不太明顯，隨著煤層傾角的增大，沿工作面的推進方向，采空區原來的導水裂隙由于冒落巖體的充填效應閉合早，潛在突水區減小，逐步集中于新近的采空區。

3)隨著承壓水壓力的增大，底板潛在突水區及其發育深度增大。在承壓水壓力較大的區域，若隔水層厚度較小(特別是隔水層中泥巖所占比重較小)時，該處的煤層開采是相當危險的。

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