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        石泉煤礦30105 工作面開采過X4 陷落柱模擬分析

        2022-12-10 07:48:56徐洪濤
        山東煤炭科技 2022年11期
        關(guān)鍵詞:裂紋

        徐洪濤

        (山西石泉煤業(yè)有限責(zé)任公司,山西 長治 046200)

        我國華北煤田廣泛發(fā)育的巖溶陷落柱構(gòu)造通常以隱伏形式存在,其特殊的工程地質(zhì)水文地質(zhì)特征,嚴重威脅著煤炭資源安全高效開采[1-5]。由于陷落柱屬于隱伏垂向構(gòu)造,其導(dǎo)致的突水災(zāi)害具有隱蔽性、突發(fā)性且導(dǎo)通豐富巖溶地下水等特點,對煤礦安全生產(chǎn)、環(huán)境及當?shù)厝嗣裆钗:O大[6-8]。陷落柱突水事故受諸多因素影響,既有自然因素也有開采因素,因此在煤層開采過程中,陷落柱的穩(wěn)定性研究成為不可缺少部分[9-10]。因此,本文利用FRACOD模擬軟件,對30105 工作面在走向、傾向方向開采過程中陷落柱的穩(wěn)定性及突水危險性進行研究。

        1 30105 工作面概況

        山西石泉煤礦30105 綜放工作面地面位于夏店鎮(zhèn)九龍村西側(cè),井下位于301 采區(qū)南部,北面為301 采區(qū)大巷,南面為DF4 正斷層,西面為實煤區(qū),東面為301 采區(qū)邊界與井田邊界,井田內(nèi)奧灰水水位標高在+636.87~+651 m 之間。X4 陷落柱所在的30105 工作面煤層底板標高最小值為390 m,而X4 陷落柱對應(yīng)煤層底板標高是390~580 m,因此,30105 工作面為受奧灰承壓水威脅的工作面,需要在30105 工作面開采期間對X4 陷落柱的穩(wěn)定性進行分析。

        2 模型創(chuàng)建

        本文重點研究30105 工作面推進過程中X4 陷落柱附近導(dǎo)水裂隙演化過程、應(yīng)力場和位移場分布規(guī)律。由圖1 可知,X4 陷落柱的隔水段在此煤層底板以下的厚度大于100 m。

        圖1 30105 工作面研究區(qū)域劃分

        基于上述工程背景,創(chuàng)建的30105 工作面走向開挖模型(AA`切面),創(chuàng)建的30105 工作面傾向開挖模型(BB`切面),同時模型包括陷落柱和奧陶系灰?guī)r巖溶含水層。

        3 模擬結(jié)果分析

        3.1 30105 工作面走向方向模擬結(jié)果分析

        (1)工作面開采距陷落柱30 m

        圖2 為30105 工作面開采距陷落柱30 m 數(shù)值模擬結(jié)果,依次為陷落柱裂紋分布特征、垂直方向位移分布云圖、最大主應(yīng)力分布云圖和FoS 破壞區(qū)分布圖。

        圖2 30105 工作面開采距陷落柱30 m 數(shù)值模擬結(jié)果

        由陷落柱裂紋分布特征可知,受工作面應(yīng)力開采擾動的影響,在工作面頂?shù)装逄庨_始發(fā)生大裂紋,底板裂紋主要集中在底板破壞帶內(nèi),頂板出現(xiàn)大面積的裂紋。與此同時,陷落柱靠近工作面一側(cè)裂紋起裂并向巷道方向傳播。從圖中可以清晰地發(fā)現(xiàn),陷落柱其他區(qū)域沒有出現(xiàn)裂紋的擴展和貫通,陷落柱整體保持完整性,受開采擾動,水流不會沿著裂隙而發(fā)生導(dǎo)升,不具有活化突水的可能性。

        由垂直方向位移分布云圖可以看出,工作面附近圍巖位移的最大值產(chǎn)生于頂板處,形成了大面積的垮落。陷落柱隔水段在煤層上方區(qū)域出現(xiàn)了大面積的位移,說明局部區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)力集中超過了陷落柱的承載能力,產(chǎn)生局部的變形。從圖中可以發(fā)現(xiàn),變形值較大的區(qū)域位于煤層上方,煤層下方底板巖層內(nèi)的陷落柱并沒有受到大范圍的影響,含水層未產(chǎn)生大范圍的變形,說明底板完整巖層可起到有效阻隔作用,不具備發(fā)生突水的危險性。由最大主應(yīng)力分布云圖和FoS 破壞區(qū)分布圖可以清楚地看出,開挖擾動主要影響采場圍巖,對陷落柱的影響比較小。綜合30105 工作面開采距陷落柱30 m數(shù)值模擬結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),30105 工作面在開采至陷落柱30 m距離時,陷落柱不具有活化突水的可能性。

        (2)工作面穿過陷落柱

        圖3 為30105 工作面穿過陷落柱數(shù)值模擬結(jié)果,依次為陷落柱裂紋分布特征、總位移分布云圖、最大主應(yīng)力分布云圖和聲發(fā)射事件分布圖。

        圖3 30105 工作面穿過陷落柱數(shù)值模擬結(jié)果

        30105 工作面開采進入陷落柱后,局部區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)力集中超過了巖石的承載能力,造成陷落柱內(nèi)部裂紋的起裂和擴展,陷落柱上方的巖體形成了大范圍的裂紋網(wǎng),陷落柱主溶洞裂紋在原有裂紋上發(fā)生擴展,向工作面方向擴展。煤層底板30 m 左右范圍內(nèi)的陷落柱裂紋發(fā)生擴展貫通,表明開采擾動僅影響底板30 m 范圍內(nèi)巖層的阻水能力,下方含水層內(nèi)高壓水沒有通道貫通裂隙導(dǎo)入工作面。由最大主應(yīng)力分布云圖和聲發(fā)射事件分布圖可以看出,陷落柱在一定程度上受到工作面開采的影響,主要表現(xiàn)在陷落柱內(nèi)部原生裂隙的區(qū)域性的聲發(fā)射事件的產(chǎn)生,沒有形成大范圍的事件疊加,因此,受開采影響范圍外的陷落柱整體保持完整性,水流不會沿著裂隙而發(fā)生導(dǎo)升,陷落柱活化突水可能性較小。

        (3)工作面開采過陷落柱30 m

        圖4 為30105 工作面采過陷落柱30 m 數(shù)值模擬結(jié)果,依次為陷落柱裂紋分布特征、總位移分布云圖、最大主應(yīng)力分布云圖和聲發(fā)射事件分布圖。

        圖4 30105 工作面開采過陷落柱30 m 數(shù)值模擬結(jié)果

        30105 工作面開采過陷落柱30 m 后,煤層底板30 m 范圍以上的陷落柱應(yīng)力集中造成陷落柱內(nèi)部裂紋的起裂和擴展,該部分陷落柱形成了大范圍的裂紋網(wǎng)。由最大主應(yīng)力分布云圖和聲發(fā)射事件分布圖可以看出,陷落柱內(nèi)部原生裂隙的區(qū)域性的聲發(fā)射事件的產(chǎn)生,沒有形成大范圍的事件疊加,因此,受開采影響范圍外的陷落柱整體保持完整性,水流不會沿著裂隙而發(fā)生導(dǎo)升。

        3.2 30105 工作面傾向方向模擬結(jié)果分析

        圖5 為30105 工作面傾向方向穿過陷落柱數(shù)值模擬結(jié)果,依次為陷落柱裂紋分布特征、總位移分布云圖、最大主應(yīng)力分布云圖和聲發(fā)射事件分布圖。

        圖5 30105 工作面傾向方向模擬結(jié)果分析

        由最大主應(yīng)力分布云圖和聲發(fā)射事件分布圖可以看出,開挖擾動主要影響采場圍巖,陷落柱上部巖體繼續(xù)塌陷,煤層下方影響范圍35 m,小于煤層距離含水層的厚度,所以整體失穩(wěn)范圍未波及含水層。采場圍巖和陷落柱正應(yīng)力的變化較為復(fù)雜,裂紋的產(chǎn)生、擴展和貫通小范圍的出現(xiàn)在30105 工作面的下順槽上部,即開采進入陷落柱的區(qū)域。

        綜合30105 工作面傾向方向數(shù)值模擬結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),工作面開采后隔水層上方陷落柱受開采擾動范圍在35 m,擾動范圍外陷落柱整體結(jié)構(gòu)完整,裂隙不發(fā)育,同時,30105 底板以下隔水段厚度大于100 m,因此30105 工作面過X4 陷落柱開采不會發(fā)生突水事故。

        4 結(jié)論

        (1)對30105 工作面在走向方向上建立模型并利用FRACOD 模擬軟件進行數(shù)值分析。模擬結(jié)果表明:工作面開采距陷落柱30 m 時,在工作面開采擾動的影響下,工作面頂?shù)装彘_始出現(xiàn)裂紋并開始擴展,工作面周圍巖層產(chǎn)生移動,但影響范圍有限,在工作面距陷落柱30 m 時,不具有活化突水的可能性;工作面穿過陷落柱時,陷落柱上方產(chǎn)生較大范圍的裂紋,底板30 m 左右范圍內(nèi)的陷落柱裂紋發(fā)生擴展貫通,但受開采影響范圍外的陷落柱整體保持完整性,水流不會沿著裂隙而發(fā)生導(dǎo)升,陷落柱活化突水可能性較小;工作面過陷落柱30 m時,煤層底板30 m 范圍以上的陷落柱會因開采應(yīng)力擾動產(chǎn)生大范圍的裂紋網(wǎng),但開采影響范圍外的陷落柱整體性未受到破壞,所以發(fā)生陷落柱活化突水的可能性仍較小。

        (2)對30105 工作面在傾向方向上建立模型并利用FRACOD 模擬軟件進行數(shù)值分析。模擬結(jié)果表明:在工作面傾向方向上,受開采擾動的影響,陷落柱上部巖體塌陷,煤層下方影響范圍在35 m,開采影響未波及到含水層,所以由開采擾動引起的圍巖失穩(wěn)不會造成陷落柱的活化突水。

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