王玉和 狄超然 張興磊 王厚臣

(1.山東科技大學(xué)礦業(yè)與安全工程學(xué)院;2.新汶礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司協(xié)莊煤礦)

對(duì)拉工作面奧灰底板巖層破壞突水機(jī)理研究

王玉和1狄超然1張興磊2王厚臣2

(1.山東科技大學(xué)礦業(yè)與安全工程學(xué)院;2.新汶礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司協(xié)莊煤礦)

礦井底板突水防治一直是新汶礦區(qū)煤炭生產(chǎn)中的重大技術(shù)理論課題。近年來(lái)煤礦經(jīng)濟(jì)效益持續(xù)下降，為節(jié)約開(kāi)采成本，對(duì)拉工作面以其明顯優(yōu)勢(shì)成為煤礦的合適選擇。在綜合考慮底板奧灰含水層的富水性、隔水層巖性組合與水壓的情況下，對(duì)奧灰含水層上部對(duì)拉工作面采煤突水規(guī)律進(jìn)行數(shù)學(xué)分析與FLAC3D數(shù)值模擬，分析單一因素對(duì)突水的影響關(guān)系以及與突水臨界煤柱的關(guān)系，以期從應(yīng)力場(chǎng)和滲流場(chǎng)不同角度對(duì)礦井的安全生產(chǎn)提供參考。

對(duì)拉工作面 FLAC3D突水防治 富水性 水壓

隨著礦井開(kāi)采深度的加大，開(kāi)采煤層所承受的奧灰含水層水壓也越來(lái)越大，受底板突水的威脅也將更加嚴(yán)重。如何建立突水的判據(jù)是礦井防治水研究的核心問(wèn)題。國(guó)內(nèi)當(dāng)前的底板突水機(jī)理及預(yù)測(cè)方法主要有突水系數(shù)法、“下三代”理論、原位張裂理論、零位破壞理論、薄板模型理論、關(guān)鍵層理論[1]。采場(chǎng)底突水是一個(gè)極復(fù)雜的問(wèn)題，但就地下水賦存條件而言，又是一個(gè)確定性問(wèn)題，并存在自身的基本規(guī)律。在整個(gè)地下水網(wǎng)絡(luò)體系中，采場(chǎng)底板下的水網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)只是其中的特例。本文僅對(duì)采場(chǎng)底板下的這種特殊網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行深入研究。在煤炭采掘過(guò)程中，絕大部分的突水事故發(fā)生在回采工作面，而對(duì)拉工作面開(kāi)采時(shí)在中巷位置處的反復(fù)破壞進(jìn)一步誘導(dǎo)了原始底板破裂帶向上發(fā)展，其中80%的突水事故是由于斷層或隱伏斷裂引起的。對(duì)回采工作面是否過(guò)斷層進(jìn)行比較論證突水影響因素，并運(yùn)用FLAC3D軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，從而歸納出底板突水的一般規(guī)律。

1 工作面水文地質(zhì)

新汶向斜位于魯西斷塊隆內(nèi)，北翼受蓮花山斷裂破壞，向斜形態(tài)表現(xiàn)不明顯，南自蒙山背斜古生界，北至蓮花山斷裂，底層走向自西而東由近東西方向轉(zhuǎn)為北西向，地層向北傾斜。而試驗(yàn)所在煤礦位于蓮花山和蒙山山脈兩大分水嶺之間，為半緩階地形丘陵，呈東西帶狀分布。地形標(biāo)高為158～230 m，井田西部地形平坦，東部起伏較大，總的趨勢(shì)是西北部地勢(shì)較低，東南部較高。煤系地層大部為沖積層所掩蓋，只在溪溝中略有出露。奧陶系石灰?guī)r廣泛出露于井田南部區(qū)域，井田中南部有柴汶河縱貫東西。

在承壓水體上61108工作面采用對(duì)拉工作面。該工作面走向長(zhǎng)300 m，埋深為780 m，兩側(cè)工作面處于近水平狀態(tài)，前采面寬100 m，后采面寬90 m，前采面超前開(kāi)采10 m。煤層平均厚2.5 m，直接頂為硬度較高的頁(yè)巖，老頂為致密的細(xì)砂巖，底板為含煤泥巖、條帶狀砂巖、頁(yè)巖、含水較豐富的石灰?guī)r，工作面推進(jìn)過(guò)程中探出在砂巖中有隱伏斷層和裂隙發(fā)育，底板有少量涌水，頂板無(wú)淋水。底板隔水層厚約40 m，水壓力為5 MPa。根據(jù)“下三帶”理論，承壓水導(dǎo)升帶是富水石灰?guī)r，而底板導(dǎo)水破壞帶是底板砂巖所含有的隱伏斷層和裂隙帶。鑒于針對(duì)對(duì)拉工作面開(kāi)采理論研究的不充分，通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型及采用數(shù)值模擬方法對(duì)底板破壞突水進(jìn)行研究。

2 采場(chǎng)底板變形破壞規(guī)律

2.1 底板隔水層厚度計(jì)算

在無(wú)斷層構(gòu)造條件下，對(duì)拉工作面初次來(lái)壓期間，采場(chǎng)底板突水實(shí)際上是老底板的破斷問(wèn)題。由于對(duì)拉工作面反復(fù)開(kāi)拓和采動(dòng)，原始的應(yīng)力平衡狀態(tài)被打破，在地應(yīng)力達(dá)到新的平衡狀態(tài)時(shí)，必然有應(yīng)變能的釋放，使巖體的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。

含水層中的承壓水對(duì)底板隔水層的影響主要表現(xiàn)為滲水軟化和壓裂擴(kuò)容作用。滲水軟化是指承壓含水層對(duì)底板隔水層巖石的黏聚力和有效應(yīng)力的削弱，同時(shí)在礦山壓力的耦合作用下使底板的強(qiáng)度軟化；而壓裂作用是指在承壓水的壓力下使隔水層中的原始裂隙進(jìn)一步加大，統(tǒng)稱為隔水層的裂隙發(fā)育。采場(chǎng)底板突水與否主要取決于完整巖層帶受承壓水作用后所取得的平衡。完整巖層帶對(duì)阻隔底板突水起著決定性的作用,是煤層底板中的關(guān)鍵層。在正常開(kāi)采條件下,當(dāng)長(zhǎng)壁工作面煤層為近水平時(shí),可假設(shè)底板完整巖層帶為四邊固支的矩形平板，板的上部作用有采動(dòng)破壞層的重力(γ1h1)以及完整巖層帶自身的重力(γ2h2),下部承受均布水壓力P的作用,并將其所受的力等效為板上的面力,見(jiàn)圖1。

圖1 底板隔水層力學(xué)模型

對(duì)于長(zhǎng)度lx,寬度ly,四邊固支承受均勻載荷q作用的矩形薄板,可以采用Ritz法求解,假設(shè)板中面的撓曲函數(shù)為[2]：

(1)

式中，m，n=1，3，5，….

在m=n=1時(shí)，將m、n代入上式撓曲函數(shù)就可以滿足精度要求,得到底板完整巖層帶中任意一點(diǎn)的應(yīng)力值,其中同一水平面上不同方向的2個(gè)最大主應(yīng)力為

(2)

(3)

式中,q為四邊固支承受均勻載荷，MPa；h2為底板完整巖層帶厚度,m;v為泊松比；lx,ly為薄板長(zhǎng)和寬,m。

由摩爾-庫(kù)倫屈服條件的表達(dá)式可知，如果不考慮材料內(nèi)摩擦角的影響，即令φ=0，利用第三強(qiáng)度理論準(zhǔn)則和強(qiáng)度條件，只要材料的最大剪應(yīng)力達(dá)到簡(jiǎn)單拉伸屈服剪應(yīng)力時(shí)，材料就屈服，根據(jù)公式[3]：

(4)

式中，τmax為最大屈服強(qiáng)度，MPa。

連立式(2)～式(4)，即

(5)

由此可得隔水層厚度h2為

(6)

2.2 底板隔水層滲流穩(wěn)定性

隨著工作面的推進(jìn),底板原始隔水層遭到破壞，原始裂隙將在采動(dòng)影響下繼續(xù)發(fā)育，而隔水層阻水能力的影響可以采用采動(dòng)滲流理論進(jìn)行判定。煤層底板是有多層不同的巖層組成，取底板隔水層的第n層巖層分析其滲流性，用滲流系數(shù)k對(duì)頂?shù)装鍧B流穩(wěn)定性進(jìn)行判定[4]。即

(7)

當(dāng)k≥1時(shí)，表明底板已遭到嚴(yán)重破壞，隔水層失去隔水能力，煤層底板將會(huì)發(fā)生滲流突變；當(dāng)k<1時(shí)，底板隔水層具有隔水能力，煤層底板不會(huì)發(fā)生突水事故。

2.3 底板應(yīng)力場(chǎng)與滲透性的關(guān)系

地應(yīng)力的增減會(huì)使巖層中的原始裂隙張開(kāi)和閉合，導(dǎo)致巖體滲透性變化，巖層的滲透途徑主要是裂隙，根據(jù)鉆孔注水資料求出的巖層滲透系數(shù)和位移反分析求出的底板應(yīng)力，可以求出滲透系數(shù)與預(yù)應(yīng)力的關(guān)系。把巖層看做是各向同性滲流介質(zhì)，那么與滲透系數(shù)相關(guān)的應(yīng)該是三向正應(yīng)力的平均應(yīng)力σm[5],即

(8)

式中,σx，σy，σz為3個(gè)方向的應(yīng)力值。

louis和Feuga根據(jù)大量破碎巖層各種深度中進(jìn)行鉆孔抽水試驗(yàn)的資料，總結(jié)出了應(yīng)力狀態(tài)對(duì)滲透系數(shù)影響的經(jīng)驗(yàn)公式:

K=K0exp[-α(γt-p)] ,

(9)

式中,K0為當(dāng)γt=p時(shí)的滲透系數(shù)；γt為覆蓋巖層的容重，kN/m3；p為水壓，MPa；α為系數(shù)。

該部所要研究的是采場(chǎng)底板巖層滲透性與應(yīng)力的關(guān)系，把式(8)改寫(xiě)成如下形式：

K=K0exp[-α(σm-σn)] ,

(10)

式中,σm為某點(diǎn)三向應(yīng)力的平均值，MPa；σn為n點(diǎn)的σm平均值，MPa。

3 對(duì)拉工作面中巷底板破壞數(shù)值模擬

3.1 流固耦合數(shù)值模型及邊界條件

根據(jù)實(shí)際工作面情況制定模型，走向長(zhǎng)300 m，傾向方向長(zhǎng)300 m，高150 m，等效覆蓋層厚65 m，底板隔水層厚40 m，底板含水層加壓5 MPa。在底板56～72 m建立模擬隱伏小斷層和裂隙發(fā)育，處于對(duì)拉工作面中巷底板下方。邊界條件如下：

(1)模型四周施加水平方向的約束,模型底部為固定支承，頂部邊界為自由面。

(2)煤層埋深為500 m，頂部覆蓋層為25 m，根據(jù)p=γH,頂部施加10 MPa的壓力。

(3)工作面分別長(zhǎng)100 m和120 m，中巷開(kāi)挖寬度為4 m，巷道高度為2.5 m。

(4)模型中固定水頭為恒定承壓水,固定水壓邊界，含水巖層飽和度為1，水壓為5 MPa。

采用摩爾-庫(kù)倫力學(xué)本構(gòu)模型，共計(jì)13 881個(gè)單元和11 264個(gè)節(jié)點(diǎn)，三維數(shù)值模擬見(jiàn)圖2。巖層物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖2 三維巖層組合數(shù)值模擬

3.2 模擬開(kāi)挖方案

對(duì)拉工作面中巷受反復(fù)采動(dòng)影響會(huì)增加頂?shù)装鍝p害。因此，對(duì)中巷加強(qiáng)支護(hù)，中巷兩側(cè)工作面的錯(cuò)距定為10 m。根據(jù)模擬結(jié)果對(duì)富水區(qū)底板的破壞特征、應(yīng)力分布及滲流分布進(jìn)行研究，三級(jí)數(shù)值模擬模型見(jiàn)圖3。將底板隔水層56～72 m的深度范圍劃分為四部分，中間建立一個(gè)隱伏的比較小的斷層，也可以將其看作是底板的裂隙發(fā)育，模擬其對(duì)工作面推進(jìn)過(guò)程中底板破壞的影響。而此斷層不直接與煤層底板接觸，采動(dòng)過(guò)程主要受2個(gè)力的影響：煤層向下的超前支撐壓力和底板含水層向上的水壓力。

表1 巖層巖石物理力學(xué)參數(shù)

圖3 三維數(shù)值計(jì)算模型

3.3 模擬結(jié)果分析

工作面推進(jìn)不同距離的塑性變化見(jiàn)圖4。

由圖4(a)可以看出，工作面兩側(cè)的塑性區(qū)幾乎是相同的，兩側(cè)頂?shù)装逅苄詤^(qū)此時(shí)沒(méi)有明顯的區(qū)別，而底板隱伏斷層和裂隙發(fā)育則在上部向兩側(cè)擴(kuò)張，因采空區(qū)采用自由垮落法，底板的塑性區(qū)受采動(dòng)后的剪切力和張力影響處于膨脹區(qū)，但塑性區(qū)還沒(méi)有與原始裂隙溝通，因此，在此階段煤層底板不會(huì)有出水現(xiàn)象。

圖4 工作面推進(jìn)不同距離的塑性區(qū)變化

由圖4(b)可以看出，右側(cè)工作面底板塑性區(qū)向深部發(fā)展，隱伏斷層兩側(cè)的塑性區(qū)向隔水層下部發(fā)展。中巷的右側(cè)因受反復(fù)采動(dòng)的影響，塑性區(qū)發(fā)展較快，隨著工作面向前方推進(jìn)，右側(cè)工作面左側(cè)底板的塑性區(qū)與隱伏斷層右側(cè)的塑性區(qū)很快會(huì)導(dǎo)通，如果隱伏層含水，工作面會(huì)少量出水。在隱伏斷層處沒(méi)有與底板含水層導(dǎo)通之前，煤層底板不會(huì)發(fā)生大的突水事故。因反復(fù)開(kāi)采，中巷兩側(cè)底板的破壞相對(duì)較為嚴(yán)重。

由圖4(c)可以看出，當(dāng)工作面推進(jìn)到60 m時(shí)，煤層直接底板塑性區(qū)已經(jīng)與隱伏斷層連接，底板塑性區(qū)繼續(xù)向下部發(fā)展，而含水層上部巖層也出現(xiàn)了塑性區(qū)，說(shuō)明上采空區(qū)底板呈膨脹狀態(tài)，底板含水層向上的應(yīng)力大于原始向下的應(yīng)力，故出現(xiàn)了塑性區(qū)。

綜上所述，隨著工作面的推進(jìn)，底板塑性區(qū)呈現(xiàn)沿底板裂隙或隱伏斷層向下發(fā)展的趨勢(shì)，而在采空區(qū)底板則受隔水層向上壓力的作用，在含水層上方出現(xiàn)了少量的塑性區(qū)。在推進(jìn)到30 m時(shí)，直接底板巖層與隱伏斷層導(dǎo)通，如果斷層含水，會(huì)有少量的水滲出底板，不會(huì)形成大的突水。從模擬結(jié)果看，在對(duì)拉工作面的中巷處反復(fù)采動(dòng)，底板破壞較其他位置嚴(yán)重，且塑性區(qū)向下發(fā)展的速度也較其他位置快。隨著工作面的向前推進(jìn)，塑性區(qū)在采空區(qū)位置處底板受向上的膨脹力，而工作面煤壁前方則受超前頂板壓力較為嚴(yán)重，底板破壞會(huì)較煤壁后方嚴(yán)重。從推進(jìn)60 m模型的隔水層塑性區(qū)可以看出，隱伏斷層周圍破壞較為嚴(yán)重，而其他地方?jīng)]有明顯的變化，說(shuō)明其他地方隔水功能依然存在，在這種情況下對(duì)斷層上方、底板下方的巖層保護(hù)尤為重要。在工作面推采到一定長(zhǎng)度后，底板隔水層被完全導(dǎo)通，突水事故就會(huì)產(chǎn)生。因此，對(duì)拉工作面底板隱伏斷層或原始裂隙區(qū)是產(chǎn)生底板突水的關(guān)鍵因素。

4 結(jié) 語(yǔ)

對(duì)拉工作面開(kāi)采時(shí)，中巷位置處因受兩側(cè)工作面的反復(fù)采動(dòng)影響,底板破壞較為嚴(yán)重，向下發(fā)展的深度較其他位置大，速度也較快。在含隱伏斷層或原始裂隙帶發(fā)育較豐富的隔水層，底板的破壞會(huì)較無(wú)這些因素的位置嚴(yán)重許多，且煤層直接底板一旦與隱伏斷層溝通,隔水層將失去隔水功能,將會(huì)出現(xiàn)底板出水甚至突水。水量將持續(xù)增加，而隱伏斷層或原始裂隙與承壓含水層導(dǎo)通突水將成為必然。針對(duì)這種突水提出幾點(diǎn)建議：

(1)加強(qiáng)底板注漿，補(bǔ)充底板破壞帶的空隙，對(duì)出水位置進(jìn)行打鉆，放水泄壓。

(2)堅(jiān)持有疑必探，對(duì)工作面底板進(jìn)行富水區(qū)探測(cè)，圈出富水區(qū)和隱伏斷層，并對(duì)隱患地區(qū)進(jìn)行針對(duì)性治理。

[1] 左建平，陳忠輝，王懷文，等.深部煤礦采動(dòng)誘發(fā)斷層活動(dòng)規(guī)律[J].煤炭學(xué)報(bào)，2009(3):305-309.

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[3] 王金安.承壓水體上采煤相似模擬實(shí)驗(yàn)[J].礦山壓力與頂板管理,1990(3):56-59.

[4] 許延春,楊 揚(yáng).大埋深煤層底板破壞深度統(tǒng)計(jì)公式及適用性分析[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2013(9)：129-132.

[5] 李利平,李術(shù)才,石少帥,等.巖體突水通道形成過(guò)程中應(yīng)力-滲流-損傷多場(chǎng)耦合機(jī)制[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2012(2)：9-12.

2014-08-14)

王玉和(1971—),男,副教授,266590 山東省青島市黃島區(qū)前灣港路579號(hào)。