嚴 旭，楊本水

(安徽建筑大學 土木工程學院，安徽 合肥 230601)

煤炭是工業(yè)生產(chǎn)中極其重要的不可再生資源。國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，強力地推進了煤炭資源的開發(fā)速度與開采深度，也使得其開采難度逐漸增大，煤炭采出率逐漸降低。近些年，雖然煤層的開采方式和開采技術(shù)得到了進一步優(yōu)化，但在深部煤層開采過程中的煤礦事故仍時有發(fā)生。煤炭長期以來作為我國主要的能源來源[1]，為我國經(jīng)濟建設(shè)，軍事建設(shè)，做出了巨大的貢獻。煤層從開采伊始就受到很多專家的重視，工作面應(yīng)力大小及采場水力的擾動給煤層安全開采造成巨大的隱患，易導致采場失穩(wěn)而形成采動裂隙和大面積沉陷區(qū)，嚴重影響地表建(構(gòu))筑物的安全及生態(tài)環(huán)境的穩(wěn)定[2-5]。

國內(nèi)外學者仍在不斷地研究煤層開采過程中的采斷破壞規(guī)律。王躍等[6]在大量實驗和事故數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上，通過定量安全評價的方法研究出了一種可靠實用的厚松散含水層和薄基巖下綜放工作面安全評價方法。王素玲等[7]通過FLAC3D數(shù)值模擬研究，并結(jié)合突水系數(shù)法對礦區(qū)進行了突水危險性分區(qū)預測，對煤礦底板突水事故的發(fā)生做出了更加系統(tǒng)全面的預測和解釋。賀小慶等[8]通過分析回采后采空區(qū)周圍巖體的受力情況，提出分區(qū)治理、分區(qū)回收礦柱的方案，隔離了采空區(qū)間的相互影響，對于礦山安全、高效、經(jīng)濟開采具有重要意義。徐乃忠等[9]通過鉆探查明地層構(gòu)成，采用相似模擬試驗，研究了多煤層開采過程中的覆巖破壞與地表移動變形特征。

鑒于此，結(jié)合實踐勘察資料，本研究通過FLAC3D數(shù)值計算來模擬工作面推進過程中圍巖應(yīng)力和位移的變化，以評價五溝煤礦1026工作面回采的安全性和可行性，旨在對相似工作面安全高效地開采煤炭資源提供一定的指導。

1 工程概況及水文地質(zhì)條件

1.1 工作面概況

坐落于安徽淮北的五溝煤礦為隱伏煤田，煤層上覆蓋著一層厚厚的松散層。二采區(qū)原設(shè)計開采上限在西翼標高-340 m水平。因壓煤而造成巨大的煤炭資源損失，其經(jīng)濟技術(shù)合理性還有待研究。1026工作面處于南二采區(qū)西翼，工作面機巷長度為1 399 m，風巷長為1 406 m，切眼總計長為140 m。該工作面10煤煤層均厚為4.0 m，平均傾角為8°。地質(zhì)儲量為708 231 t，可采儲量為685 655 t。根據(jù)1026工作面附近的J5-3,31-1，J5-4等6個鉆孔的資料可知，1026工作面開采的10煤煤層頂板一定范圍內(nèi)細砂巖和粉砂巖的占比較高，泥巖較少。10煤煤層直接頂板巖石的強度較低，含少量砂，厚度約2.0 m，部分地段頂板可能為淺灰色粉砂巖，老頂為細粉砂巖。1026工作面一定范圍內(nèi)，巖性以細砂巖和粉砂巖為主，泥巖較少。10煤煤層直接底板主要成分為粉砂巖，厚度約在3 m以下，部分地段可能出現(xiàn)粉砂與細砂巖互層現(xiàn)象，老底為細砂巖。

1.2 水文地質(zhì)條件

新生界松散層“四含”鉆孔資料顯示，第四含水層底板埋深為271.41～278.40 m，平均埋深為275.29 m，含水砂層厚度為15.08～25.81 m，平均厚度為21.90 m。主要成分為粘土質(zhì)砂以及砂巖的“四含”巖性相對復雜，0～4層的粘土、亞粘土以及鈣質(zhì)在部分區(qū)域富集，呈現(xiàn)為膠結(jié)狀砂礫?！八暮膘o止水位標高+17.92 m，流量q=0.005 L/s，水化學類型為SO42-，Na+，Mg2+。結(jié)合礦區(qū)的水文地質(zhì)參數(shù)以及分析各個含水層的水質(zhì)特征，依照“三下”采煤規(guī)范，上覆于1026工作面的第四含水砂層富水性弱，且其產(chǎn)流補給排水能力不暢，呈固結(jié)-半固結(jié)狀態(tài)，對1026工作面的安全回采影響不大。

2 1026工作面突水危險性分析

在工作面推進過程中，煤層受到擾動容易出現(xiàn)煤層底板突水，這與地質(zhì)構(gòu)造、含水層含水量、隔水層厚度等多方面因素有關(guān)。《煤礦防治水規(guī)定》(2009年)中指出，突水系數(shù)是評價煤礦突水風險的重要指標。根據(jù)《煤礦防治水規(guī)定》(2009年)，巖層段破塊段突水系數(shù)不應(yīng)大于0.06 MPa/m。由實際工況得知，10煤底板突水系數(shù)的最大值為0.027 MPa/m，因此在工作面回采過程中不易發(fā)生突水事故。

五溝煤礦1012，1013，1016，1017，1018，1021，1023，1025工作面已經(jīng)回采完畢，1031工作面正在開采，其工作面突水系數(shù)分別為0.047，0.045，0.049，0.046，0.047，0.047，0.048，0.042，0.048。1026工作面附近工作面突水預測p-m圖如圖1所示。由p-m圖可看出，1026工作面附近的工作面均處于回采安全區(qū)，因此1026工作面可以正?；夭伞?/p>

圖1 1026工作面附近工作面突水預測p-m圖

3 1026工作面開采安全可靠性分析

與五溝煤礦相鄰的淮北礦業(yè)集團童亭礦、臨渙礦和皖北煤電集團任樓煤礦的“四含”賦存情況與二采區(qū)相近，在開采過程中采取短大快流、推進均勻連續(xù)等手段來加強對工作面頂?shù)装宓墓芾?、預測和監(jiān)控水況，有效地減弱了覆層的破壞程度，在回采工程中均實現(xiàn)了安全無水開采。周邊礦井“四含”下煤層開采情況見表1。結(jié)合上述3個礦煤層成功開采的工程實例及試采資料，通過制定及時有效的管理和技術(shù)措施，1026工作面實行安全開采在技術(shù)上是可行的。

表1 周邊礦井“四含”下煤層開采情況

4 FLAC3D軟件模擬分析

4.1 確定地層模型范圍

采用三維直角坐標系模擬煤層推進過程中的應(yīng)力與位移變化，根據(jù)五溝煤礦1026工作面頂?shù)装鍘r石性質(zhì)及相關(guān)資料數(shù)據(jù)，建立300 m×300 m×90 m的模型，x軸為煤層傾向方向，y軸為煤層推進方向，z軸為重力方向，煤層平均傾角為8°，采寬為120 m，采用25 m步距模擬工作面推進。使用模擬軟件完全分析計算出實際情況的復雜性是十分困難的，故將模型簡化為19層。第11層10煤層為本次模擬開挖層。巖層分層見表2。

表2 巖層分層

模型網(wǎng)格劃分圖如圖2所示。巖體的各項物理參數(shù)是分析覆巖運動和破壞演化規(guī)律的關(guān)鍵。通過對1026工作面現(xiàn)場的巖體取樣，進行單軸拉壓試驗，以實驗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，構(gòu)建模型中各層的物理力學參數(shù)。本模型中使用的10煤頂、底板巖石力學參數(shù)見表3。

圖2 模型網(wǎng)格劃分圖

表3 10煤層頂、底板巖石力學參數(shù)

4.2 模型邊界條件及初始應(yīng)力的確定

模型的側(cè)面和底面設(shè)置位移邊界，因?qū)嶋H煤礦開挖中圍巖不會沿水平方向向四周變形，所以需要限制模型邊界位移，模型采用固定邊界的方式，x和y方向固定兩端邊界，z方向固定底部邊界，自由邊界為模型頂面。10 煤上覆巖層結(jié)構(gòu)復雜多變，且埋深較深，模型的原始應(yīng)力由構(gòu)造力與自重應(yīng)力疊加而成。隨著深度增加，巖體的應(yīng)力值一般近似線性增加，其隨深度變化的線性回歸方程為:

(1)

式(1)中，H為埋深(m)；γ為上覆巖層的體積力(kN/m3)。

4.3 工作面推進及圍巖的破壞準則

根據(jù)1026工作面的實際情況，采用長壁開采方式，并使用垮落法管理頂板，煤層采厚為4.0 m，模擬120 m采寬采全厚。在模擬開挖工作面時，每次挖掘按照25 m的推進速度進行，在進行下一次推進之前再計算應(yīng)力平衡。每一步推進時應(yīng)力的釋放相互獨立，共計采取3個步驟研究采空區(qū)覆巖的變形破壞規(guī)律。本次模擬地層采動覆巖破壞規(guī)律采用C-M屈服準則，其公式為：

(2)

式(2)中，C為粘結(jié)力；σ3為最小主應(yīng)力；σ1為最大主應(yīng)力；φ為內(nèi)摩擦角。

4.4 數(shù)值模擬結(jié)果分析

1)采動后模型豎向應(yīng)力分析。

工作面推進期間的豎向應(yīng)力云圖如圖3所示。不同煤層推進深度下的豎向應(yīng)力見表4。由圖3和表4可知，煤層推進至25 m時，豎向應(yīng)力為-9.38～0.15 MPa；煤層推進50 m時，豎向應(yīng)力為-10.51～0.25 MPa；煤層推進75 m時，豎向應(yīng)力為-9.91～0.32 MPa；煤層推進100 m時，豎向應(yīng)力為-10.56～0.32 MPa。

(a) 工作面煤層推進25 m

表4 不同煤層推進深度下的豎向應(yīng)力

因此，豎向應(yīng)力主要集中于采空區(qū)圍巖中，工作面頂、底板出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，推進深度增大時相應(yīng)的拉應(yīng)力會被開挖的區(qū)域分散掉，使得開挖后的區(qū)域會隨之出現(xiàn)拉應(yīng)力，但隨著工作面的推進拉應(yīng)力卻逐漸減小，采空區(qū)主要威脅來自于頂板冒落垮塌，伴隨工作面掘進，豎向應(yīng)力最大值始終位于已采煤層的兩端。為防止工作面兩側(cè)圍巖被壓垮，需要對其進行加固支護，增強其抗壓能力。

2)采動后模型剪應(yīng)力分析。

工作面推進期間的剪應(yīng)力云圖如圖4所示。不同煤層推進深度下的剪應(yīng)力見表5。由圖4和表5可以看出，煤層推進至25 m時，剪應(yīng)力為-1.62～1.60 MPa；煤層推進50 m時，剪應(yīng)力為-1.88～1.75 MPa；煤層推進75 m時，剪應(yīng)力為-1.58～1.54 MPa；煤層推進100 m時，剪應(yīng)力為-1.58～1.69 MPa。

表5 不同煤層推進深度下的剪應(yīng)力

因此，開挖段的端部一般為剪應(yīng)力值最大處。在模型范圍內(nèi)，采空區(qū)中部出現(xiàn)一條與煤層平行的分界線，在分界線兩端，剪應(yīng)力方向發(fā)生改變。在剪應(yīng)力方向改變的區(qū)域內(nèi)，剪切破壞發(fā)生在頂板和底板上。這與剪切破壞的特點相一致。工作面推進25 m時，應(yīng)力集中出現(xiàn)在工作面的兩側(cè)；當工作面推進到100 m時，上覆巖層中的應(yīng)力分布和斷裂帶會發(fā)展成明顯的“馬鞍型”。伴隨工作面進一步推進，剪應(yīng)力范圍發(fā)生變化?？梢园l(fā)現(xiàn)，隨著采空區(qū)不斷擴大，剪應(yīng)力正負值之間的差距也逐漸擴大，導致剪切破壞發(fā)生的頻率不斷增加。當推進達到最大值時，剪切破壞的頻率是推進剛開始時的3倍。

(a) 工作面煤層推進25 m

3)采動后模型位移分析。

工作面推進期間的位移云圖如圖5所示。不同煤層推進深度下工作面的位移見表6。由圖5和表6可知，采煤層推進至25 m時，頂、底板最大位移分別為1.63 cm和2.36 cm；煤層推進50 m時，頂、底板最大位移為2.49 cm和3.87 cm；煤層推進75 m時，頂、底板最大位移為2.78 cm和4.02 cm；煤層推進100 m時，頂、底板最大位移為2.40 cm和4.22 cm。

表6 不同煤層推進深度下工作面的位移 m

因此，隨著采煤工作面不斷推進，工作面上覆巖層開始緩慢變形下沉，底板位移引起底鼓變形，工作面上覆巖層位移呈拱形分布。煤層開挖時，煤層左右兩側(cè)發(fā)生位移。這是由采空區(qū)的應(yīng)力集中導致的。推進越深，位移變化越大，但位移的變化率會隨著工作面的推進而緩慢減小，最后逐漸趨于穩(wěn)定。

(a) 工作面煤層推進25 m

5 結(jié)論

基于五溝煤礦1026工作面的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)資料，通過 FLAC3D模擬軟件對1026工作面10煤層開采過程中豎向應(yīng)力、剪應(yīng)力、位移等參數(shù)進行了分析，得出如下結(jié)論。

1)煤層開采過程中頂、底板出現(xiàn)的拉應(yīng)力隨著掘進深度增加而減小。隨著工作面寬度增加，豎向應(yīng)力不斷增加，其增加速度緩慢下降，直至穩(wěn)定。1026工作面的峰值豎向應(yīng)力較小，對煤層的安全開采影響不大。

2)工作面剪應(yīng)力峰值會隨著開挖深度增加而增大。隨著采空區(qū)范圍不斷增大，剪應(yīng)力正負值的差距也在不斷增大，剪切破壞的產(chǎn)生頻率也相應(yīng)增加。

3)1026工作面的豎向位移普遍較小，對煤礦安全開采的影響相對較小。實際開采過程中，應(yīng)該加強煤層頂、底板的管理，減少因開挖而導致的豎向位移，從而減小覆巖塌陷和突水的發(fā)生。