馬堡礦15#煤帶壓開采數(shù)值模擬研究

王 澤

(山西宏廈第一建設(shè)有限責(zé)任公司, 山西 陽泉 045008)

長期以來，對于受底板水威脅的煤炭開采，主要采用兩種方法：深降強(qiáng)排以及帶壓開采。帶壓開采因其成本低、環(huán)境污染程度較小以及保水開采的可行性，是目前的主要開采方法。但帶壓開采具有一定的突水危險性，尤其是水文地質(zhì)條件復(fù)雜、水壓較高的情況下，底板奧灰水威脅尤為嚴(yán)重[1-2]. 因此，探明礦區(qū)內(nèi)地質(zhì)條件、分析突水機(jī)理并準(zhǔn)確預(yù)測突水危險性，是確保安全帶壓開采的關(guān)鍵。本文在綜合考慮各種影響底板破壞規(guī)律因素的基礎(chǔ)上，采用數(shù)值模擬的方法，通過FLAC3D軟件對采動影響下馬堡煤業(yè)15號煤底板的破壞規(guī)律及突水預(yù)測進(jìn)行分析。

1 工程概況

馬堡煤業(yè)位于沁水煤田武鄉(xiāng)礦區(qū)，主要分布在汾河兩岸。據(jù)已有勘探試驗和礦井開采揭露等相關(guān)資料，馬堡煤業(yè)處在郭莊泉域巖溶地下水系統(tǒng)的下游強(qiáng)逕流區(qū)—排泄區(qū)一帶，地質(zhì)條件較為復(fù)雜，含水層內(nèi)裂隙較為發(fā)育，地下水補(bǔ)給、運(yùn)移和富集條件較好，主要巖溶含水層富水性強(qiáng)，礦區(qū)巖溶水位標(biāo)高大體與郭莊泉水位標(biāo)高相近(516～512 m). 上、下組煤層底板皆位于巖溶水位之下，分別承受奧灰?guī)r溶水水壓2.7～7.45 MPa和1.8～5.3 MPa，尤其是下組煤，其上覆有3層石炭系太原組的灰?guī)r含水層(K2、K3、K4)，下覆有奧陶系中統(tǒng)高承壓含水層。馬堡煤業(yè)目前主要開采煤層由上而下有8#、9#、10#、15#四層，距下伏區(qū)域的奧陶系灰?guī)r很近，下組煤的開采面臨著奧灰突水的嚴(yán)重威脅。

在巷道掘進(jìn)初期，圍巖在彈性破壞以及塑性破壞共同作用下，應(yīng)力不能得到及時釋放，隨著與工作面距離的增加，應(yīng)力才會逐漸釋放，也就是說，巷道的變形量與工作面距離存在空間效應(yīng)。因此，數(shù)值模擬時必須考慮圍巖與工作面的共同作用。巖層參數(shù)見表1.

表1 巖層參數(shù)表

2 數(shù)值模擬模型建立及參數(shù)選擇

根據(jù)馬堡煤業(yè)15#煤地質(zhì)賦存條件，建立其數(shù)值分析模型，模型采用三維模型：模型頂部埋深為220 m，通過模型頂部加載5.7 MPa的垂直應(yīng)力來代替。模型尺寸為180 m×240 m×70 m；地應(yīng)力為σ1=σz=5.7 MPa，σ2=σx=6.84 MPa，σ3=σy=6.84 MPa，側(cè)壓力系數(shù)為λ=1.2；15號煤厚度為3.6 m，煤層及其他各巖層均簡化為水平，即傾角為0°，工作面推進(jìn)步距取10 m，工作面推進(jìn)距離達(dá)到30 m時一次充填模擬初次來壓，之后工作面每推進(jìn)20 m進(jìn)行一次充填模擬周期來壓。

利用水平固定邊界對模型的側(cè)面進(jìn)行約束，垂直方向固定約束模型底部，模型頂部采用14.8 MPa的均布載荷代替上覆巖層的自重，而左右及下邊界可以根據(jù)所研究問題，想要反映的現(xiàn)象合理的調(diào)整大小。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

對采場底板突水影響因素的研究可知，在采取特定的采煤方法時，底板的突水與否受開采空間的大小控制，而開采空間的大小主要體現(xiàn)在工作面斜長。因此，對不同工作面斜長情況下底板的破壞規(guī)律展開研究。采煤工作面斜長分別設(shè)置為160 m、110 m、60 m，一次性采全高3.6 m，對3種情況下15號煤底板破壞規(guī)律分別進(jìn)行分析，同時也對帶壓開采的安全性做出評價。

1) 工作面斜長160 m時帶壓開采安全性評價。

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，在工作面斜長取160 m情況下工作面推進(jìn)不同距離時的底板破壞規(guī)律見圖1. 15號煤底板采空區(qū)中部破壞深度及底板最大破壞深度隨工作面推進(jìn)距離的變化曲線分別見圖2，3.

圖1 工作面斜長160 m時的底板破壞規(guī)律圖

圖2 采空區(qū)中部底板破壞深度變化曲線圖

圖3 15號煤底板最大破壞深度變化曲線圖

對比圖1，2，3，可以看出：

a) 在采空區(qū)中部位置處，當(dāng)工作面推進(jìn)50 m距離時其下底板破壞深度達(dá)到最大，達(dá)14 m；隨后每個周期推進(jìn)步距時，底板破壞深度基本穩(wěn)定在12 m. b) 在工作面前端位置處，其底板采動破壞深度最大，并隨著工作面的推進(jìn)，底板破壞深度不斷增大。當(dāng)工作面推進(jìn)到110 m處之后達(dá)到最大值，達(dá)22 m. c) 工作面推進(jìn)到50 m位置處時，奧陶系灰?guī)r含水層上方的泥巖內(nèi)開始出現(xiàn)塑性區(qū)，形成承壓水導(dǎo)升帶。隨著工作面推進(jìn)，承壓水導(dǎo)升帶不斷向上擴(kuò)展，采動破壞深度也不斷增大。在工作面推進(jìn)到110 m左右時，承壓水導(dǎo)升帶與采動破壞帶貫通，15號煤底板喪失阻隔水能力，發(fā)生底板突水。因此，判斷15號煤帶壓開采安全性較低，有底板突水危險。

2) 工作面斜長110 m時帶壓開采安全性評價。

15號煤底板采空區(qū)中部破壞深度及底板最大破壞深度隨工作面推進(jìn)距離的變化曲線圖分別見圖4，5.

圖4 采空區(qū)中部底板破壞深度變化曲線圖

對比圖4，5可以看出：

a) 工作面長度為110 m，在采空區(qū)中部位置處，當(dāng)工作面推進(jìn)70 m時其底板破壞深度達(dá)到最大，達(dá)11 m；隨后每個周期推進(jìn)步距時，底板破壞深度基本穩(wěn)定在9 m. b) 底板采動破壞深度在工作面前端位置處達(dá)到最大，并隨著工作面的推進(jìn)底板破壞深度不斷增大。當(dāng)工作面推進(jìn)到130 m處破壞深度達(dá)20 m. c) 工作面推進(jìn)到50 m位置處時，奧陶系灰?guī)r含水層上方的泥巖內(nèi)開始出現(xiàn)塑性區(qū)，形成承壓水導(dǎo)升帶；承壓水導(dǎo)升帶隨著工作面推進(jìn)而不斷向上擴(kuò)展貫通，采動破壞深度也不斷增大。在工作面繼續(xù)向前推進(jìn)到130 m左右時，承壓水導(dǎo)升帶與采動破壞帶貫通，15號煤底板喪失阻隔水能力，發(fā)生底板突水。因此，判斷當(dāng)工作面長度為110 m時開采15號煤安全性較低，有底板突水危險。

圖5 15號煤底板最大破壞深度變化曲線圖

3) 工作面斜長60 m時帶壓開采安全性評價。

在工作面斜長取60 m情況下工作面推進(jìn)不同距離時的底板破壞規(guī)律見圖6. 15號煤底板采空區(qū)中部破壞深度及底板最大破壞深度隨工作面推進(jìn)距離的變化曲線見圖7，8.

圖6 工作面斜長60 m時的底板破壞規(guī)律圖

圖7 采空區(qū)中部底板破壞深度變化曲線圖

圖8 15號煤底板最大破壞深度變化曲線圖

對比圖6，7，8可以看出：

a) 工作面長度為60 m時，在采空區(qū)中部位置處，當(dāng)工作面推進(jìn)70 m距離時其底板破壞深度達(dá)到最大，達(dá)7 m；隨后每個周期推進(jìn)步距時，底板破壞深度基本穩(wěn)定在6 m. b) 在工作面前端位置處，其底板采動破壞深度最大，并隨著工作面的推進(jìn)底板破壞深度不斷增大，當(dāng)工作面推進(jìn)到110 m處之后達(dá)到最大值，破壞深度達(dá)13 m. c) 工作面推進(jìn)到70 m位置處時，奧陶系灰?guī)r含水層上方的泥巖內(nèi)開始出現(xiàn)塑性區(qū)，形成承壓水導(dǎo)升帶，隨著工作面推進(jìn)，承壓水導(dǎo)升帶范圍也不斷擴(kuò)大，但承壓水導(dǎo)升帶僅在緊鄰含水層的泥巖內(nèi)發(fā)育，并未向上部巖層內(nèi)擴(kuò)展。工作面長度為60 m時，底板承壓水導(dǎo)升帶與采動破壞帶并未貫通，15號煤底板仍保持阻隔水能力，因此判斷工作面回采時較為安全，無底板突水危險。

對比上述3種工作面斜長條件下底板破壞情況可以得出，工作面斜長對采動破壞深度有顯著影響。當(dāng)工作面斜長為160 m與110 m時，底板均有突水危險存在；當(dāng)工作面斜長為60 m時，無底板突水危險存在。因此，可通過采取控制工作面斜長的方法保證帶壓開采的安全性。

4 結(jié) 論

在綜合考慮影響底板破壞規(guī)律的多種因素的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)場工程地質(zhì)條件，采用數(shù)值模擬的方法，研究了不同工作面斜長條件下馬堡煤業(yè)15號煤底板的破壞規(guī)律，并對帶壓開采的安全性進(jìn)行了評價。研究結(jié)果表明：工作面斜長是影響底板采動破壞深度極為重要的一項因素，在一次性采全高的前提下，工作面斜長分別取160 m與110 m時開采15號煤產(chǎn)生的采動破壞帶均會與承壓水導(dǎo)升帶貫通，隔水層喪失阻隔水性能進(jìn)而導(dǎo)致底板突水，而工作面斜長為60 m時則不會發(fā)生底板突水，因此可通過采取控制工作面斜長的方法提高帶壓開采的安全性。