傾斜煤層采動條件下覆巖移動規律研究

陳正華，徐 洪，曾 亮，楊富軍

(1.自然資源部地質災害自動化監測技術創新中心，重慶 400042；2.重慶市地質災害自動化監測工程技術研究中心/重慶地質礦產研究院，重慶 400042)

煤礦的開采以及巷道的開拓造成應力場和地下水滲流場的改變，導致大量的礦井突水災害日趨嚴重，同時隨著煤礦開采深度的增加和多煤層疊加開采等采礦地質條件的日趨復雜，覆巖離層水害隨之出現。近年來眾多學者對各類煤礦覆巖移動、離層形成機制作出研究[1-10]，成為礦井水害防治研究熱點，針對傾斜煤礦筆者曾對魚田堡煤礦礦井涌水量變化特征[11]及采動條件下頂板巖溶地下水運移規律[12]進行研究，本文進一步通過離散元程序UDEC進行數值模擬，與前期收集資料及現場試驗所取得的結論相互補充驗證，以求直觀且有效的反映出傾斜煤層在開挖過程中上覆巖層的運動情況及運動造成的位移、裂縫分布情況，從而分析地下水的存儲空間。重點對長興段巖溶含水層進行數值模擬研究，根據裂縫分布分析地下水疏降及匯集的通道，為同類傾斜煤層采動條件下水害防治提供參考。

1 礦區概況

魚田堡煤礦處于丘陵地帶，為構造侵蝕地形和巖溶地形，年降雨量940.1～1 589.6 mm，主要集中在6、7月。礦區大部分為巖溶地區，在侵蝕基準面+265 m 以上含水層含水性較強，巖溶發育，富水性好；侵蝕基準面+265 m 以下含水性較弱，巖溶基本不發育，富水性差。

礦區整體為單斜構造，沿東西向展布，東西走向長約4 km，傾向北，傾角22°～45°，平均為32°。

2 數值模擬計算

2.1 模型建立

本次模擬范圍是以圖1(a)中-100 m～-350 m高程之間的地質背景為基礎，建立圖1(b)二維模型，模型尺寸522.74 m×250 m，煤層傾角取32°，根據煤系及頂板柱狀圖地層厚度建立模型。

圖1 模擬范圍地質背景

2.2 力學模型

為了更加適合巖土體的材料性質，模型塊體單元采用摩爾庫倫塑性本構，節理單元采用摩爾庫倫滑移本構。

摩爾-庫倫模型的屈服函數，當采用摩爾形式的表達為

τ-σtanφ-c=0

(1)

摩爾-庫倫模型的屈服函數，當采用庫倫形式的表達為

(σ1-σ3)-(σ1+σ3)sinφ-2ccosφ=0

(2)

式中，σ為剪切面上的正應力；τ為剪切面上的剪應力；c為巖土類材料的粘聚力；φ為巖土類材料的摩擦角。

2.3 邊界條件及參數取值

模型采用位移控制邊界條件的方法，將模型左右兩邊在x方向上的速度設為0，模型的底部邊界y方向速度設置為0，上部界面施加向下應力1.375×107Pa，施加重力加速度達到平衡狀態。

根據魚田堡煤礦巖性，主要計算參數見表1。

表1 udec數值模擬參數

2.4 模擬開采工況

巖體在開掘地下巷道之前是處于原始的應力平衡狀態，巖石的原始應力主要決定于上覆巖層的重量及其物理、力學性質。地下開采工作破壞了巖體內部原有的應力場，使采空區周圍的巖石乃至地表發生移動。本次模擬沿煤層傾向向下采掘，分為四個工況，每次開采長度50 m，依次推進：四個工況模型塊體垮落形態見圖2。

圖2 數值模型四個工況模型塊體垮落形態

3 位移模擬結果分析覆巖移動規律

3.1 位移場分析

開采工況一y方向位移云圖見圖3(a)，當掘進50 m時，頂板中心y方向位移最大0.4～0.6 m，方向向下，且呈現出兩側位移小，中間位移大的對稱形態，此時頂板未垮落；底板y方向位移小于0.2 m，方向向上；兩側y方向位移小于0.2 m，方向向下。

開采工況二y方向位移云圖見圖3(b)，當掘進100 m時，頂板中心y方向位移最大3.5～4 m，方向向下，且呈現出兩側位移小，中間位移大的對稱形態，此時頂板垮落，底板y方向位移約0.5 m，方向向上；兩側y方向位移約0.5 m，方向向下。

開采工況三y方向位移云圖見圖3(c)，當掘進150 m時，頂板中心y方向位移最大3～4 m，方向向下，且呈現出兩側位移小，中間位移大的對稱形態，此時頂板垮落，底板y方向位移小于1 m，方向向上；兩側y方向位移小于1 m，方向向下。

開采工況四y方向位移云圖見圖3(d)，當掘進200 m時，頂板中心y方向位移最大4 m，方向向下，呈現兩側位移小，中間位移大，并出現兩個峰值，此時頂板垮落；底板y方向位移小于1 m，方向向上；兩側y方向位移小于1 m，方向向下。

圖3 數值模型四個工況y方向位移場

3.2 覆巖移動規律

對比四個工況的y方向位移模擬總結覆巖移動規律：

(1)煤層頂板在采掘活動后向下移動，大致呈現出中間位移大，兩側位移小的對稱條帶形態。當掘進到50 m工況一時，頂板位移小未垮落，進一步掘進到100 m工況二時，頂板y方向位移突然增大說明頂板垮落；當掘進到200 m工況時，y方向位移出現兩個峰值，說明當掘進到一定長度后，垮落的頂板灰巖一定距離形成拱。

(2)煤層底板在采掘活動中會產生向上的位移，也形成條帶狀，位置偏向采掘方向。

(3)采掘煤層兩側也出現向下的位移，大小與煤層底板位移大小接近，方向相反。

4 裂縫模擬結果分析離層發育規律

4.1 裂縫模擬分析

圖4(a)為工況一采掘50 m時剖面上裂縫分布圖，圖上紫紅色為裂縫位置，可見頂板未垮落，裂縫只出現在采掘面。

圖4(b)為工況二采掘100 m時剖面上裂縫分布圖，此時頂板垮落，紫紅色裂縫顯示覆巖中形成平行層面的離層，主要分布在長興一段和龍潭組，以兩者接觸面附近居多。圖5(a)為圖4(b)紅色方框中的細節圖，能夠明顯看到此工況下長興一段與龍潭組之間離層現象。

圖4(c)為工況三采掘150 m時剖面上裂縫分布圖，此時上半段頂板已垮落，紫紅色裂縫顯示覆巖中形成平行層面的離層狀況，原工況二出現的離層大部分已經閉合，僅剩少量主要分布在長興一段和龍潭組接觸面。圖5(b)為圖4(c)紅色方框中的細節圖，能夠明顯看到此工況下，下半段掘進范圍頂板出現較大離層，將要垮落。

圖4(d)為工況四采掘200 m時剖面上裂縫分布圖，紫紅色裂縫顯示覆巖中形成平行層面的離層狀況，此時長興一段出現大量離層，延伸長、空間大。圖5(c)為圖4(d)紅色方框(上)中的細節圖，可見長興一段的離層現象，以長興一段和長興二段界面軟硬巖間離層空間最大。圖5中將要垮落的頂板在工況四時已垮落，導致對應上部覆巖位移加大，形成第二個位移峰值(圖3(d))。圖5(d)為圖4(d)紅色方框(下)中的細節圖，新采掘50 m頂板開始出現新離層，并逐漸發展，可以預見當繼續向下開采煤層，頂板支撐不住垮落后，掘進范圍上部覆巖位移加大，將形成第三個位移峰值。

圖4 數值模型四個工況裂縫分布情況

圖5 裂縫分布細節圖

4.2 離層發育規律分析

根據四個工況持續開采模擬結果推測，離層的發育規律如下：

(1)采掘初始頂板開始出現離層，繼續開采當頂板垮落后覆巖軟硬巖接觸部分易出現平行層理離層現象；

(2)當繼續向下采掘一定距離時，直接頂板新的離層出現，原來垮落地段覆巖離層不斷壓密，空間減小，大部分離層閉合；

(3)以此循環向前，離層產生、發展、閉合，主要離層部位始終位于新采掘工作面上方。

(4)隨著采掘距離增大，離層發育的高度有增大趨勢。

5 結語

(1)UDEC模擬結果顯示煤層頂板覆巖在采掘活動后向下移動，大致呈現出中間位移大，兩側位移小的對稱條帶形態；煤層底板在采掘活動中會產生向上的位移，形成條帶狀，位置偏向采掘方向；采掘煤層兩側出現向下的位移，大小與煤層底板位移大小接近，方向相反。

(2)煤層頂板覆巖離層的發育規律：采動條件下當頂板垮落后覆巖軟硬巖接觸部分易出現平行層理離層現象；當繼續向下采掘一定距離時，直接頂板新的離層出現，原來垮落地段覆巖離層不斷壓密，空間減小，大部分離層閉合；以此循環向前，離層產生、發展、閉合，主要離層部位始終位于新采掘工作面上方。

(3)礦井涌水量臺帳歷史資料統計分析[11]說明礦井涌水量大小與采掘活動密切相關，在主要采掘工作面上方頂板涌水量最大；連通試驗[12]證實長興段地下水大量向采掘工作面頂板涌水；UDEC數值模擬直觀展示了采動條件下離層產生、發展、閉合，主要離層部位始終位于新采掘工作面上方。三者從現象到證實再到理論研究，從不同的角度說明頂板長興段灰巖含水層中地下水在采動影響下向采掘工作面排泄的特點，最終疏降到最低采掘工作面，而上水平巷道以及同水平已結束開采巷道覆巖相對穩定頂板長興段灰巖地下水排泄量非常有限，不是主要疏降途徑。