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        采動過程中底板隱伏陷落柱突水?dāng)?shù)值模擬

        2019-03-20 06:50:50溫興林王如猛李興東王少強楊志豪
        煤礦安全 2019年2期
        關(guān)鍵詞:滲流含水層塑性

        溫興林,王如猛,李興東,王少強,楊志豪

        (1.山東科技大學(xué) 礦山災(zāi)害預(yù)防控制教育部重點實驗室,山東 青島 266590;2.山東鼎安檢測技術(shù)有限公司,山東 濟南 250000)

        2016年我國能源消費總量為43.6億t標準煤,中國煤炭消耗總量占據(jù)了國內(nèi)總能源消耗量的63%[1]。全國48.5%的煤礦受到水害的威脅,260億t煤炭儲量受到水的威脅,北方型煤田18.6%儲量受到底板巖溶水威脅[2]。僅2000年到2016年就發(fā)生礦井突水事故1 475起,造成573人死亡,2016年我國煤炭百萬噸死亡率為0.156,與發(fā)達國家相比還有較大差距[3]。巖溶陷落柱在我國華北煤田發(fā)育較為廣泛,所引起的陷落柱突水問題也越來越嚴重。

        針對陷落柱突水問題,國內(nèi)專家學(xué)者從理論、實驗和數(shù)值模擬等不同方面進行了研究。在陷落柱的形成上提出了重力塌陷說、石膏溶蝕說、真空吸蝕說和熱液成因說等敘說;在陷落柱突水機理上,尹尚先、武強提出的“厚壁桶”理論、徐進鵬推導(dǎo)出的陷落柱導(dǎo)水機理力學(xué)判據(jù)和李振華和李見波進行了大量的陷落柱突水相似模擬實驗[4]。從采動對煤層底板的破壞和巖溶陷落柱的導(dǎo)水活化角度入手,對不同推進距離下采場工作面頂?shù)装鍛?yīng)力場、塑性破壞區(qū)、應(yīng)力場和滲流場的變化進行了研究,揭露底板隱伏巖溶陷落柱突水的一般規(guī)律。

        1 應(yīng)力和滲流耦合作用理論分析

        1.1 應(yīng)力場對滲流場的影響分析

        巖石和煤層作為多孔介質(zhì),主要由巖體內(nèi)具有微透水性性的空隙和巖體之間的節(jié)理裂隙構(gòu)成其力學(xué)特征。實驗研究表明,空隙水壓力變化首先通過引起有效的應(yīng)力變化,才有可能顯著地引起裂隙中流體壓力的分布。巖體內(nèi)滲透系數(shù)K隨巖體應(yīng)力變化的規(guī)律公式:

        式中:ρ為水密度,kg/m3;g 為重力加速度,m/s2;μ為水運動黏滯系數(shù);S為裂隙平均間隙,m;△ε為垂直裂縫組應(yīng)力變量,MPa;Kn為裂隙法向剛度;E為巖石彈性模量;b為應(yīng)力系數(shù)。

        由上述公式可知,應(yīng)力場影響巖體的滲透系數(shù)是通過巖體內(nèi)體積應(yīng)變而實現(xiàn)的,以此影響到巖體內(nèi)的滲流場。

        1.2 煤層頂?shù)装鍑鷰r塑性破壞準則

        根據(jù)煤巖體的力學(xué)特性,本次采用摩爾-庫倫模型,其破壞準則為摩爾庫倫和最大拉應(yīng)力準則,其破壞準則表達公式為:

        式中:σ1為最大主應(yīng)力,MPa;σ3為最小主應(yīng)力,MPa;φ為巖體的內(nèi)摩擦角,(°);C為巖體的黏聚力,MPa;fs為折算應(yīng)力。

        當(dāng)巖體發(fā)生剪切破壞時(即),巖體達到屈服極限后,如果存在比較大的壓力作用下,巖體將會發(fā)生破壞變形。其拉應(yīng)力屈服條件為:

        式中:σt為抗拉強度,MPa;ft為屈服應(yīng)力。

        當(dāng)fs<0時,煤層巖體發(fā)生剪切破壞;當(dāng)ft>0時,煤層巖體發(fā)生拉應(yīng)力破壞。

        2 構(gòu)建底板隱伏巖溶陷落柱數(shù)值模型

        2.1 礦區(qū)工程水文地質(zhì)條件

        礦區(qū)發(fā)育地層組下而上依次為:奧陶系中下統(tǒng)、本溪組、太原組、二疊系下統(tǒng)山西組和第四系黏土層。開采煤層位于太原組16、17煤層,煤層位于奧灰含水層30~80 m之上,16、17煤不同程度受到奧灰含水層的威脅。其頂板往上以此為泥巖、粉砂巖、細砂巖,底板往下以此為泥巖、細砂巖。

        根據(jù)三維地震勘探共發(fā)現(xiàn)3個陷落柱,其中除SX1陷落柱較大外,其余2個較小。位于測區(qū)西南角邊緣,陷落到十三灰及奧灰,在17煤底板下30 m。在區(qū)內(nèi)呈橢圓形,長軸為NW向,長度80 m,短軸為NE向,長度60 m,面積2 436 m2,SX1陷落柱如圖1。

        圖1 SX1陷落柱

        2.2 數(shù)值模型的邊界條件和方案設(shè)計

        本模型設(shè)前后左右均為水平約束,工作面的走向是沿x軸方向;頂部壓力用等效載荷10 MPa代替;采用固定邊界水壓,含水層水壓為2.4 MPa,巖體飽和度為1。開采后的工作面邊界水壓取0,回采后的采空區(qū)為滲流邊界[5-8]。模型尺寸為,陷落柱高度取40 m,直徑為30 m。切眼位于陷落柱中心線100 m處,邊界各留50 m,工作面從左到右推進,每次按20 m推進。巖石物理力學(xué)參數(shù)見表1,模型如圖2[9-10]。

        圖2 含底板巖溶陷落柱模型示意圖

        3 數(shù)值模擬模型結(jié)果及分析

        3.1 圍巖垂直方向應(yīng)力分析

        1)推進過程中圍巖垂直應(yīng)力圖如圖3。從圖3可知,開采前圍巖的應(yīng)力分布較為清楚,陷落柱周圍應(yīng)力集中達16.4 MPa,而陷落柱內(nèi)部應(yīng)力相對較小,垂直應(yīng)力為9.5 MPa。在初始圍巖應(yīng)力狀態(tài)下,垂直應(yīng)力小于完整巖層中的圍巖應(yīng)力,說明陷落柱是天然的低應(yīng)力集中區(qū)。在采動的影響下應(yīng)力集中系數(shù)不斷增大,當(dāng)超過巖層強度時,就會使陷落柱周圍圍巖極容易發(fā)生破壞,使含水層中的承壓水極易發(fā)生滲流。

        圖3 推進過程中圍巖垂直應(yīng)力圖

        2)通過分析圖3可以看出,工作面的回采使應(yīng)力重新分布,在工作面的前面形成應(yīng)力集中,在陷落柱的頂?shù)装逍纬闪诵秹簠^(qū)和增壓區(qū)。當(dāng)回采工作面推進到20 m,距離陷落柱60 m時,推進距離對陷落柱的應(yīng)力分布影響較?。划?dāng)推進到80 m時,靠近陷落柱時,應(yīng)力區(qū)發(fā)生重疊;當(dāng)推進到100 m時,推進到陷落柱的正上方時,陷落柱內(nèi)出現(xiàn)卸壓區(qū),陷落柱作為低應(yīng)力區(qū),易受到采動的影響,從而發(fā)生塑性破壞,進而陷落柱作為溝通工作面與含水層的優(yōu)選通道,因此在以后的采煤過程中應(yīng)重點關(guān)注。

        3)推進過程中圍巖垂直應(yīng)力變化圖如圖4。通過分析可得,隨著推進距離的增加,圍巖應(yīng)力不斷發(fā)生變化,受礦山壓力和推進距離增加的影響,圍巖應(yīng)力的影響范圍不斷擴大。工作面的最大垂直應(yīng)力集中在采空區(qū)的兩側(cè),原因是煤層圍巖受到工作面開采的影響,原巖石受到擠壓應(yīng)力增大,當(dāng)超過底板細砂巖和泥巖的抗拉強度時,就會發(fā)生塑性破壞,在工作面推過后巖石應(yīng)力得到釋放,應(yīng)力減小,隨著蠕動時間逐漸趨于穩(wěn)定,可以明顯的看出工作面底板圍巖應(yīng)力在采動的影響下,垂直應(yīng)力的3個區(qū)域增壓區(qū)-卸壓區(qū)-穩(wěn)定區(qū)的動態(tài)變化,符合工作面采場底板破壞平衡理論分析。

        圖4 推進過程中圍巖垂直應(yīng)力變化圖

        4)隨著推進距離的增加,當(dāng)工作面開采距離陷落柱越來越近時,應(yīng)力集中系數(shù)不斷增大,應(yīng)力集中范圍分布在靠近陷落柱回采工作面一側(cè)。在工作面推進80 m時,工作面圍巖應(yīng)力破壞區(qū)和陷落柱圍巖應(yīng)力區(qū)發(fā)生疊加;當(dāng)工作面推進100 m時,工作面推進到陷落柱正上方時,底板和陷落柱的圍巖應(yīng)力已經(jīng)完全重合,煤層底板和陷落柱圍巖垂直應(yīng)力破壞區(qū)發(fā)生重合,底板和陷落柱巖層發(fā)生塑性破壞的可能性增大。

        3.2 塑性破壞區(qū)分析

        推進過程中塑性破壞區(qū)圖如圖5。不同推進距離下底板塑性破壞深度變化曲線如圖6。

        圖6 不同推進距離下底板塑性破壞深度變化曲線

        1)當(dāng)工作面開采面未通過陷落柱時,隨著工作面推進距離的增加,煤層底板的塑性破壞深度不斷增大,在到達陷落柱時底板塑性破壞深度達到最大;當(dāng)工作面通過底板陷落柱后,隨著工作面遠離陷落柱,底板的塑性破壞深度又逐漸減小,當(dāng)工作面推進到80 m時,煤層底板的塑性破壞區(qū)和陷落柱的塑性破壞區(qū)發(fā)生對接,容易發(fā)生底板陷落柱發(fā)生突水事故。

        2)在開采前陷落柱與奧灰含水層交接處出現(xiàn)了5 m左右的塑性破壞區(qū),并且隨著回采工作面推進距離的增加,底板陷落柱的塑性破壞區(qū)范圍不斷增大,當(dāng)推進60 m左右時,陷落柱柱體內(nèi)與奧灰含水層發(fā)生導(dǎo)通。并且隨著推進距離的不斷增加,在采動和水壓劈裂的作用下對陷落柱上部的隔水層極易造成破壞,使奧灰含水層中的水涌出。

        3.3 圍巖位移場變化分析

        推進過程中垂直位移圖如圖7。推進過程中底板圍巖垂直位移變化圖如圖8。

        圖7 推進過程中垂直位移圖

        圖8 推進過程中底板圍巖垂直位移變化圖

        1)在開挖初始前,陷落柱與其周圍圍巖相比,陷落柱內(nèi)部位移相對較大,以豎直方向的位移為主,且陷落柱頂部豎直方向的圍巖位移小于陷落柱底部;當(dāng)開始開挖后,工作面頂板圍巖豎直方向的位移大于底板圍巖豎直位移。

        2)隨著推進距離的增加,距離陷落柱越來越近,當(dāng)工作面開采推進到80 m時,底板圍巖的豎直方向的位移場明顯向陷落柱方向偏移,此時底板和陷落柱圍巖豎直方向的應(yīng)力場發(fā)生疊加,塑性破壞區(qū)發(fā)生對接。

        3)隨著推進距離的增加,頂?shù)装遑Q直方向的位移逐漸增加,且影響范圍不斷擴大。通過對比可以看出頂?shù)装遑Q直方向上的位移主要集中在剛開挖處,而采空區(qū)后方的頂?shù)装鍑鷰r豎直位移較穩(wěn)定。

        4)位于采空區(qū)底板下方的圍巖,其垂直方向的位移值由上到下逐漸減小,并且隨著回采工作面推進距離的不斷增加,采空區(qū)底板圍巖垂直方向的位移值逐漸增大。而位于采空區(qū)上方的圍巖,其垂直方向的位移值由下到上逐漸減小,并且隨著回采工作面推進距離的不斷增加,采空區(qū)頂板圍巖垂直方向的位移值逐漸增大。

        5)采空區(qū)頂板的巖層以泥灰?guī)r為主,其下沉值由下到上逐漸減小,底板的巖層以細砂巖和泥巖為主,下沉值由上到下逐漸減小,說明巖層的位移除了與其所處的位置有關(guān)外,還有巖體的巖性和組合有關(guān),巖性較強的砂巖比泥灰?guī)r變形較小,同時在前面的塑性破壞區(qū)也有所體現(xiàn)。

        3.4 滲流場變化分析

        推進過程中滲流場圖如圖9。

        圖9 推進過程中滲流場圖

        從圖9可以看出:

        1)在開采前含水層和陷落柱內(nèi)部處于相對穩(wěn)定的狀態(tài),開采前陷落柱的頂部已經(jīng)發(fā)生滲流,表明陷落柱圍巖在開采前由于自身結(jié)構(gòu)和承壓水壓力的影響已經(jīng)發(fā)生了滲流破壞。

        2)隨著推進距離的不斷增加,陷落柱頂部的滲流高度和范圍不斷增大。在推進40 m時,陷落柱頂部的滲流范圍達到20 m;在推進100 m時,巖落柱頂部的滲流范圍達到25 m,陷落柱頂部巖層在滲透水壓的作用下極易發(fā)生破壞,降低了隔水層的隔水能力。

        4 結(jié)論

        1)通過數(shù)值模擬底板隱伏陷落柱突水,在隔水層厚度在30 m條件下,開采17煤有突水的危險。

        2)在開采區(qū)底板以及靠近開采一側(cè)的陷落柱上圍巖容易發(fā)生剪切和拉伸破壞。

        3)受采動的影響,隨著推進距離的增加,圍巖應(yīng)力集中程度和范圍逐漸增大,塑性破壞范圍逐漸增大,垂直位移范圍逐漸增大,在開采前應(yīng)該對底板和陷落柱進行注漿加固改造。

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