基于不同正斷層角度的上盤工作面突水數(shù)值模擬分析

劉晉予

(山西煤炭進出口集團 蒲縣豹子溝煤業(yè)有限公司,山西 臨汾 041204)

礦井水害嚴重影響著煤礦安全生產(chǎn),給國家和人民帶來巨大的損失。對于含有斷層的工作面在開采過程中更易發(fā)生突水事故,研究表明,在諸多斷層種類中正斷層更易導水,而在正斷層中不同的斷層傾角對工作面突水的影響又有所不同,本文針對某礦41112工作面位于正斷層上盤這一情況,模擬不同斷層傾角條件下的工作面推進情況。研究不同斷層傾角對工作面突水的影響。

1 工作面概況

某礦41112工作面,煤層結(jié)構(gòu)復雜,煤層厚度變化較小,煤層中間有夾石,夾石層小于2層,煤層厚度平均1.8 m,視密度1.33 t/m,煤層埋深約740 m,底板與四灰距離35 m,四灰的厚度約8 m。工作面偏北側(cè)為F21斷層,北高南低,落差8 m～12 m,平均傾角59.6°。

2 數(shù)值模擬

2.1 FLAC3D原理

FLAC3D的原理是拉格朗日差分法,這種方法擁有和有限元法一樣的優(yōu)點,可以運用它來分析含有孔隙水壓力的流固耦合的問題,它擁有很強的滲流運算能力,可以模擬多孔介質(zhì)中的流體運動,可以單獨運算流體模型,只考慮滲流作用,同時也可以進行流固耦合計算[1-3]。

2.2 模型建立

根據(jù)工作面的相關水文地質(zhì)條件建立斷層傾角分別為30°、45°、60°,長、寬、高分別為160 m、120 m、100 m的三種模型，見圖1。力學邊界條件為下部邊界固定,設定埋深740 m,載荷均布在模型上部,上覆巖層的設定密度為2 600 kg/m3,水壓力邊界固定,底部含水層水壓設為7.5 MPa。含水層巖體飽和度設為1,工作面底板內(nèi)初始水壓力是依據(jù)梯度水壓的變化進行定義,工作面回采后采空區(qū)成為滲流邊界,所以采空區(qū)邊界取固定的水壓力值為0。

工作面推進方向與斷層走向平行,在斷層的邊界處留設20 m的煤柱,模型的邊界留設20 m以防邊界效應,工作面寬60 m,一次采全高。從y=20 m處開始推進,分5步開挖,每次10 m,最后推進到y(tǒng)=80 m處結(jié)束。分別選取y=40 m、y=50 m、y=60 m、y=70 m、y=80 m時的塑性區(qū)、孔隙壓力的分布圖研究它們在推進過程中的變化規(guī)律。

圖1 不同斷層傾角時的模型Fig.1 Models at different fault dips

2.2.1 斷層傾角為30°的模型

1)塑性區(qū)分布規(guī)律。分析不同推進距離下的塑性區(qū)分布圖(見圖2)可知:在剛開始推進時,斷層帶已經(jīng)出現(xiàn)了塑性破壞,這正印證了正斷層帶容易被破壞的特征;隨著推進繼續(xù)進行,在煤層頂板的塑性破壞區(qū)越來越大,留設的斷層煤巖柱塑性破壞區(qū)域也逐漸增大直至完全被破壞,底板巖層的塑性破壞變化速度不如頂板,但底板破壞區(qū)域和深度也有所增大,靠近斷層附近底板塑性區(qū)域有向著斷層破碎帶繼續(xù)延伸的趨勢,并且從底板塑性區(qū)整體來看,靠近斷層側(cè)塑性區(qū)范圍大于遠離斷層的另一側(cè);當工作面推進結(jié)束時,煤層頂板、底板的塑性最大破壞深度分別達24 m、12 m。

圖2 不同推進距離下塑性區(qū)分布圖Fig.2 Distribution diagram of plastic zones at different advancing distances

2)孔隙壓力分布規(guī)律。分析不同推進距離下的孔隙壓力分布圖(見圖3)可知:在工作面剛開始推進時,處于斷層下盤的承壓水已經(jīng)開始有沿著斷層裂隙向上導升的趨勢,斷層的上下盤導水帶尚未溝通;當工作面推進到y(tǒng)=50 m時,位于斷層上、下盤處的導水帶開始導通,繼續(xù)推進后下部的承壓水開始出現(xiàn)出現(xiàn)較為明顯的導升;當工作面推進到y(tǒng)=

70 m時,承壓水的導升趨勢開始減緩,此時承壓水區(qū)域及斷層含水區(qū)域有向工作面下方底板區(qū)域擴散擴大的趨勢;當工作面推進到y(tǒng)=80 m時,承壓水繼續(xù)導升且向煤層底板擴散范圍擴大。與圖2中的塑性區(qū)分布特征進行對比,分析原因,主要是工作面推進中,靠近斷層附近底板塑性區(qū)范圍及破壞深度增加,承壓水沿裂隙滲透。

圖3 不同推進距離下孔隙壓力分布圖Fig.3 Distribution diagram of pore pressure at different advancing distances

2.2.2 斷層傾角為45°的模型

1)塑性區(qū)分布規(guī)律。分析不同推進距離下的塑性區(qū)分布圖(見圖4)可知:工作面推進時,斷層帶發(fā)生塑形破壞;隨著工作面的推進,斷層帶和煤層頂板的塑性區(qū)范圍持續(xù)變大,而底板在工作面推進到y(tǒng)=50 m時塑形區(qū)范圍趨于穩(wěn)定,破壞范圍不在發(fā)生顯著變化,而靠近斷層側(cè)底板的塑性區(qū)范圍比遠離斷層側(cè)明顯偏大。將煤層工作面推進結(jié)束時,煤層頂板、底板的塑性最大破壞深度達到24 m、10 m;隨推進距離增大,煤巖柱塑形破壞加大,且有與斷層接通的趨勢。

圖4 不同推進距離下塑性區(qū)分布圖Fig.4 Distribution diagram of plastic zones at different advancing distances

2)孔隙壓力分布規(guī)律。分析不同推進距離下的孔隙壓力分布圖(見圖5)可知:隨著工作面推進,斷層上、下盤的含水帶接通,并且接通范圍隨推進明顯增大;含水層水沿斷層帶向上導升,并且導升趨勢及高度明顯,當工作面推進到y(tǒng)=60 m時,導升已經(jīng)接近煤層;工作面推進結(jié)束后,承壓水到達煤柱附近且有向煤柱滲透的趨勢,同時導升繼續(xù)升高的趨勢。如若此時煤柱因塑性破壞嚴重,極有可能使得斷層內(nèi)水進入工作面引起突水。

圖5 不同推進距離下孔隙壓力分布圖Fig.5 Distribution diagram of pore pressure at different advancing distances

2.2.3 斷層傾角為60°的模型

1)塑性區(qū)分布規(guī)律。分析不同推進距離下的塑性區(qū)分布圖(見圖6)可知:從圖中可以看出,當工作面推進到y(tǒng)=40 m時,斷層帶整體發(fā)生塑形破壞;頂板的塑性區(qū)的范圍隨著繼續(xù)推進而增大,底板處的塑性破壞區(qū)域基本不變,但靠近斷層的范圍比遠離斷層的范圍大,隨著推進的進行,煤巖柱的塑形破壞程度變大,有和斷層相溝通的趨勢。工作面推進結(jié)束時時,煤層頂、底板的最大塑性破壞深度達到24 m、10 m。

圖6 不同推進距離下塑性區(qū)分布圖Fig.6 Distribution diagram of plastic zones at different advancing distances

2)孔隙壓力分布規(guī)律。分析不同推進距離下的孔隙壓力分布圖(見圖7)可知:隨工作面推進,斷層上、下盤的含水帶快速貫通,承壓水沿斷層帶導升速度十分明顯;工作面推進到y(tǒng)=50 m時,承壓水到達工作面附近且向煤層滲透,范圍比較明顯,且在下盤煤層出現(xiàn)滲透;推進結(jié)束時,承壓水繼續(xù)向上導升,且斷層上、下盤煤層區(qū)域滲透范圍有變大的趨勢。

圖7 不同推進距離下孔隙壓力分布圖Fig.7 Distribution diagram of pore pressure at different advancing distances

綜合不同斷層傾角的模擬結(jié)果分析可知,底板塑性破壞范圍及深度隨斷層傾角的增大有減小趨勢,其中靠近斷層側(cè)塑性區(qū)變化最為明顯,破壞深度由傾角30°時的12 m減小到60°時的10 m;斷層傾角為30°時,斷層邊界煤巖柱完全發(fā)生塑形破壞,而45°、60°時,煤巖柱塑形區(qū)變大,卻未完全破壞;隨斷層傾角增大,孔隙壓力從2 MPa增加到4 MPa,承壓水的導升高越明顯,從傾角30°時的5 m增大到60°時的12 m,增加率達140%,但30°時,承壓水在底板滲透范圍較大[4-5]。

3 結(jié)論

1)斷層傾角越小,底板及煤巖柱塑性破壞越嚴重,底板斷層及含水層越容易與底板塑性區(qū)導通引發(fā)突水。

2)斷層傾角越大,斷層越容易活化成為承壓水導升通路,且導升幅度不斷增加,此時斷層內(nèi)水容易通過煤柱塑性區(qū)與工作面導通引起突水。

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[4] 張寧.采動條件下斷層組合突水數(shù)值模擬及防治研究[D].青島:山東科技大學,2015.

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