汪 鑫，王偉中，饒 傳，翟 封

（1.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400039；2.新疆地質(zhì)災(zāi)害防治重點實驗室(新疆工程學(xué)院)，烏魯木齊 830000）

華東、華北許多礦區(qū)淺部煤層上覆巖層厚度在0～60 m，其覆巖具有厚度薄、強(qiáng)度低、風(fēng)化程度高、裂隙發(fā)育等特征，導(dǎo)致淺部煤層開采面臨突水潰砂的威脅[1]。目前由于缺乏對相關(guān)地質(zhì)條件下水砂突涌機(jī)制的研究，傳統(tǒng)理論方法已經(jīng)很難適應(yīng)對近松散層煤層開采水砂突涌發(fā)生的評價，本文采用數(shù)值模擬建立地質(zhì)模型對水砂突涌進(jìn)行預(yù)測[2-4]。

1 研究區(qū)概況

袁二煤礦72310 工作面72 煤層厚1.8～4.6 m，煤層傾角9°～24°，淺部煤層露頭為隱伏露頭，上覆蓋層為新生界松散層，厚度為202.5～309.4 m，平均262 m。新生界松散層分為3 個隔水層和4 個含水層，其中第三隔水層（以下簡稱“三隔”）厚度43.1～67.75 m，平均厚度51.72 m，分布穩(wěn)定，隔絕了第四含水層（以下簡稱“四含”）與上覆第三含水層及以上含水層的水力聯(lián)系。

“四含”厚度8.4～9.9 m，平均9.18 m，巖土體性質(zhì)為砂礫、粘土夾礫石、粗砂及粘土質(zhì)砂等，其間夾有0～4 層薄層狀粘土。單位涌水量為0.002 12～0.015 14 L/(s.m)，K=0.000 7～0.11 m/d，為弱富水性含水層。

2 “四含”土體特征與滲透破壞類型

2.1 “四含”土體特征

2.1.1 “四含”巖性分析

“四含”巖性為砂礫、細(xì)砂、粘土夾礫石、粗砂及粘土質(zhì)砂等組成，其間夾有0～4 層薄層狀粘土、砂質(zhì)粘土、鈣質(zhì)粘土。

圖1 含粘土細(xì)砂，“四含”

1）“四含”粘土為褐黃色，局部含少許粉砂且分布不均，含少量鐵錳質(zhì)結(jié)核，具粘性和可塑性，半固結(jié)。

2）“四含”細(xì)砂為棕褐- 棕黃色，細(xì)粒，分選性中等，半固結(jié)，致密。

3）“四含”礫石深灰色，局部夾褐黃色，成分以灰?guī)r為主，次為長石石英砂巖，礫徑3～8 cm，次棱角狀、次圓狀，堅硬，松散。

2.1.2 “四含”粗細(xì)顆粒含量分析及顆粒級配

“四含”細(xì)砂中細(xì)粒含量約占32%，砂粒含量約占68%；“四含”礫石中細(xì)粒含量約占17%，砂粒含量約占49%，礫粒含量約占34%。工作面“四含”細(xì)砂Cu=12.8，Cc=1.02；礫石Cu=120，Cc=2.89，故“四含”砂層屬于級配良好的土，滲透性差。

表1 “四含”土體顆粒含量與級配

2.2 “四含”土體破壞類型

根據(jù)《煤礦防治水細(xì)則解讀》：“厚度大于0.25 m的粉砂細(xì)層，砂土的孔隙率大于43%，含水率高，土的組成中粉砂含量大于75%”[7]和“四含”土體顆粒含量與級配，“四含”土的組成中粉砂含量小于75%，不滿足《煤礦防治水細(xì)則解讀》中涌水潰砂條件。

根據(jù)“四含”土體顆粒含量與級配細(xì)砂中細(xì)粒含量32%，“四含”細(xì)砂屬于不均勻不連續(xù)的過渡型土；礫石中細(xì)粒含量17%，屬于不均勻不連續(xù)管涌土。根據(jù)“四含”巖土體性質(zhì)，不易發(fā)生潰砂。

3 采動裂隙平面分布及臨界水力坡度確定

3.1 采動裂隙平面分布

3.1.1 導(dǎo)水裂隙帶高度計算

本次理論計算導(dǎo)水裂隙帶公式依據(jù)為2017 年國家煤礦安全監(jiān)察局《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》[5]和《煤礦防治水細(xì)則解讀》[7]。

導(dǎo)水裂隙帶計算公式：

式中：H為導(dǎo)水裂隙帶高度，m；M為工作面煤層采厚，m。

計算結(jié)果如下：

表2 理論計算導(dǎo)水裂隙帶高度

根據(jù)2 個公式預(yù)測導(dǎo)水裂隙帶高度為36.22～63.09 m。

3.1.2 導(dǎo)水裂隙帶高度數(shù)值模擬

FLAC3D數(shù)值模擬判斷導(dǎo)水裂隙帶高度的判據(jù)有塑性區(qū)和應(yīng)力2 種。應(yīng)力判據(jù)時根據(jù)該點的應(yīng)力狀態(tài)來判斷其是否破壞；塑性區(qū)判據(jù)是塑性區(qū)發(fā)育高度可以反映導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度。

1）參數(shù)選取。依據(jù)巖石力學(xué)參數(shù)數(shù)據(jù)，并根據(jù)相鄰工作面導(dǎo)水裂隙帶實測值進(jìn)行參數(shù)校正，綜合確定工作面巖體力學(xué)參數(shù)。

表3 巖土力學(xué)參數(shù)

2）建立模型。根據(jù)工作面煤層底板等高線圖及鉆孔、勘探線，建立了三維地質(zhì)模型。X、Y、Z 方向為走向、傾向、鉛直，分別為850 m×450 m×400 m，采空部分使用零單元模擬。

圖2 地質(zhì)模型

3）模型運(yùn)行。結(jié)合模擬過程中應(yīng)力、位移等特征分析，當(dāng)工作面回采130、220 m 時，導(dǎo)水裂隙帶波及基巖風(fēng)化帶和“四含”；工作面全部回采完塑性區(qū)出現(xiàn)頂板破壞產(chǎn)生的剪應(yīng)力，剪切破碎帶鉛直范圍和預(yù)測裂隙帶高度值相近，約51 m，裂采比11.09。

圖3 全回采塑性區(qū)圖

圖4 全回采應(yīng)力云圖

3.1.3 采動裂隙帶分布

地表下沉盆地的形狀和位置取決于采空區(qū)的形狀和煤層傾角。在地表下沉盆地內(nèi)，不同位置的移動和變形性質(zhì)且大小各異，超充分采動時形成的地表下沉盆地可劃分為3 個區(qū)域：中性區(qū)域、壓縮區(qū)域、拉伸區(qū)域[8]。

針對工作面實際情況及“兩帶”發(fā)育情況繪制出工作面“兩帶”平剖面分布圖。“兩帶”尤其拉伸區(qū)域波及基巖風(fēng)化帶與“四含”為礦井涌水與潰砂的提供通道。

圖5 工作面采動裂隙平面分布圖

3.2 臨界水力坡度確定

考慮到砂層具有一定的粘結(jié)程度，采用扎馬林公式[6]：

式中：γs為土粒容重，N/m3；Γ為水的容重，N/m3；N為孔隙率，n=e/(1+e)；E 為孔隙比，取0.6。

根據(jù)公式計算，確定“四含”潰砂臨界水力坡度Jcr=1.28。

4 數(shù)值模擬預(yù)測實際水力坡度

4.1 建立模型

4.1.1 概念模型

由于工作面的邊界是人為劃定的邊界，為非自然邊界。根據(jù)鉆探、物探、水文地質(zhì)資料，斷層未對松散層“四含”造成影響，即采區(qū)邊界設(shè)置為流量邊界。模型頂部為砂質(zhì)粘土類隔水層（三隔），底部邊界為煤層底板以下50 m 泥巖隔水層，在模型中均概化為隔水邊界。

根據(jù)模擬區(qū)內(nèi)施工鉆孔資料（勘探線），去除或修正異常點相關(guān)數(shù)據(jù)，得到區(qū)內(nèi)各模型層的底板標(biāo)高離散點數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上采用反距離加權(quán)插值方法生成地質(zhì)模型。

圖6 采區(qū)地層模型

4.1.2 數(shù)學(xué)模型

研究區(qū)域內(nèi)地下水為非穩(wěn)定流運(yùn)動，采用三維滲流數(shù)學(xué)模型進(jìn)行有限差分法求解[9]。

式中：H為水頭高度，H；K為滲透系數(shù)，m/d；S為彈性釋水率；W為補(bǔ)給量；t為時間變量。

4.1.3 幾何模型

根據(jù)Visual MODFLOW 的要求，采用等間距有限差分的離散方法對含水介質(zhì)進(jìn)行剖分，根據(jù)本區(qū)滲透介質(zhì)空間分布特點，為了盡可能真實地反映巖層中地下水的滲流狀況，在滿足模擬精度的前提下，建立網(wǎng)格單元為50×50×4，模型單元格總數(shù)10 000。

4.2 模型校驗

模型校驗是檢驗所建計算機(jī)數(shù)值模型在模擬期受各種因素影響下地下水動力場時空分布與實測值時空分布的一致性，從而確定水文地質(zhì)參數(shù)。

參數(shù)反演采用已回采的相鄰工作面放水試驗進(jìn)行模型識別與調(diào)試。以本次放水試驗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，經(jīng)過反復(fù)調(diào)整與試算，使計算的水位值與實測的水位值之差最小，從而達(dá)到數(shù)值仿真的目的。模型調(diào)試后，觀1 孔地下水位與時間擬合曲線如下。

圖7 曲線反映了工作面疏放水時造成觀1 孔水位隨時間持續(xù)下降約1 m?；谏鲜鰯?shù)據(jù)導(dǎo)入excel軟件，生成觀1 孔水位歷史擬合曲線圖（圖8），對觀1孔在相鄰工作面回采實際水位與時間進(jìn)行線性回歸，回歸方程為y = -0.0393x+2.9679，擬合系數(shù)R2=0.967 1；再對軟件模擬水位與時間進(jìn)行線性回歸，回歸方程為y=-0.034 3x+2.955，擬合系數(shù)R2=0.886 8。2 條擬合曲線趨勢一致，故數(shù)值模擬值與實測值趨勢基本一致，該模型可用于模擬“四含”流場變化規(guī)律。

圖7 觀1 孔模擬與實測水位歷史曲線

圖8 觀1 水位歷史擬合曲線圖

4.3 模型運(yùn)行

結(jié)合Visual MODFLOW 模擬結(jié)果和采動裂隙平面分布成果，確定導(dǎo)水裂隙帶影響范圍內(nèi)的水力坡度。

根據(jù)圖9、圖10，通過對導(dǎo)水裂隙帶范圍內(nèi)“四含”水位變化進(jìn)行涌水潰砂判別：

表4 “四含”涌水潰砂判別依據(jù)

圖9 回采130、220 m 時導(dǎo)水裂隙帶范圍內(nèi)水位變化

圖10 全回采時導(dǎo)水裂隙帶范圍內(nèi)水位變化

當(dāng)回采130、220 m 時，預(yù)測水力坡度為0.4、0.64，均小于臨界水力坡度；工作面482 m 全部回采時，預(yù)測水力坡度0.8，仍然小于臨界水力坡度。說明工作面回采過程中水力坡度不斷增大，直至全部回采結(jié)束達(dá)到最大值0.8，仍小于臨界水力坡度1.28，工作面回采不易潰砂。

5 結(jié) 論

1）根據(jù)扎馬林公式計算工作面臨界水力坡度為1.28；

2）根據(jù)Moflow 模擬結(jié)果，工作面回采期間實際水力坡度呈現(xiàn)增大的趨勢；

3）預(yù)測工作面全部回采結(jié)束后，導(dǎo)水裂隙帶影響范圍內(nèi)實際水力坡度達(dá)到最大值為0.8 m，仍小于臨界水力坡度1.28，說明工作面回采不易潰砂。