老空區(qū)下煤炭資源開采覆巖導水裂隙發(fā)育規(guī)律數(shù)值模擬

張真寧 庹云升 周詩楠 王濤

摘?要：為防止近距離煤層開采導通上覆老空區(qū)而產生突水危機，利用FLAC數(shù)值模擬軟件對礦山煤層開采進行模擬，根據(jù)覆巖應力的分布、移動方向以及塑性區(qū)域的分布規(guī)律，分析比較了在C3煤層老空區(qū)下開采C4煤層過程中沿C4工作面兩端至C3老空區(qū)間的覆巖裂隙的發(fā)育情況。得出了C4開采之后，C3底板裂隙由6m繼續(xù)發(fā)育至26m，C4煤層上方頂板裂隙發(fā)育至16m，兩煤層之間并未導通。實驗證明：通過數(shù)值模擬的方法預測分析老空區(qū)下覆巖裂隙發(fā)育規(guī)律對之后的煤層開采以及礦山安全有較大的意義。

關鍵詞：老空區(qū);數(shù)值模擬;覆巖裂隙發(fā)育

由于貴州獨特的喀斯特地質條件，造成生態(tài)環(huán)境薄弱，若在此地區(qū)進行高強度的煤炭開采，必然會加劇生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的惡化，使老空區(qū)下覆巖裂隙不斷發(fā)育，形成導水的通道從而造成水害事故，一旦發(fā)生這樣的水害事故，將會造成巨大的經濟損失以及人員傷亡，甚至會造成停產或關閉礦井的情況。

對于裂隙發(fā)育數(shù)值模擬，劉桂麗等人采用UDEC3.10數(shù)值模擬軟件，對煤礦開采工作后方幾十米范圍內的上覆巖裂隙的發(fā)育情況進行了分析[1];邵小平等人對積水區(qū)下裂隙發(fā)育特征進行了研究，推斷出三種情況[2];郭良，張春雷通過UDEC數(shù)值模擬軟件分析底板不同深度裂隙傾角分布規(guī)律，結果表明煤層開采后底板裂隙數(shù)量隨底板深度增加而減少，直至不再發(fā)育[3];張農等人通過實驗分析掘巷影響區(qū)不同時空條件的巷道巖體裂隙的發(fā)育過程，提出了控制泥質巷道圍巖防止?jié)B流災害的技術[4];劉秀英通過實驗研究出采空區(qū)巖體裂隙分形的規(guī)律[5];劉增輝等人采用三維數(shù)值計算的方法分析比較了裂隙帶發(fā)育高度[6];宋紅軍等人利用RFPA2D分析軟件對采空區(qū)下煤層開采覆巖破壞進行模擬[7];題正義等人利用板殼理論、斷裂力學理論分別建立導水裂隙高度和底板破裂深度的力學模型[8]。針對老空區(qū)積水問題，崔軍艦通過試驗以及理論推理確定了老空區(qū)積水情況，并設計了科學合理的方法解除礦井水害[9];閆立君從理論角度對老空區(qū)頂板的涌水通道和采空區(qū)積水的影響因素進行了分析[10]。

上述研究成果主要通過數(shù)值模擬、理論推理以及模擬實驗等手段對覆巖裂隙發(fā)育規(guī)律均作出了有益的探究。本文借助于FLAC數(shù)值模擬軟件研究老空區(qū)下的覆巖結構演變的動態(tài)過程與裂隙發(fā)育規(guī)律，并制定合理的防治水方案，對確保礦井安全生產具有重大意義。

1 工程概況

遵義縣山盆鎮(zhèn)某煤礦位于遵義縣城區(qū)北西約60公里，該井田屬大婁山系堯龍山脈，為高原低中山地貌，其間發(fā)育有沖溝、洼地等，南西、北東兩端分別為桐梓河、混子河。地形起伏受區(qū)域內地質構造、地層巖性和地表河流控制，山體走向呈北東―南西向。根據(jù)礦區(qū)勘探報告，礦井淺部煤層露頭附近存在老窯采空區(qū)，老窯開采歷史較長，現(xiàn)已全關閉，大部分采空區(qū)內充滿水。C4煤層位于煤系地層中上部，開采深度為100m，煤層平均厚度約為2.2m，屬穩(wěn)定煤層，大部分可采，C4煤層上覆46m為采空區(qū)，在開采過程中有可能受到上覆采空區(qū)的影響，一旦開采裂隙發(fā)育至采空區(qū)，有空引發(fā)突水危機，需要研究C4煤層開采過程中的裂隙發(fā)育高度。

2 數(shù)值模擬參數(shù)確定

2.1 模型范圍的確定

2.2 各巖層力學參數(shù)

各巖層力學參數(shù)見下表：

2.3 數(shù)值模擬結果分析

（1）上煤層開采后塑性區(qū)發(fā)育情況。

C3煤層開采后，C3煤層上方塑性區(qū)（頂板裂隙）發(fā)育至數(shù)值模擬模型頂部，超過28m，底板裂隙發(fā)育至6m;覆巖垂直應力在工作面兩端形成應力增高區(qū)，工作面上方為應力降低區(qū)，最大值發(fā)生在距工作面兩端約6m處，最大為30.2MP。

（2）下煤層開采后巖層裂隙發(fā)育情況。

下煤層C4煤層開采之后，對上覆C3煤層的底板裂隙發(fā)育較為影響，底板裂隙由6m繼續(xù)發(fā)育至26m，但并沒有與下方C4煤層導通;C4煤層上方頂板裂隙發(fā)育至16m，底板裂隙發(fā)育至8m，覆巖垂直應力的最大值發(fā)生在工作面兩端，最大值為36.7MP。

（3）數(shù)據(jù)比較。

由此可知，近距離煤層工作面開采后，覆巖垂直應力最大值均發(fā)生在工作面兩端，下煤層開采最大應力較上煤層稍有增加，且工作面覆巖下沉呈現(xiàn)下凹形狀，最大值發(fā)生在工作面中部。下煤層開采對上覆巖層頂?shù)装辶严栋l(fā)育均有促進作用，在C4煤層開采之后，C3煤層底板裂隙發(fā)育由6m繼續(xù)發(fā)育至26m，但C3和C4煤層并未形成貫通導水裂隙，說明在煤炭資源開采過程中，采空區(qū)覆巖裂隙的不斷發(fā)育會顯著破壞巖層的穩(wěn)定狀態(tài)，如果近距離煤層距離較小，則容易形成貫通裂隙，造成上覆采空區(qū)的老空水涌入下煤層采空區(qū)，從而造成突水事故。

3 結論

（1）上煤層老空區(qū)中老窯水對下煤層開采造成突水危機，通過數(shù)值模擬研究對老空區(qū)下覆巖裂隙的發(fā)育情況進行判斷，為下煤層安全開采提供技術保障。

（2）通過數(shù)值模擬的結果得出這樣的規(guī)律：對兩煤層進行開挖之后，兩煤層的最大垂直應力均發(fā)生在工作面兩幫，最大下沉量均發(fā)生在工作面中部。

（3）通過數(shù)值模擬得出，C4煤層開采后，C4煤層上方頂板裂隙發(fā)育至16m，C3煤層下方底板裂隙繼續(xù)發(fā)育至26m，C4煤層的開采對于C3底板裂隙的發(fā)育有一定影響，但并未使上下兩煤層形成貫通導水裂隙，能夠有效防止老窯水突水危機。

參考文獻：

[1]劉桂麗，楊躍奎，撒占友.煤礦采空區(qū)上覆巖層裂隙發(fā)育數(shù)值模擬試驗[J].礦業(yè)研究與開發(fā)，2012，10（5）：76-80.

[2]邵小平，尉遲小騫，楊文化，李鑫杰.積水區(qū)下導水裂隙發(fā)育特征實驗研究[J].煤炭技術，2015，3（3）：92-94.

[3]郭良，張春雷.采空區(qū)底板不同深度巖體裂隙演化規(guī)律[J].煤礦安全，2019，2（2）：204-213.

[4]張農，許興亮，李桂臣.巷道圍巖裂隙演化規(guī)律及滲流災害控制[J].巖石力學與工程學報，2009，28（2）：331-335.

[5]劉秀英.采空區(qū)上覆巖體裂隙分形規(guī)律的實驗研究[J].太原科技大學學報，2009，30（5）：428-431.

[6]劉增輝，楊本水.利用數(shù)值模擬方法確定導水裂隙帶發(fā)育高度[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2006，33（5）：16-20.

[7]宋紅軍，賴立學.采空區(qū)下煤層開采覆巖破壞規(guī)律數(shù)值模擬[J].煤礦安全，2013，44（1）：35-38.

[8]題正義，張峰，秦洪巖，朱志潔.基于板殼和斷裂力學理論的上覆采空區(qū)積水危險性判定技術.[J].煤田地質與勘探，2019，47（1）：138-143.

[9]崔軍艦.采空區(qū)水害勘察與防治技術研究及應用[J].西部探礦工程，2019，9：183-186.

[10]閆立君.淺析井工礦井采空區(qū)的涌水通道和積水影響因素[J].能源與節(jié)能，2019，8：21-22.