孔曉東,楊本水

(安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院,安徽 合肥 230000)

隨著我國社會(huì)主義現(xiàn)代化國家的建設(shè),對(duì)于水文地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜的煤層進(jìn)行開采是不可避免的[1]。我國位于亞歐板塊與太平洋板塊交界處,由于兩板塊的地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)使得地下的地質(zhì)構(gòu)造更加復(fù)雜多樣,帶來的結(jié)果是我國煤礦水害問題相較于一般國家更為嚴(yán)重。水害礦難帶來的損失不僅是大數(shù)量的人員傷亡,相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)損失也是巨大的。同時(shí),事故發(fā)生后救援和煤礦恢復(fù)生產(chǎn)等方面的工作難度相較于其他常見的礦井災(zāi)害更大。此外,在涉及地下工程開挖的各行業(yè)部門,都不可避免的會(huì)面臨水害威脅,加之水害事故造成的危害較大,容易在社會(huì)上產(chǎn)生的巨大影響[3-6]。

近些年又有眾多學(xué)者采取多種方法對(duì)水體下煤層開采進(jìn)行了相關(guān)研究,包括運(yùn)用GIS對(duì)近松散含水層下煤層開采進(jìn)行安全性評(píng)價(jià);將相似材料模擬技術(shù)應(yīng)用到了水體下煤層開采時(shí)覆巖的變形、移動(dòng)、破壞規(guī)律的研究中,對(duì)水體下某一類地質(zhì)條件下煤層開采工作的可行性論證;運(yùn)用克里格差值法繪制采空區(qū)積水對(duì)開采煤層充水、潰砂和防塌的影響圖,對(duì)采區(qū)頂板復(fù)合水威脅程度進(jìn)行了具體研究;綜合導(dǎo)水裂隙帶影響因素,通過建立模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)測模型,研究工作面開采的可行性[7-9]。目前,我國實(shí)際工程中主要根據(jù)《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》中的經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)垮落帶和導(dǎo)水裂隙帶高度進(jìn)行計(jì)算[10],這些公式是我國劉天泉院士在統(tǒng)計(jì)各類條件下煤礦開采的實(shí)測數(shù)據(jù)后,總結(jié)出來的,能夠在一定程度上符合我國多類煤礦進(jìn)行水體下采煤的設(shè)計(jì)要求。在此規(guī)范中按照?qǐng)?jiān)硬、中硬、軟弱、極軟弱等類型對(duì)煤層覆巖的巖性進(jìn)行了劃分,并運(yùn)用多種不同的統(tǒng)計(jì)經(jīng)驗(yàn)公式(僅含煤層采厚參數(shù))進(jìn)行垮落帶和導(dǎo)水裂隙帶高度的預(yù)計(jì)[10]。因此在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上本文構(gòu)造了較為全面的煤礦工作面采前防治水安全性評(píng)價(jià)體系。

1 工程概況

1.1 工作面概況

錢營孜煤礦坐落于安徽省宿州市,屬宿縣礦區(qū)。錢營孜煤礦井田經(jīng)計(jì)算總體面積約為50.0 km2。W3233工作面在錢營孜煤礦西三采區(qū)中部。其上鄰W3232工作面,下鄰F51逆斷層(斷層落差30～170 m),切眼靠近F22正斷層。工作面機(jī)巷設(shè)計(jì)長度約3 064 m,標(biāo)高-590～-340 m,方位角為30°;風(fēng)巷設(shè)計(jì)長度約3 185 m,標(biāo)高-490～-280 m;切眼設(shè)計(jì)長度約272 m,工作面最高點(diǎn)頂板標(biāo)高-268.66 m,基巖面標(biāo)高為-195.86～-224.66 m。W3233工作面內(nèi)煤厚1.06～5.76 m,平均值為3.47 m,煤層傾角10°～28°,平均值為15°。經(jīng)計(jì)算工作面范圍內(nèi)的煤碳儲(chǔ)量約403萬t,實(shí)際可采的煤炭儲(chǔ)量約383萬t。

1.2 水文地質(zhì)條件

根據(jù)西三采區(qū)水文地質(zhì)資料與鉆探取芯、測井資料綜合分析得出第四含水層底板埋深為197.89～252.28 m,平均230.70 m,厚度0～17.20 m,平均6.20 m。由于古地形的影響“四含”沉積厚度變化幅度明顯,古地形低洼處與采區(qū)中部29、29～30、35勘查線附近沉積厚度大?！八暮苯M成成分多樣,主要由含泥質(zhì)中細(xì)砂、砂礫、粘土礫石組成,其間夾有1～3層薄層狀粘土夾礫石、砂質(zhì)粘土、鈣質(zhì)粘土等。據(jù)29-30-2、26-1、34B1、DB1和錢營孜煤礦5個(gè)水位長觀孔抽水鉆孔的抽水試驗(yàn)資料顯示:“四含”靜止水位標(biāo)高6.173～22.14 m,最大降深S=38.60～69.06 m,Q=0.027～0.183l/s,統(tǒng)一折算后q=0.000 159 1～0.012 35 l/s·m,k=0.000 434 5～0.045 57 m/d。水質(zhì)PH值范圍在7.9～8.27,礦化度0.204～0.368 g/l,全硬度9.37～212.81 mg/l,表明采區(qū)第四含水層富水性較弱,對(duì)工作面開采沒有威脅。

2 數(shù)值模擬設(shè)計(jì)

此次數(shù)值模擬以研究W3233工作面煤層開采覆巖破壞移動(dòng)演化規(guī)律及“兩帶”高度發(fā)育為主,使用FLAC3D自帶的Extrusion建立幾何尺寸為400 m×350 m×200 m的模型,煤層傾角為15°,把模型劃分從頂部第1層到底部第15層共15層巖層,共134 630個(gè)單元,1 613 520個(gè)節(jié)點(diǎn)。x方向?yàn)槊簩幼呦?y方向?yàn)槊簩觾A向,模型如圖1所示,模型中巖石力學(xué)參數(shù)見表1。

圖1 模型

表1 巖石力學(xué)參數(shù)

模型兩側(cè)各留40 m煤巖柱,工作面切眼處距上部松散含水層距離為44 m,煤層高度取工作面最大采高4.0 m,工作面寬度取270 m。在初始模型建立以后,需要設(shè)置該模型的邊界條件,使該模型的四周及底面邊界受約束不產(chǎn)生位移,其目的是讓數(shù)值模擬過程更符合實(shí)際,實(shí)際方法為控制約束邊界在x、y、z三個(gè)方向上的位移和速度均為0,鑒于本次模型并未建立到地表,工作面上部僅僅取到松散層部分高度,因此,模型頂部邊界不受約束,模型受重力荷載作用,重力加速度為g=9.8 m/s2。設(shè)置松散層的下部巖層水流飽和度為0,四周為隔水邊界。邊界條件設(shè)定后,設(shè)定豎向替代荷載3.81 MPa作用在模型頂部。本此模擬開挖長度240 m,模擬推進(jìn)速度為5 m/d,通過分析工作面應(yīng)力、位移云圖及塑性破壞區(qū)進(jìn)行兩帶高度預(yù)測,并研究煤層采動(dòng)對(duì)上覆含水層的影響。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 采動(dòng)后豎向應(yīng)力分析

煤層掘進(jìn)不同距離垂直應(yīng)力云圖如圖2 所示,可以觀察到工作面推進(jìn)過程中覆巖豎向應(yīng)力的變化及分布情況,整體而言應(yīng)力分布情況相對(duì)穩(wěn)定,應(yīng)力在采空區(qū)頂?shù)装逯苓叧省皺E圓形”分布,采空區(qū)兩端出現(xiàn)數(shù)值較大應(yīng)力集中,隨著工作面推進(jìn)采空區(qū)變大,但橢圓形的分布與采空區(qū)兩端應(yīng)力集中并未改變。松散含水層部分豎向應(yīng)力集中程度小,應(yīng)力集中區(qū)主要分布在采空區(qū)附近,含水層部分基本沒有應(yīng)力集中的現(xiàn)象。

(a) 60 m

(b) 120 m

(c) 180 m

(d) 240 m圖2 煤層掘進(jìn)不同距離垂直應(yīng)力云圖(單位:Pa)

3.2 塑性區(qū)數(shù)值模擬結(jié)果分析

具體的數(shù)值模擬過程中,隨著挖掘深度不斷加大采空區(qū)逐漸變大,塑性破壞區(qū)的范圍也逐漸變大,這意味著工作面覆巖開始出現(xiàn)破壞。推進(jìn)塑性破壞區(qū)如圖3所示,可以看出:工作面推進(jìn)前方煤層的直接頂板破壞范圍較小,而后方頂板的塑性破壞區(qū)破壞范圍逐漸變大,最終頂板垮落,但并不影響推進(jìn)前方煤層的開采。

(a) 推進(jìn)60 m

(b) 推進(jìn)120 m

(c) 推進(jìn)180 m

(d) 推進(jìn)240 m圖3 推進(jìn)塑性破壞區(qū)示意

3.3 豎向位移分析

采動(dòng)后頂?shù)装逦灰圃茍D如圖4所示,可以看出:隨著采空區(qū)增大,頂板的豎向位移也在逐漸增大,到工作面推進(jìn)至200 m時(shí)工作面頂板中心區(qū)域向下位移9.34 cm;而工作面底板向上突起,出現(xiàn)向上的位移,當(dāng)位移增長到一定距離后基本不在變化,最大工作面掘進(jìn)至240 m時(shí)向上位移為5.26 cm,位移較小。根據(jù)位移變化圖形可以看出,每次工作面推進(jìn)都會(huì)形成一個(gè)位移帶。采空區(qū)上部含水層在工作面推進(jìn)至60 m時(shí)開始出現(xiàn)明顯的位移,從豎向方向來看距離采空區(qū)越遠(yuǎn)含水層的位移越小,從橫向方向來看超過采空區(qū)一定范圍后,上部含水層不再產(chǎn)生位移,且工作面推進(jìn)產(chǎn)生的位移較小,可以證明煤層的采動(dòng)對(duì)上部“四含”的影響小,現(xiàn)設(shè)計(jì)留設(shè)的防砂煤巖柱高度合理,可以實(shí)現(xiàn)安全開采。

(a) 推進(jìn)60 m

(b) 推進(jìn)120 m

(c) 推進(jìn)180 m

(d) 推進(jìn)240 m圖4 采動(dòng)后頂?shù)装逦灰圃茍D

4 結(jié)論

1) 首先使用FLAC3D模擬了推進(jìn)速度為5 m/d的全過程,模擬中工作面推進(jìn)過程頂板位移呈上升趨勢,位移與推進(jìn)距離呈正比,且呈現(xiàn)線性關(guān)系,最大垮落帶高度為28.08 m,并未波及到上部含水層。

2) 采用“三下”采煤規(guī)范計(jì)算,確定計(jì)算煤厚為4.0 m,W3233工作面的垮落帶高度范圍為8.4～11.6 m,裂隙帶高度范圍為26.9～46.0 m,垮采比范圍為2.09～3.20,裂采比范圍為6.63～12.0,最大防砂煤巖柱高度為24.8 m。

3) W3233工作面最大垮落帶高度為11.88～13.32 m,裂隙帶厚度范圍為45.40～49.96 m,最大防砂煤巖柱高度為25.32 m的結(jié)論。

綜上所述,結(jié)果顯示留設(shè)44 m防砂煤柱高度大于預(yù)測的“兩帶”及需留設(shè)的防砂煤巖柱高度,W3233工作面采后垮落帶不會(huì)波及到“四含”,且底板破壞深度不會(huì)延伸至K3砂巖含水層,故工作不會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重水害。