煤礦開采中圍巖變形對導水裂隙帶發育的影響分析

王森林

（晉能控股集團四臺礦， 山西 大同 037016）

隨著煤礦開采自動化程度及開采量的不斷提高，開采活動對煤礦圍巖產生了較大的采動作用，造成圍巖的變形[1]，使得巖體的平衡被打破，容易產生巖層的裂隙，造成導水裂隙帶的發育。導水裂隙帶的產生及發育，容易引起導水通道的擴散[2]，造成煤礦工作面涌水量的增加，威脅煤礦的開采安全。煤礦開采過程中的工作面推進對圍巖的變形造成影響，進而影響導水裂隙帶的發育[3]，因此本文采用數值仿真分析的形式對導水裂隙帶的發育規律進行分析，并對煤礦開采過程中的水質變化采取針對性舉措，從而提高煤礦開采的安全性。

1 煤礦開采圍巖變形分析數值模型的建立

針對煤礦開采工作面推進過程中圍巖的變形對導水裂隙帶的發育帶來的影響，采用數值模擬的方式進行分析，通過對煤礦的地質模型進行概括，設定及分析其力學模型，從而對圍巖的變形及導水裂隙帶的發育進行預測展示[4]，可對煤礦的開采提供指導。FLAC3D軟件是用于煤層位移及塑性變形分布分析的軟件，通過顯式有限差分程序進行計算，適用于對大變形問題的分析[5]，通過描述圍巖的變形規律來對導水裂隙帶的發育高度進行計算。

對煤礦開采中的實際工況條件進行分析，工作面的長度為620 m，傾斜長度為220 m，為消除邊界效應的影響，在工作面的走向和傾斜方向上保留一定長度的煤柱，建立進行分析的工作面平面，尺寸為650 m×350 m[6]。采用FLAC3D建立工作面的地質模型如圖1所示，其中，X 方向為工作面的長度方向，Y 方向為傾斜長度，Z 方向為分析模型的高度，建立模型的高度為285 m。工作面的巖層區域主要由松散層、粉砂巖層、泥巖層及煤層等組成[7]，對模型進行網格劃分處理，所得到工作面的模型共147 800 個單元。

圖1 工作面地質網格劃分模型

對工作面的巖層區域進行參數性質設定，由于圍巖地質結構的復雜性，地質材料的屬性參數難以有效測定，因此對圍巖的組成進行力學特性的測量，從而求得各項參數來進行求解[8]。通過對模型進行節點速度及位移的約束，可實現對模型的設定及加載。依據煤礦開采過程中的實際工況，模型的山體坡面為自有面，其位移不受限制，在模型四周及底部的面上，限制其位移和速度為零[9]。在分析過程中，用摩爾強度對脆性及塑性巖層的剪切破壞進行分析，本次分析中模型中的砂巖層及泥巖層等屬于彈塑性的材料，采用Mohr-Coulomb 屈服準則對巖層的變形進行分析，從而對巖層變形進行精確地預測[10]。

模型分析過程中的初始應力對巖層的變形具有重要的影響，在工作面的重力作用下建立初始的應力分布，對煤層工作面進行開挖掘進。圍巖在未開采時應力保持平衡，將模型在初始應力作用下產生的初始位移進行復位，在初始平衡狀態下進行工作面的開采，設定開采的步距為20 m，開采長度為450 m[11]，對開采過程中圍巖的應力、位移及塑性變形區進行仿真計算，以便對導水裂隙帶的高度進行分析。

2 煤礦開采圍巖變形模擬結果分析

2.1 工作面圍巖應力的變化分析

工作面的圍巖在未進行開采時處于應力場的平衡狀態，隨著煤礦開采的進行，工作面的持續推進對圍巖的應力進行重構，使得圍巖的應力不斷變化，當圍巖的應力不斷增加至大于巖層的強度時，就會造成圍巖的破壞。對工作面推進過程中的圍巖應力進行模擬分析，不同推進長度時產生的應力分布不同[12]，以工作面推進長度為300 m 時為例，此時圍巖的應力分布如圖2 所示。在工作面持續推進的過程中，巷道頂板逐漸形成拋物線分布的拉應力區域，頂板內的垂向應力逐漸增加。在工作面的開切眼位置及后方存在一定的應力集中現象，此處的應力值最大。采空區的圍巖應力存在明顯的降低，這是由于隨著煤層開采過后，采空區上部的圍巖經過卸壓過程，使得內部的應力釋放，并向未開采的巖層形成轉移，從而在低應力區域的外圍形成高應力的拱形分布，圍巖的應力保持平衡狀態，整體呈現中間低兩端高的應力分布。

圖2 工作面推進300 m 時圍巖的應力（Pa）分布

2.2 工作面圍巖變形的變化分析

煤層開采后，隨著工作面的不斷推進，上覆圍巖隨之產生一定的變形，產生移動變形破壞，造成導水裂隙帶的發育。對圍巖的變形進行分析，工作面推進到450 m 時的圍巖變形如圖3 所示。工作面在推進過程中，在初始進行開采時，圍巖的變形在采空區上方呈閉合的狀態，隨著開采過程的進行，圍巖的變形逐漸變為不封閉的曲線形態。這是由于在煤層開采后，頂板產生了相應的向下變形，隨著工作面的持續推進，圍巖的變形位移量不斷增加，煤層的直接頂也產生較大的下沉，在圖3 中的工作面推進結束時，下沉量最大達到0.6 m，同時底板由于卸荷的存在也產生較大的底鼓變形，最大的變形量為0.1 m。在圍巖變形的過程中，對導水裂隙帶的發育造成一定的影響，由于導水裂隙帶的發育呈現塑性變形的狀態，對工作面的塑性變形區進行進一步的分析。

圖3 工作面推進450 m 時圍巖的變形量（m）分布

2.3 工作面圍巖塑性區變形的變化分析

工作面開采推進過程中，會對圍巖產生拉伸及剪切的破壞，當巖層受到的應力超出屈服強度時，會產生塑性變形，從而形成導水裂隙帶的上限，而開采過程中巖層受到的雙向應力均超出抗拉強度時所產生大變形時的巖層高度，即為導水裂隙帶的下限。導水裂隙帶在上下限之間，當產生的應變較大時，相互之間產生連通，造成導水裂隙帶的發育。對工作面推進過程中的塑性變形區進行模擬，圍巖首先產生剪切破壞，然后剪切破壞會逐漸延伸，塑性區的高度不斷增加，經模擬分析發現，工作面推進到300 m 時塑性區的高度最大，此時的塑性區分布如圖4 所示。當工作面繼續推進時，塑性區的高度基本保持穩定，說明巖層的采動作用釋放充分，導水裂隙帶的發育高度穩定在57 m，不再隨工作面的推進而增加。

圖4 工作面推進300 m 時圍巖的塑性區分布

3 結語

在煤礦的開采過程中，隨著工作面的推進，會對圍巖的應力及變形產生一定的影響，從而影響到導水裂隙帶的發育，對煤礦的安全產生影響。針對導水裂隙帶的發育規律進行數值分析，結果表明，在工作面推進到300 m 時，巖層經過充分的采動作用后，此時的導水裂隙帶發育高度最大為57 m；隨著工作面的繼續推進，對巖層的變形及應力作用進一步增加，導水裂隙帶的高度保持穩定。