采場底板陷落柱滲流突水?dāng)?shù)值模擬

張川牛 狄超然 萬 芬

(1.山西壽陽段王煤業(yè)集團(tuán)有限公司；2.武漢地大華睿地學(xué)技術(shù)有限公司)

巖溶陷落柱廣泛發(fā)育在我國華北地區(qū)，是一種特殊的隱伏型地質(zhì)構(gòu)造，其誘發(fā)的突水具有突發(fā)性、隱蔽性、突水量大等特點(diǎn)[1]，嚴(yán)重威脅煤礦安全生產(chǎn)。陷落柱作為一種強(qiáng)導(dǎo)水通道，常導(dǎo)致奧陶系灰?guī)r突水事故，已經(jīng)造成我國多次淹工作面和淹井災(zāi)害。因此，研究陷落柱突水規(guī)律對預(yù)防煤礦突水事故的發(fā)生尤為重要[2]。

1 工作面概況

某礦31102西工作面埋深為658～690 m，工作面寬150 m，煤層厚1.5～5.2 m。工作面底板以泥巖、粉砂巖、細(xì)砂巖為主，距煤層底板90 m處為奧灰含水層，水壓為5～7 MPa。根據(jù)物探和鉆探結(jié)果，現(xiàn)已查明煤層底板有一小型陷落柱(1#)，陷落柱平均半徑為40 m，高約60 m，呈倒漏斗形，陷落柱頂端距煤層大約30 m。因此，沿工作面推進(jìn)極有可能發(fā)生底板突水事故。

2 數(shù)值模型的建立

采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立模型，尺寸為500 m×300 m×220 m，煤層厚5 m，模型底部為承壓水含水層，其上為隔水層，距煤層底板30 m處有一圓臺(tái)狀陷落柱，陷落柱頂部直徑為10 m，底部直徑為70 m，高60 m。數(shù)值計(jì)算模型見圖1。模型約束底部垂直方向的位移，約束左右兩邊水平方向的位移。原點(diǎn)定在模型底部中心位置，煤層走向?yàn)閤方向。設(shè)煤層的埋藏深度為700 m，采用等效載荷代替底部壓力，取上覆巖層平均密度ρ=2 600 kg/m3。底部承壓水含水層壓力為固定值(6 MPa)。模型中各巖層的巖石物理力學(xué)參數(shù)見表1[3]。

圖1 三維數(shù)值模型(沿陷落柱軸線)

巖層名稱總厚度/m密度/(kg/m3)彈性模量/GPa泊松比內(nèi)聚力/MPa抗拉強(qiáng)度/MPa內(nèi)摩擦角/(°)滲透系數(shù)K/md-1細(xì)砂巖502630280.288.23.2300.20泥巖402500220.308.52.0320.15中砂巖402600260.308.32.2300.18粉砂巖452580280.258.73.3270.20煤層5120040.301.41.5280.15含水層403000180.115.75.1380.40陷落柱1700270.400.90.2311.00

3 測點(diǎn)布置

煤層底板布置5條測線，觀測線以觀測點(diǎn)的形式給出。測點(diǎn)沿x軸方向即煤層走向-70，-35，0，35，70 m均布；沿y軸方向-60～60 m均布5個(gè)測點(diǎn)；沿z軸方向?yàn)?25 m高度，見圖2。沿陷落柱剖面周邊均勻布置9個(gè)測點(diǎn)，見圖3。

圖2 底板測線布置

圖3 陷落柱周邊測點(diǎn)布置

4 模擬過程

(1)工作面長度分別取140，120，100，80，60 m，從x=-100 m沿煤層走向推進(jìn)，步距為10 m，采用全部垮落法管理頂板。

(2)工作面長度取100 m，從x=-100 m沿煤層走向推進(jìn)，步距為10 m，回采后充填，開挖下一步時(shí)對上一步進(jìn)行充填[4]。

5 工作面不同回采情況下模擬結(jié)果分析

5.1 工作面回采過程

圖4為開挖前孔隙壓力云圖。可以看出，開挖前，含水層承壓水導(dǎo)升高度為5 m，陷落柱周邊滲流寬度為7 m。隨著工作面的推進(jìn)，煤層底板和陷落柱周邊塑性區(qū)范圍不斷加大，煤層底板塑性破壞向深部發(fā)育，底板受到張力和剪切力的作用(圖5)，對應(yīng)左側(cè)力學(xué)狀態(tài)圖標(biāo)，結(jié)合2章節(jié)模型建立時(shí)模塊大小(模塊高度為5 m)可知，當(dāng)工作面開挖140 m時(shí)，煤層底板塑性破壞深度達(dá)35 m左右，陷落柱周邊破壞帶寬10 m左右，陷落柱周邊水壓由4.5 MPa減小到1.0 MPa，底板層壓水得以釋放，壓力明顯減小，表明底板塑性破壞帶和陷落柱周邊破壞帶發(fā)生對接，底板二次發(fā)育的節(jié)理構(gòu)造形成導(dǎo)水通道，導(dǎo)致承壓水沿破壞帶向采空區(qū)涌入，引發(fā)工作面突水事故。

圖4 開挖前孔隙壓力云圖

圖5 開挖140 m處塑性區(qū)

5.2 不同寬度的工作面回采

對比工作面寬140和60 m 2種情況，底板受到張力和剪切力的作用如圖6中顏色變化，對應(yīng)左側(cè)力學(xué)狀態(tài)圖標(biāo)，結(jié)合2章節(jié)模型建立時(shí)模塊大小(模塊高度為5 m)可知：

(1)隨著140 m寬度工作面的推進(jìn)，底板破壞深度加大；工作面開挖130 m處，最后塑性破壞深度穩(wěn)定在35 m左右，大于底板距陷落柱頂部高度30 m，底板塑性區(qū)與陷落柱周邊破壞帶對接，很有可能導(dǎo)致突水事故發(fā)生。

(2)60 m寬度工作面開挖130 m處時(shí)，由于受超前支承壓力的影響，底板前方最大破壞深度達(dá)到20 m左右，小于底板距陷落柱頂部高度30 m,塑性破壞區(qū)未達(dá)到陷落柱的原始破壞區(qū)，工作面不會(huì)發(fā)生突水事故。

圖6 不同寬度的工作面開挖130 m處塑性區(qū)

因此，降低工作面寬度可以減小底板破壞深度，降低底板突水的可能性。然而，遇陷落柱時(shí)，也應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場情況合理布置工作面寬度。

5.3 充填后的工作面回采

采用充填開采法，隨著工作面推進(jìn)，底板破壞深度穩(wěn)定在5 m左右，如圖7所示，推進(jìn)150和200 m 時(shí)都已經(jīng)過陷落柱所在位置，但底板塑性破壞深度遠(yuǎn)小于底板距陷落柱頂部的距離30 m。工作面接近陷落柱和遠(yuǎn)離陷落柱時(shí)，底板塑性破壞深度并未增加，反而有減小趨勢，因此，不易導(dǎo)致突水事故發(fā)生。

圖7 工作面推進(jìn)不同距離時(shí)充填開采塑性區(qū)

5.4 陷落柱破壞分析

圖8為陷落柱位移變化情況。從圖8(a)可以看出，隨著工作面推進(jìn)，陷落柱頂部C1、C2、C3點(diǎn)在采動(dòng)礦壓影響下向下移動(dòng)且不斷加大，說明陷落柱頂部處在受壓階段。當(dāng)工作面推進(jìn)100 m左右時(shí)，在超前支承壓力下，測點(diǎn)向下移動(dòng)達(dá)到最大值約23 mm，之后進(jìn)入采后卸壓區(qū)，測點(diǎn)又改為向上移動(dòng)，說明陷落柱頂部處在受拉膨脹階段[5]。從圖8(b)可以看出，隨工作面推進(jìn)，C1點(diǎn)向x正方向移動(dòng)，而B1、A1點(diǎn)向x負(fù)方向移動(dòng)，C1、B1點(diǎn)相對位移不斷加大，最大約17 mm，說明陷落柱中上部左側(cè)周邊受剪應(yīng)力影響較大，破壞較嚴(yán)重，可能引發(fā)滲流突水事故。

圖8 位移對比圖

6 結(jié) 論

(1)防止底板陷落柱突水的一個(gè)重要因素是工作面的寬度，通過對下伏陷落柱的不同工作面寬度模擬得出，降低工作面寬度可以減小底板破壞深度，降低底板突水的可能性。因此，在遇陷落柱時(shí)，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場情況合理布置工作面寬度。

(2)防止底板陷落柱突水的另外一個(gè)重要因素是采煤方式。當(dāng)采用充填開采法時(shí)，工作面底板的原始節(jié)理發(fā)育受二次破壞的影響較小，故破壞深度也相對較小。同時(shí)，工作面接近陷落柱和遠(yuǎn)離陷落柱時(shí)，底板塑性破壞深度并未增加，反而有減小趨勢。因此，遇陷落柱時(shí)，采用充填開采法可有效防止突水事故發(fā)生。

(3)隨工作面推進(jìn)，受采動(dòng)影響，煤層底板隱伏陷落柱首先受超前支承壓力處在受壓區(qū)，而后進(jìn)入采后卸壓區(qū)。陷落柱中上部靠近采煤工作面一側(cè)破壞嚴(yán)重，受剪應(yīng)力影響較大。

(4)存在下伏陷落柱的工作面在回采過程中，采動(dòng)破壞會(huì)造成煤層底板的裂隙二次發(fā)育，并進(jìn)一步向深部導(dǎo)通原始裂隙，當(dāng)?shù)装逅苄詤^(qū)與陷落柱周邊破壞區(qū)對接后，承壓水很可能滲流涌入采空區(qū)，誘發(fā)突水事故。因此，應(yīng)提前采用物探、鉆探等技術(shù)確定陷落柱產(chǎn)狀和水壓大小等參數(shù)，采取合理的開采方案，以確保安全生產(chǎn)。

[1] 朱萬成,魏晨慧,張福壯,等.流固耦合模型用于陷落柱突水的數(shù)值模擬研究[J].地下空間與工程學(xué)報(bào),2009(5):928-933.

[2] 王家臣,李見波.預(yù)測陷落柱突水災(zāi)害的物理模型及理論判據(jù)[J].北京科技大學(xué)學(xué)報(bào),2010(10):1243-1247.

[3] 賀志宏.雙柳煤礦陷落柱發(fā)育特征及突水機(jī)理研究[D].北京：中國礦業(yè)大學(xué),2012.

[4] 尹尚先,武 強(qiáng).煤層底板陷落柱突水模擬及機(jī)理分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2004(15):2551-2556.

[5] 尹尚先,武 強(qiáng).陷落柱概化模式及突水力學(xué)判據(jù)[J].北京科技大學(xué)學(xué)報(bào),2006(9):812-817.