基于FLAC3D的煤礦工作面采前防治水安全性分析

孔曉東,楊本水

(安徽建筑大學 土木工程學院,安徽 合肥 230000)

隨著我國社會主義現代化國家的建設,對于水文地質構造復雜的煤層進行開采是不可避免的[1]。我國位于亞歐板塊與太平洋板塊交界處,由于兩板塊的地質構造運動使得地下的地質構造更加復雜多樣,帶來的結果是我國煤礦水害問題相較于一般國家更為嚴重。水害礦難帶來的損失不僅是大數量的人員傷亡,相應的經濟損失也是巨大的。同時,事故發生后救援和煤礦恢復生產等方面的工作難度相較于其他常見的礦井災害更大。此外,在涉及地下工程開挖的各行業部門,都不可避免的會面臨水害威脅,加之水害事故造成的危害較大,容易在社會上產生的巨大影響[3-6]。

近些年又有眾多學者采取多種方法對水體下煤層開采進行了相關研究,包括運用GIS對近松散含水層下煤層開采進行安全性評價;將相似材料模擬技術應用到了水體下煤層開采時覆巖的變形、移動、破壞規律的研究中,對水體下某一類地質條件下煤層開采工作的可行性論證;運用克里格差值法繪制采空區積水對開采煤層充水、潰砂和防塌的影響圖,對采區頂板復合水威脅程度進行了具體研究;綜合導水裂隙帶影響因素,通過建立模糊神經網絡的導水裂隙帶高度預測模型,研究工作面開采的可行性[7-9]。目前,我國實際工程中主要根據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》中的經驗公式對垮落帶和導水裂隙帶高度進行計算[10],這些公式是我國劉天泉院士在統計各類條件下煤礦開采的實測數據后,總結出來的,能夠在一定程度上符合我國多類煤礦進行水體下采煤的設計要求。在此規范中按照堅硬、中硬、軟弱、極軟弱等類型對煤層覆巖的巖性進行了劃分,并運用多種不同的統計經驗公式(僅含煤層采厚參數)進行垮落帶和導水裂隙帶高度的預計[10]。因此在現有研究的基礎上本文構造了較為全面的煤礦工作面采前防治水安全性評價體系。

1 工程概況

1.1 工作面概況

錢營孜煤礦坐落于安徽省宿州市,屬宿縣礦區。錢營孜煤礦井田經計算總體面積約為50.0 km2。W3233工作面在錢營孜煤礦西三采區中部。其上鄰W3232工作面,下鄰F51逆斷層(斷層落差30～170 m),切眼靠近F22正斷層。工作面機巷設計長度約3 064 m,標高-590～-340 m,方位角為30°;風巷設計長度約3 185 m,標高-490～-280 m;切眼設計長度約272 m,工作面最高點頂板標高-268.66 m,基巖面標高為-195.86～-224.66 m。W3233工作面內煤厚1.06～5.76 m,平均值為3.47 m,煤層傾角10°～28°,平均值為15°。經計算工作面范圍內的煤碳儲量約403萬t,實際可采的煤炭儲量約383萬t。

1.2 水文地質條件

根據西三采區水文地質資料與鉆探取芯、測井資料綜合分析得出第四含水層底板埋深為197.89～252.28 m,平均230.70 m,厚度0～17.20 m,平均6.20 m。由于古地形的影響“四含”沉積厚度變化幅度明顯,古地形低洼處與采區中部29、29～30、35勘查線附近沉積厚度大。“四含”組成成分多樣,主要由含泥質中細砂、砂礫、粘土礫石組成,其間夾有1～3層薄層狀粘土夾礫石、砂質粘土、鈣質粘土等。據29-30-2、26-1、34B1、DB1和錢營孜煤礦5個水位長觀孔抽水鉆孔的抽水試驗資料顯示:“四含”靜止水位標高6.173～22.14 m,最大降深S=38.60～69.06 m,Q=0.027～0.183l/s,統一折算后q=0.000 159 1～0.012 35 l/s·m,k=0.000 434 5～0.045 57 m/d。水質PH值范圍在7.9～8.27,礦化度0.204～0.368 g/l,全硬度9.37～212.81 mg/l,表明采區第四含水層富水性較弱,對工作面開采沒有威脅。

2 數值模擬設計

此次數值模擬以研究W3233工作面煤層開采覆巖破壞移動演化規律及“兩帶”高度發育為主,使用FLAC3D自帶的Extrusion建立幾何尺寸為400 m×350 m×200 m的模型,煤層傾角為15°,把模型劃分從頂部第1層到底部第15層共15層巖層,共134 630個單元,1 613 520個節點。x方向為煤層走向,y方向為煤層傾向,模型如圖1所示,模型中巖石力學參數見表1。

圖1 模型

表1 巖石力學參數

模型兩側各留40 m煤巖柱,工作面切眼處距上部松散含水層距離為44 m,煤層高度取工作面最大采高4.0 m,工作面寬度取270 m。在初始模型建立以后,需要設置該模型的邊界條件,使該模型的四周及底面邊界受約束不產生位移,其目的是讓數值模擬過程更符合實際,實際方法為控制約束邊界在x、y、z三個方向上的位移和速度均為0,鑒于本次模型并未建立到地表,工作面上部僅僅取到松散層部分高度,因此,模型頂部邊界不受約束,模型受重力荷載作用,重力加速度為g=9.8 m/s2。設置松散層的下部巖層水流飽和度為0,四周為隔水邊界。邊界條件設定后,設定豎向替代荷載3.81 MPa作用在模型頂部。本此模擬開挖長度240 m,模擬推進速度為5 m/d,通過分析工作面應力、位移云圖及塑性破壞區進行兩帶高度預測,并研究煤層采動對上覆含水層的影響。

3 數值模擬結果分析

3.1 采動后豎向應力分析

煤層掘進不同距離垂直應力云圖如圖2 所示,可以觀察到工作面推進過程中覆巖豎向應力的變化及分布情況,整體而言應力分布情況相對穩定,應力在采空區頂底板周邊呈“橢圓形”分布,采空區兩端出現數值較大應力集中,隨著工作面推進采空區變大,但橢圓形的分布與采空區兩端應力集中并未改變。松散含水層部分豎向應力集中程度小,應力集中區主要分布在采空區附近,含水層部分基本沒有應力集中的現象。

(a) 60 m

(b) 120 m

(c) 180 m

(d) 240 m圖2 煤層掘進不同距離垂直應力云圖(單位:Pa)

3.2 塑性區數值模擬結果分析

具體的數值模擬過程中,隨著挖掘深度不斷加大采空區逐漸變大,塑性破壞區的范圍也逐漸變大,這意味著工作面覆巖開始出現破壞。推進塑性破壞區如圖3所示,可以看出:工作面推進前方煤層的直接頂板破壞范圍較小,而后方頂板的塑性破壞區破壞范圍逐漸變大,最終頂板垮落,但并不影響推進前方煤層的開采。

(a) 推進60 m

(b) 推進120 m

(c) 推進180 m

(d) 推進240 m圖3 推進塑性破壞區示意

3.3 豎向位移分析

采動后頂底板位移云圖如圖4所示,可以看出:隨著采空區增大,頂板的豎向位移也在逐漸增大,到工作面推進至200 m時工作面頂板中心區域向下位移9.34 cm;而工作面底板向上突起,出現向上的位移,當位移增長到一定距離后基本不在變化,最大工作面掘進至240 m時向上位移為5.26 cm,位移較小。根據位移變化圖形可以看出,每次工作面推進都會形成一個位移帶。采空區上部含水層在工作面推進至60 m時開始出現明顯的位移,從豎向方向來看距離采空區越遠含水層的位移越小,從橫向方向來看超過采空區一定范圍后,上部含水層不再產生位移,且工作面推進產生的位移較小,可以證明煤層的采動對上部“四含”的影響小,現設計留設的防砂煤巖柱高度合理,可以實現安全開采。

(a) 推進60 m

(b) 推進120 m

(c) 推進180 m

(d) 推進240 m圖4 采動后頂底板位移云圖

4 結論

1) 首先使用FLAC3D模擬了推進速度為5 m/d的全過程,模擬中工作面推進過程頂板位移呈上升趨勢,位移與推進距離呈正比,且呈現線性關系,最大垮落帶高度為28.08 m,并未波及到上部含水層。

2) 采用“三下”采煤規范計算,確定計算煤厚為4.0 m,W3233工作面的垮落帶高度范圍為8.4～11.6 m,裂隙帶高度范圍為26.9～46.0 m,垮采比范圍為2.09～3.20,裂采比范圍為6.63～12.0,最大防砂煤巖柱高度為24.8 m。

3) W3233工作面最大垮落帶高度為11.88～13.32 m,裂隙帶厚度范圍為45.40～49.96 m,最大防砂煤巖柱高度為25.32 m的結論。

綜上所述,結果顯示留設44 m防砂煤柱高度大于預測的“兩帶”及需留設的防砂煤巖柱高度,W3233工作面采后垮落帶不會波及到“四含”,且底板破壞深度不會延伸至K3砂巖含水層,故工作不會產生嚴重水害。