劉樂意，宣以瓊

(安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230601)

0 引言

當(dāng)前我國(guó)的煤炭消耗量逐年上升，導(dǎo)致其開采不斷向深部延伸,礦區(qū)的突水潰砂事故時(shí)有發(fā)生。我國(guó)華北地區(qū)普遍為地質(zhì)異常體(陷落柱)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)巖體的巖性不規(guī)則。因此，在其煤層開采掘進(jìn)過程中，容易呈現(xiàn)出巖體破碎和地質(zhì)裂隙帶，在異常體處產(chǎn)生豎向?qū)ǖ啦⑴c回采工作面相連，從而發(fā)生突水事故。陷落柱突水通常具有延遲反應(yīng)、偶發(fā)性、突水量大、破壞力強(qiáng)和防治難度大等特點(diǎn)，對(duì)煤層的安全開采有著重要影響。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過理論研究、實(shí)驗(yàn)分析、數(shù)值模擬等方法對(duì)異常體的突水、滲流特性及其對(duì)開采工作面的影響等問題進(jìn)行了諸多研究。楊本水等[1]對(duì)異常體陷落柱水害預(yù)防與超前探查治理技術(shù)進(jìn)行了研究，對(duì)判別突水水源及對(duì)采動(dòng)裂隙進(jìn)行超前治理提出了新模式。大量研究結(jié)果表明[2]，建立巖溶陷落柱沖蝕突水力學(xué)模型，研究分析沖蝕作用下裂隙的發(fā)育，對(duì)于揭示陷落柱突水機(jī)理并指導(dǎo)其突水防治具有重要意義。畢國(guó)勝等[3]通過理論推導(dǎo)以及實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)綜采工作面的應(yīng)力影響范圍和應(yīng)力峰值等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了數(shù)據(jù)研究，為工作面安全開采和工作面支護(hù)等安全參數(shù)的合理選用提供了有力依據(jù)[4]。

注漿加固松軟地質(zhì)、圍巖破裂區(qū)及斷層等不良地質(zhì)異常體時(shí)，能明顯提高其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和圍巖支護(hù)強(qiáng)度[5-9]，對(duì)異常體處有著良好的支護(hù)作用，能有效抑制異常體處的塑性破壞，減小異常體巷道附近的圍巖變形[10-12]。分析陷落柱的特征及成因、揭示陷落柱突水模式及機(jī)理、探討煤層開采掘進(jìn)過程中工作面應(yīng)力變化以及采前注漿對(duì)異常體塑性破壞規(guī)律等具有重要意義。鑒于此，本文結(jié)合昌恒煤焦9102工作面的地質(zhì)情況，通過FLAC3D模擬T1地質(zhì)異常體對(duì)煤層開采的影響，以供相關(guān)工程參考。

1 工程概況

山西嵐縣昌恒煤焦有限公司隸屬于皖北煤電集團(tuán)，其煤品種屬我國(guó)較稀缺且進(jìn)口量較大的煉焦或配焦用煤，質(zhì)量?jī)?yōu)良。生產(chǎn)礦井面積約3 km2，地下含煤量約5 400萬t，年生產(chǎn)能力可達(dá)90萬t?，F(xiàn)場(chǎng)鉆孔取芯及查閱相關(guān)資料發(fā)現(xiàn)，昌恒煤焦有限公司9101工作面和9102工作面頂、底板水害類型較為復(fù)雜，水害影響頗為嚴(yán)重。根據(jù)9102工作面的開采情況及井下地質(zhì)異常體探查狀況，T1地質(zhì)異常體大致呈圓柱形，直徑約19 m，與9102機(jī)巷的最小距離約14 m。T1地質(zhì)異常體含水較富裕，工作面開采接近地質(zhì)異常體時(shí)出水量有所增加。探查結(jié)果及開采實(shí)踐表明，T1地質(zhì)異常體的復(fù)含導(dǎo)水性較好。

2 地質(zhì)異常體含、導(dǎo)水性分析

地質(zhì)異常體是我國(guó)北方煤田的一種特殊地質(zhì)，是由水溶作用而形成的一種塌陷破壞狀況。由于異常體的結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣，目前對(duì)其突水現(xiàn)象難以預(yù)測(cè)，所給與的及時(shí)治理方案不成熟。異常體內(nèi)的滲流由其內(nèi)部結(jié)構(gòu)、內(nèi)部填充物及富含水情況共同決定，多為固結(jié)狀態(tài)。其內(nèi)部填充結(jié)構(gòu)的密實(shí)程度是決定地質(zhì)異常體是否發(fā)生滲流的重要因素之一。

通過查閱相關(guān)資料可知，巖溶陷落柱要成為突水通道并造成水害需具備以下3個(gè)因素：①該地質(zhì)異常體巖溶富水性強(qiáng)，形成突水塌陷的隱患較大；②水頭壓力需要達(dá)到一定值，這是形成陷落柱突水的催化劑；③地質(zhì)異常體陷落柱結(jié)構(gòu)材質(zhì)松散、導(dǎo)水性好，可加速突水通道的形成。

工程實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，在煤層開采過程中，一方面會(huì)在回采工作面前方和周邊產(chǎn)生應(yīng)力重分布和應(yīng)力集中現(xiàn)象。在工作面處的應(yīng)力達(dá)到最大狀態(tài)后，會(huì)發(fā)生塑性破壞。另一方面，當(dāng)工作面接近地質(zhì)異常體時(shí)，若涌水鉆孔和巖溶陷落柱的圍巖區(qū)不能得到合理的安全控制，水的滲流系數(shù)將會(huì)增大。在水的滲流作用下，裂隙帶處將與巖溶陷落柱相連通，巖溶陷落柱的圍巖應(yīng)力場(chǎng)也會(huì)隨之發(fā)生變化，從而使導(dǎo)水性變強(qiáng)，可能發(fā)生突水事故。由此可知，工作面在掘進(jìn)過程中應(yīng)力的變化影響了與其相連的異常體本身的穩(wěn)定性，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)易破碎為松散的巖體形式，從而變成底板灰?guī)r水和巷道的導(dǎo)水通道。

3 數(shù)值模擬分析

3.1 模型建立

根據(jù)勘察資料，昌恒煤焦9102工作面T1異常體及周邊范圍的巖體力學(xué)參數(shù)見表1。為了獲得較為普遍的規(guī)律，根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙和工程現(xiàn)場(chǎng)情況對(duì)模型做合理的簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。模型X方向360 m，Y方向220 m，Z方向155 m，煤層開采沿著X方向推進(jìn)，開采面寬100 m，全高9 m?，F(xiàn)有直徑為20 m的地質(zhì)異常體位于模型X方向180 m，Y方向54 m處，距離工作面最近為14 m。所建立的數(shù)值分析模型如圖1所示，以對(duì)比有無地質(zhì)異常體2種工況回采過程中的工作面超前應(yīng)力峰值變化及塑性破壞規(guī)律。

表1 昌恒煤焦9102工作面T1異常體及周邊范圍的巖體力學(xué)參數(shù)

(a) 無地質(zhì)異常體模型

(b) 有地質(zhì)異常體模型

3.2 模型計(jì)算與結(jié)果

在模型頂面施加5 MPa的補(bǔ)償應(yīng)力，對(duì)底面和側(cè)面進(jìn)行固定，而頂面按照實(shí)際情況自由垮落。所設(shè)計(jì)的回采掘進(jìn)方案見表2。

表2 回采掘進(jìn)方案 m

3.2.1工作面回采過程中的超前應(yīng)力變化

利用FLAC3D模擬煤層掘進(jìn)開挖過程，對(duì)不同回采工作面的應(yīng)力結(jié)果進(jìn)行切片，觀察不同工作面的應(yīng)力峰值變化及峰值距工作面距離變化。

1)開挖步續(xù)1。工作面推進(jìn)80 m時(shí)的超前應(yīng)力峰值如圖2所示。由圖2可知，工作面推進(jìn)80 m時(shí)，無地質(zhì)異常體工況下工作面的超前應(yīng)力峰值為14.5 MPa，應(yīng)力峰值距工作面距離為12 m；有地質(zhì)異常體工況下工作面的超前應(yīng)力峰值為14.5 MPa，應(yīng)力峰值距工作面距離為11 m。此時(shí)，2種工況下數(shù)值基本相同，是因?yàn)楣ぷ髅婢喈惓ｓw較遠(yuǎn)，對(duì)工作面的影響較小。

(a) 無地質(zhì)異常體

(b) 有地質(zhì)異常體

2)開挖步續(xù)2。工作面推進(jìn)130 m時(shí)的超前應(yīng)力峰值如圖3所示。由圖3可知，工作面推進(jìn)130 m時(shí)，無地質(zhì)異常體工況下工作面的超前應(yīng)力峰值為15.1 MPa，應(yīng)力峰值距工作面距離為12 m；有地質(zhì)異常體工況下工作面的超前應(yīng)力峰值為19.2 MPa，應(yīng)力峰值距工作面距離為7 m。此時(shí)，異常體的存在對(duì)煤層開采產(chǎn)生了不利的影響，工作面的應(yīng)力增加了約4 MPa，距工作面距離變小，基本符合協(xié)調(diào)變化。

(a) 無地質(zhì)異常體

(b) 有地質(zhì)異常體

3)開挖步續(xù)5。工作面推進(jìn)180 m時(shí)的超前應(yīng)力峰值如圖4所示。由圖4可知，工作面推進(jìn)180 m時(shí)，無地質(zhì)異常體工況下工作面的超前應(yīng)力峰值為15.8 MPa，應(yīng)力峰值距工作面距離為12 m；有地質(zhì)異常體工況下工作面的超前應(yīng)力峰值為16.8 MPa，應(yīng)力峰值距工作面距離為7 m。此時(shí)，在有異常體的影響下，煤層開采應(yīng)力峰值和距工作面距離已為不協(xié)調(diào)性變化。

(a) 無地質(zhì)異常體

(b) 有地質(zhì)異常體

4)開挖步續(xù)8。工作面推進(jìn)230 m時(shí)的超前應(yīng)力峰值如圖5所示。由圖5可知，工作面推進(jìn)230 m時(shí)，無地質(zhì)異常體工況下工作面的超前應(yīng)力峰值為15.2 MPa，應(yīng)力峰值距工作面距離為12 m；有地質(zhì)異常體工況下工作面的超前應(yīng)力峰值為18.0 MPa，應(yīng)力峰值距工作面距離為8 m。此時(shí)，有地質(zhì)異常體情況下，工作面的應(yīng)力峰值依舊較大，但其應(yīng)力峰值和距工作面距離又基本回歸到協(xié)調(diào)性變化。

(a) 無地質(zhì)異常體

(b) 有地質(zhì)異常體

圖5 工作面推進(jìn)230 m時(shí)的超前應(yīng)力峰值

對(duì)比分析圖2～5，可得以下結(jié)論。

1)在無地質(zhì)異常體工況下，地質(zhì)較均勻，工作面的應(yīng)力峰值基本穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)，且峰值位于工作面前方的距離變化也較小，基本穩(wěn)定在10～12 m，此現(xiàn)象基本符合力學(xué)原理。

2)在受地質(zhì)異常體的影響下開采,應(yīng)力峰值較正常地質(zhì)有所增加，開挖步續(xù)3～7(異常體處前后30 m工作面)變化的幅度較大，且應(yīng)力峰值和距工作面距離都呈現(xiàn)出非協(xié)調(diào)性變化。由于前方存在地質(zhì)異常體，巖性結(jié)構(gòu)較為松散，且整體強(qiáng)度和完整性較差，工作面處應(yīng)力集中現(xiàn)象較為嚴(yán)重，對(duì)煤壁開采的穩(wěn)定性不利，給工作面防突工作增加了難題。

3.2.2工作面回采過程中采場(chǎng)塑性區(qū)變化

根據(jù)摩爾庫倫理論，通過FLAC3D利用迭代法計(jì)算回采過程中采場(chǎng)變化特征，對(duì)比分析地質(zhì)異常體處(地質(zhì)異常體距離工作面最近的部位即X方向180 m處)在煤層開采過程中的塑性變化情況，以及對(duì)地質(zhì)異常體進(jìn)行注漿后再進(jìn)行回采的塑性區(qū)變化情況。異常體處和注漿后異常體處在煤層開采過程中的塑性變化分別如圖6和圖7所示。

(a) 工作面推進(jìn)80 m

(b) 工作面推進(jìn)130 m

(c) 工作面推進(jìn)180 m

(d) 工作面推進(jìn)230 m

(a) 工作面推進(jìn)80 m

(b) 工作面推進(jìn)130 m

(c) 工作面推進(jìn)180 m

(d) 工作面推進(jìn)230 m

對(duì)比分析圖6和圖7，可得以下結(jié)論。

1)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可知正常地質(zhì)情況下，底板破壞深度約20～40 m左右。由圖6可以發(fā)現(xiàn)，在工作面掘進(jìn)過程中，由于有地質(zhì)異常體的存在，煤層底板破壞深度約達(dá)50 m左右；隨著工作面回采掘進(jìn)，地質(zhì)異常體的破壞逐漸發(fā)展成上下貫通的導(dǎo)水裂隙通道，在過異常體后30 m處(步續(xù)7之后)，異常體基本已經(jīng)上下貫通，構(gòu)成導(dǎo)水通道。

2)由圖7可以看出，在對(duì)異常體進(jìn)行注漿處理后再開采的情況下，煤層底板破壞深度約在30 m左右，與正常地質(zhì)情況下的開采基本相同。對(duì)異常體的注漿加固處理，增大了此范圍內(nèi)的巖體力學(xué)參數(shù)，改變了原本松散的巖體結(jié)構(gòu)，異常體部位隨著開采掘進(jìn)也未發(fā)生上下貫通破壞的情況。

4 結(jié)論

基于昌恒煤焦9102工作面的水文地質(zhì)和工程地質(zhì)資料，在模擬T1異常體存在情況下，對(duì)9102工作面開采過程中應(yīng)力峰值的變化以及對(duì)塑性破壞等參數(shù)進(jìn)行分析，可得以下結(jié)論。

1)工作面超前應(yīng)力峰值增加且與距工作面距離表現(xiàn)為非協(xié)調(diào)變化，底板破壞加深異常體處將逐漸上下貫通破壞。破壞的地質(zhì)裂隙將變成導(dǎo)水通道，由于9102工作面巖溶富水性強(qiáng)，極有可能會(huì)發(fā)生突水隱患。

2)對(duì)地質(zhì)異常體注漿加固處理，改變了原松散結(jié)構(gòu)特性，將原本含、導(dǎo)水地質(zhì)異常體變成了阻隔水結(jié)構(gòu)，同時(shí)工作面底板的破壞深度減小。由于巖性結(jié)構(gòu)增強(qiáng)，對(duì)工作面回采的應(yīng)力峰值和距工作面距離也將趨于穩(wěn)定狀態(tài)。注漿后增大了煤層開采安全系數(shù)，提高了煤礦資源的回收率。