王劍敏

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)云崗礦，山西 大同 037000）

引言

煤巖體的力學(xué)平衡和開采面圍巖的水力學(xué)特性會隨著煤炭的開采而發(fā)生改變，進(jìn)而導(dǎo)致巖層變形，以及圍巖滲透性機(jī)制發(fā)生改變。因此，研究煤炭開采面中頂?shù)装鍑鷰r滲透性分布規(guī)律，是目前煤炭開采防治水領(lǐng)域迫切需要攻克的問題。

采動巖層的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及瞬時的應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)是復(fù)雜且未知的，因此在研究開采面圍巖滲透性分布規(guī)律方向時，起步探索會遇到瓶頸。但是，由于數(shù)值計(jì)算仿真方法可以模擬和探索工作面采煤時巖層變形和地下水流動情況，因此能夠觀察到煤炭開采過程中巖體的未知狀態(tài)，并由此總結(jié)出規(guī)律[1]。所以，本文以某礦井典型開采面為研究對象，基于有限差分法，建立了應(yīng)力-應(yīng)變-滲透性的三維耦合模型，進(jìn)而得到了采動圍巖應(yīng)力場和應(yīng)變場的分布情況，在此基礎(chǔ)上，對開采面圍巖滲透系數(shù)場分布情況進(jìn)行對比評價，最后獲得了圍巖滲透性分布規(guī)律。

1 圍巖滲透性分布的數(shù)值模型

為了探索煤礦開采面巖體滲透性分布規(guī)律，應(yīng)用FLAC3D 數(shù)值仿真軟件，對某礦區(qū)長壁綜采工作面回采進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算。首先，建立三維模型（圖1）。模型大?。ㄩL×寬×高）為400m×500m×180m。其次，確定其邊界條件：頂面不施加約束，底面約束垂直向的位移，其余各面約束水平向位移。選用Mohr-Coulumb來模擬圍巖本構(gòu)模型[1]，該模型包括96 000 個單元，103 090 個節(jié)點(diǎn)。

圖1 三維數(shù)值計(jì)算模型（單位：m）

2 開采面巖體應(yīng)力-應(yīng)變-滲透模型

巖石滲透性表現(xiàn)為應(yīng)變的函數(shù)[2-3（]見圖2），OA段為微裂隙閉合過程，AB 段為彈性變形階段，在這兩階段巖石的原生孔隙和裂隙經(jīng)常處于壓實(shí)狀態(tài)，進(jìn)而隨著應(yīng)力的提升巖石滲透率呈由大到小的變化；當(dāng)跨入塑性變形階段（BC 段）時，巖石超越彈性極限，逐步發(fā)生微破裂現(xiàn)象，此時巖石滲透率提高；當(dāng)應(yīng)力一直提升到極限強(qiáng)度D 點(diǎn)時，巖石發(fā)生破壞形成貫通裂隙，巖石的滲透率快速提升至最大滲透率；當(dāng)巖石超越峰值應(yīng)力后，巖石轉(zhuǎn)為應(yīng)變軟化階段DE 段，并且應(yīng)力與應(yīng)變成反比例變化；DE 至EF 表示巖石從應(yīng)變軟化轉(zhuǎn)變到殘余強(qiáng)度階段，在這個階段，應(yīng)力隨應(yīng)變的增加會趨向某一平穩(wěn)值。滲透系數(shù)K 的關(guān)系式為式（1）。

圖2 巖體應(yīng)力-應(yīng)變-滲透關(guān)系

式中：K0為初始滲透系數(shù)；Δμf為裂隙開度改變量；b為裂隙開度。

2.1 開采面圍巖應(yīng)力場分布

采空區(qū)的出現(xiàn)既會改變空間內(nèi)巖體垂直應(yīng)力，也會改變其水平應(yīng)力狀態(tài)。由第134 頁圖3 可知，在開采面前方，煤層頂?shù)装鍘r體垂直應(yīng)力存在前支承壓力區(qū)，包括原始應(yīng)力區(qū)、應(yīng)力緩慢提升區(qū)和應(yīng)力顯著提升區(qū)，開采面后方存在卸壓區(qū)：距離開采面向前90 m的位置，應(yīng)力保持穩(wěn)定；40 m～80 m 范圍內(nèi)，應(yīng)力緩慢升高；10 m～40 m 范圍內(nèi)，應(yīng)力隨采動的劇烈沖擊快速增大，在距煤壁10 m處出現(xiàn)最大支承壓力峰值，大小為初始值的四分之一倍；而在開采面后方采動卸壓頂?shù)装鍛?yīng)力表現(xiàn)為持續(xù)減小狀態(tài)，直至產(chǎn)生最小應(yīng)力值。

圖3 開采面推進(jìn)200 m 時圍巖應(yīng)力場分布圖（單位：MPa）

2.2 開采面圍巖應(yīng)變場分布

從圖4 可以看出，在回采面前方較淺處，上覆巖層開采時常會發(fā)生易受影響且明顯的拉伸變形，而在回采面后方，開采時垮落帶和剪碎帶常會發(fā)生易受影響且較明顯的拉伸變形；同時，在回采面的支承壓力區(qū)范圍內(nèi)，開采時常會存在易受影響且明顯的垂直壓縮變形；但是對于水平壓縮變形，既存在于支承壓力區(qū)內(nèi)，還會產(chǎn)生于整體移動帶內(nèi)。當(dāng)回采面處于推進(jìn)狀態(tài)時，易受采動影響的頂?shù)装鍘r體層應(yīng)變變化過程包括：采前壓縮—采后拉伸—重新壓縮，上述三種應(yīng)變狀態(tài)會跟隨開采面的推進(jìn)而反復(fù)呈現(xiàn)。

圖4 開采層頂部60 m 處巖層水平剖面應(yīng)變圖

3 開采面圍巖滲透性分布規(guī)律

開采后的煤層在不同方向上的圍巖滲透性存在一定的區(qū)別，與垂直方向滲透性相比，圍巖水平方向滲透性的提升區(qū)間和上升高度要高出許多。開采空間的正上方和對應(yīng)下方為圍巖水平方向滲透性的增加范圍，它的分布形狀為橢圓形，該上升區(qū)域的最大高度存在于開采空間中部的正上方。在開采空間的正上方和對應(yīng)下方還包含垂直方向滲透性的提升范圍，同時，在開采區(qū)邊界的斜上方和對應(yīng)下方30 m 處也存在垂直方向滲透性，其分布形狀為馬鞍形。與水平方向滲透性相比，垂直方向滲透性提升范圍的最大高度較低，常存在于開采空間兩側(cè)界線的斜上方，但是開采空間中間覆巖滲透性提升高度較小。當(dāng)煤層開采區(qū)與有水層處于主側(cè)相連時，采動巖體水平滲透性波動會造成地下水的流動；而當(dāng)煤層開采區(qū)與有水層處于上下布置時，采動巖體垂直滲透性波動會主導(dǎo)控制地下水的流動，由此可以得到通過判斷圍巖滲透性的分布規(guī)律可為煤炭挖掘地下水保護(hù)和煤礦防治水提供預(yù)警和理論支撐。

4 滲透性分布對比評價分析

根據(jù)滲透性對比實(shí)驗(yàn)可了解到水平和垂直兩種滲透性分布評價體系出現(xiàn)差別的底層原因，滲透性的提升空間存在區(qū)別。由應(yīng)力-滲透系數(shù)關(guān)系得到的滲透性提升范圍僅僅存在于回采面后方的冒裂帶內(nèi)；而依據(jù)應(yīng)變-滲透系數(shù)關(guān)系得到的滲透性提升范圍既存在于回采面后方的冒裂帶內(nèi)，還位于剪碎帶內(nèi)和回采面向前深度小于100 m 的淺部。

由于巖石的滲透系數(shù)常表現(xiàn)為變量，其會跟隨巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化而改變。同時在應(yīng)力-應(yīng)變過程中可以發(fā)現(xiàn)巖石滲透系數(shù)的變化規(guī)律為：彈性變形時，軸向應(yīng)力的升高會壓緊裂縫，從而導(dǎo)致滲透系數(shù)會在應(yīng)力提升時而降低，因此該階段的應(yīng)力-滲透系數(shù)方程可以明確展現(xiàn)滲透系數(shù)的改變情況。當(dāng)巖石發(fā)生塑性變形時，軸向應(yīng)力的增加會提高滲透性的值，而重復(fù)套用應(yīng)力-滲透系數(shù)方程不會正確展現(xiàn)滲透系數(shù)的改變。

5 結(jié)論

1）煤炭開采面圍巖滲透性提升區(qū)域要大于巖體破壞區(qū)域，相比垂直方向滲透性，圍巖水平方向滲透性的提升區(qū)間和上升高度比較高。圍巖水平方向滲透性的增加范圍形狀為橢圓形，該上升區(qū)域的最大高度存在于開采空間中部的正上方。

2）垂直方向滲透性的提升范圍形狀為馬鞍形，在開采區(qū)的正上、正下以及邊界的斜上下方存在垂直方向滲透性，相比水平方向滲透性，垂直方向滲透性提升范圍的最大高度較低，常存在于開采空間兩側(cè)界線的斜上方。

3）開采面圍巖滲透性與地質(zhì)情況和開采距離有關(guān)，當(dāng)開采面傾斜長度和采高提升時，垂向滲透性提升區(qū)域的最大高度呈指數(shù)型遞增。