陳陸望，劉金龍，桂和榮

(1.合肥工業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院, 安徽 合肥 230009; 2.合肥學(xué)院建筑工程系, 安徽 合肥 230022; 3.宿州學(xué)院地球科學(xué)與工程學(xué)院, 安徽 宿州 234000)

多年來對承壓水體上開采引起的煤層底板突水問題的研究，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了一些有益的探索和嘗試[1-10]。高承壓水體上開采工作面突水，其實(shí)質(zhì)是高承壓水突破底板隔水層的阻隔沿底板隔水層裂隙以突發(fā)、緩發(fā)或滯發(fā)的形式向上涌入工作面或采空區(qū)的過程。目前高承壓水上體上開采煤層底板突水理論，雖然均在不同程度上為防治煤礦底板水害起到了積極的指導(dǎo)作用，但大部分研究成果只是基于簡單物理數(shù)學(xué)模型或數(shù)值模型，很少從采動過程乃至具體地質(zhì)與水文地質(zhì)條件入手分析煤層底板變形破壞演化趨勢及其與突水的關(guān)系，以致高承壓水體上開采突水的預(yù)測預(yù)報(bào)勢必存在一定程度的盲目性?？紤]高承壓水體上煤層開采過程，從時空以及應(yīng)力場與滲流場共同作用的角度研究底板巖體變形破壞與潛在突水區(qū)的演化規(guī)律，將會給底板突水的研究帶來更符合實(shí)際的解答。

本課題以淮北礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司蘆嶺煤礦高承壓的石炭系太原組灰?guī)r含水層(水壓一般為4MPa～7MPa)上開采10煤層為研究示范。采用大型有限元數(shù)值分析軟件Plaxis建立能模擬高承壓水壓力的10煤動態(tài)開采的數(shù)值模型，并考慮冒落矸石密度、變形參數(shù)與強(qiáng)度參數(shù)隨時間的變化，分析底板采動破壞帶與潛在突水區(qū)域的時空分布及其演化規(guī)律，為高承壓含水層上煤層開采的防治水工作提供理論支持。

1 煤層開采條件

蘆嶺煤礦10煤層是其主要可采煤層之一，占全礦井儲量的14.9%。10煤層底板標(biāo)高-300～-800m，傾角0°～30°，10煤底板至石炭系太原組一灰頂厚約為40～80m，其上部為細(xì)砂巖、粉砂巖、砂質(zhì)泥巖互層，中下部以黑色泥巖為主。太原組灰?guī)r含水層水壓一般為4MPa～7MPa。10煤開采除了與地質(zhì)構(gòu)造、瓦斯、地壓、頂板外，10煤底板高承壓的灰?guī)r水是威脅10煤安全開采的重要因素。

2 有限元數(shù)值建模

2.1 前提與假設(shè)

工作面頂?shù)装鍘r體的變形與破壞僅發(fā)生在橫斷面內(nèi)，即視為平面應(yīng)變問題，巖體采用理想彈塑性模型，屈服準(zhǔn)則為Mohr-Coulomb準(zhǔn)則；每一巖層內(nèi)部構(gòu)造均勻且為各向同性體；采煤過程中10煤工作面的回采速度取值為4 m/d；參考相關(guān)文獻(xiàn)資料[9-11]，假定采空區(qū)長度大于20 m時頂板巖體將產(chǎn)生冒落；10煤底板隔水層底面處受到的超靜水壓力，用等效均布荷載模擬；10煤層厚度均值為1.92m，計(jì)算中取2.0 m。

2.2 幾何模型與邊界

蘆嶺煤礦10煤傾角為5°、隔水層厚度為40m時的有限元計(jì)算簡圖。圖中煤層頂?shù)装甯鲙r層的分布是基于水文地質(zhì)綜合柱狀圖概化而得到的。計(jì)算模型的上部取至500m深處，通過施加均布荷載P來模擬上部巖層的重力作用。承壓水作用于隔水層底面，通過施加均布荷載pw來模擬其作用效果。在進(jìn)行有限元計(jì)算時，對模型的底面施加水平和豎直方向的位移約束，對兩側(cè)只施加水平方向的位移約束。初始應(yīng)力場由巖層自重應(yīng)力和上部均布荷載及承壓水荷載共同作用產(chǎn)生。采用15節(jié)點(diǎn)三角形單元，網(wǎng)格剖分利用軟件自動實(shí)現(xiàn)，其大小通過試算并考慮計(jì)算精度及收斂條件確定，并在10煤層工作面附近進(jìn)行手動加密優(yōu)化處理。

2.3 參數(shù)選取

結(jié)合礦井勘察資料、鉆孔資料及相關(guān)圖紙，計(jì)算中采用表1所示的計(jì)算參數(shù)(少數(shù)查不到的參數(shù)，采用工程類比法與相關(guān)文獻(xiàn)[9-10]中的參數(shù)進(jìn)行對比研究確定)。其中側(cè)壓力系數(shù)按照J(rèn)aky經(jīng)驗(yàn)公式k0=1-sinФ求得。

表1 有限元計(jì)算參數(shù)

采空區(qū)冒落的矸石是一種松散介質(zhì)。隨著工作面的推進(jìn)，矸石在覆巖作用下逐步被壓實(shí)，材料的密度ρ、彈性模量E、泊松比v、黏聚力c與內(nèi)摩擦角Ф隨時間而增加[9-11]，見圖1。其中不妨以K(K=f(x)/ f(x)0，f(x)可以分別取ρ、E或v，其中ρ0=1600kg/m3，E0=15MPa，v0=0.05)為增大系數(shù)來考察密度ρ、彈性模量E、泊松比v隨時間的變化規(guī)律。

2.4 采空區(qū)與冒落區(qū)關(guān)系的處理

進(jìn)一步解釋了有限元計(jì)算過程中采空區(qū)及其中冒落區(qū)的處理方法。從10煤工作面開切眼開始，工作面按4m/d的采煤速度向右推進(jìn)。根據(jù)假定，采空區(qū)最大未冒落長度為20m。若采空區(qū)長度超過20m，離當(dāng)前工作面最遠(yuǎn)處的頂板將產(chǎn)生冒落，冒落形成的矸石把采空區(qū)填充。離當(dāng)前工作面越遠(yuǎn)，其冒落越早，矸石的強(qiáng)度增長越大。依此類推，根據(jù)圖1，冒落時間不同導(dǎo)致其計(jì)算參數(shù)的取值是不同的，計(jì)算參數(shù)隨時間增長而變大?？梢?，本有限元計(jì)算中對不同位置的矸石采用不同的計(jì)算參數(shù)，可以較合理的模擬采煤工作面向前推進(jìn)過程中采空區(qū)相繼冒落的工程力學(xué)作用機(jī)制。

圖1 矸石密度、變形與強(qiáng)度隨時間變化

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 底板潛在突水區(qū)形成及其動態(tài)演化

承壓水上采煤過程中底板突水位置是與采空區(qū)應(yīng)力和變形相關(guān)聯(lián)的[12-13]。煤層底板應(yīng)力卸荷較大，導(dǎo)致底板隆起變形加大，使得巖體中原本閉合的裂隙相互勾通而成為涌水通道，從而構(gòu)成底板突水危害。因此，分析開采過程底板應(yīng)力的變化程度，也可以從一定程度上反映底板突水危險性的程度。有限元計(jì)算得到了10煤開采過程中巖體豎向應(yīng)力小于未開采前數(shù)值30%的區(qū)域分布，可見，針對煤層底板而言，豎向應(yīng)力減小為未開采前數(shù)值30%的區(qū)域基本位于距煤層底板20m的范圍內(nèi)。隨著工作面的推進(jìn)，該范圍也逐漸向前推進(jìn)。各圖紅線所示區(qū)域內(nèi)，應(yīng)力減小程度較大，也是底板采動破壞影響程度大的區(qū)域。

研究表明，底板突水的必要條件是底板存在破碎帶或?qū)严?，其突水的充分條件是承壓水的水壓Pw大于或等于水平應(yīng)力σx[14-15]。底板在開采前后的水平最小應(yīng)力，可以作為底板突水的預(yù)測依據(jù)。10煤開采過程中底板水平應(yīng)力σx小于承壓水壓力Pw的分布區(qū)域。分析可知，煤層開采過程中底板采動破壞區(qū)域具有下列特征：①采空區(qū)底板，由于應(yīng)力卸荷嚴(yán)重，存在潛在突水區(qū)；②隨著工作面的推進(jìn)，底板潛在突水區(qū)也逐步跟進(jìn)，該區(qū)域緊靠10煤層底部，其深度一般不大于20m；③隨著工作面的推進(jìn)，冒落矸石強(qiáng)度隨著時間的延長而逐步增長，其所承擔(dān)的應(yīng)力水平也逐漸提高，原來開挖產(chǎn)生的導(dǎo)水裂隙可能在應(yīng)力調(diào)整過程中又逐步閉合，導(dǎo)致早期冒落處底板的突水可能性降低。

3.2 底板潛在突水區(qū)演化的煤層傾角機(jī)制

考慮開采過程中底板隔水層厚度與承壓水壓力的極端情況，圖7給出了底板隔水層厚度40 m，承壓水壓力Pw=7MPa，開采至25d，煤層傾角取值不同時巖體內(nèi)水平應(yīng)力σx小于承壓水壓力Pw的區(qū)域(潛在突水區(qū))分布圖。從潛在突水區(qū)面積上看，隨著煤層傾角的增大，底板中潛在突水區(qū)有縮小的趨勢。但這并不意味著隨著煤層傾角的增大底板突水的可能性降低，從圍巖體內(nèi)水平應(yīng)力σx小于承壓水壓力Pw的軌跡連線上看，煤層底板深度一定范圍內(nèi)的區(qū)域均處于潛在突水區(qū)，煤層傾角的變化對潛在突水區(qū)的影響不顯著。然而，隨著煤層傾角的增大，由于冒落巖體的充填效應(yīng)，沿工作面的推進(jìn)方向采空區(qū)原來的導(dǎo)水裂隙提前閉合，潛在突水區(qū)區(qū)域減小并逐步集中于新近采空區(qū)的底板處。

3.3 底板潛在突水區(qū)演化的承壓水壓力機(jī)制

毫無疑問，承壓水壓力越大，煤層底板裂隙擴(kuò)展并最終相互溝通的可能性越大，煤層底板突水的危險性增大。隔水層厚度40m、煤層傾角13°、開采至25d，且承壓水壓力分別為4MPa、5MPa、6MPa和7MPa時底板潛在突水區(qū)分布隨著承壓水壓力的增大，隔水層中潛在突水區(qū)及其深度增大。特別是當(dāng)承壓水壓力為7MPa時，底板中的裂隙迅速向含水層擴(kuò)展，潛在突水區(qū)急劇增大，具有突發(fā)性。因此，在承壓水壓力較大的區(qū)域，若隔水層厚度較小(特別是隔水層中泥巖所占比重較小)時，該處的煤層開采是相當(dāng)危險的，不輔以其他加固或疏水降壓措施，原則上這些區(qū)域的煤層不宜開采。

4 結(jié)論

數(shù)值模型選擇了采煤工作面推進(jìn)距離、煤層傾角、承壓水壓力等方面的因素，從時空角度動態(tài)分析了蘆嶺煤礦底板受石炭系太原組灰?guī)r高承壓含水層威脅的10煤開采過程中底板變形破壞及潛在突水區(qū)演化。研究結(jié)論包括如下三個方面：

1)正常開采條件下，10底板破裂深度隨著工作面的推進(jìn)距離的加大而增加，推進(jìn)到一定距離時將會達(dá)到極大值，底板采動破壞帶深度不超過20m。

2)煤層傾角的變化對潛在突水區(qū)影響不太明顯，隨著煤層傾角的增大，沿工作面的推進(jìn)方向，采空區(qū)原來的導(dǎo)水裂隙由于冒落巖體的充填效應(yīng)閉合早，潛在突水區(qū)減小，逐步集中于新近的采空區(qū)。

3)隨著承壓水壓力的增大，底板潛在突水區(qū)及其發(fā)育深度增大。在承壓水壓力較大的區(qū)域，若隔水層厚度較小(特別是隔水層中泥巖所占比重較小)時，該處的煤層開采是相當(dāng)危險的。

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