深埋煤層開采側(cè)向高壓奧灰水影響特征及煤柱留設(shè)研究

史永理

( 1.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710054；2.陜西省煤礦水害防治技術(shù)重點實驗室，陜西 西安 710054)

隨著煤礦開采深度的增加，水害威脅程度不斷提高[1-2]。斷層破壞了圍巖的完整程度，加之采煤過程中圍巖再次遭到破壞，使斷層破碎帶易演化為重要的導(dǎo)水通道[3-4]。嘉祥支斷層為大型高傾角正斷層，最大落差600 m，斷層下盤奧灰含水層（水壓達10 MPa）與上盤3 煤層對接。此外，3 煤開采可能引發(fā)嘉祥支斷層活化，存在側(cè)向奧灰水補給3 煤的可能。因此，亟需深入研究煤層開采過程中滲流場、應(yīng)力場影響特征和斷層防水煤柱留設(shè)優(yōu)化計算，這對大型斷裂兩側(cè)煤層安全開采具有重大指導(dǎo)意義。

1 研究區(qū)概況

新河煤礦嘉祥支斷層以東延深區(qū)域主采3 煤底板等高線在-900～ -1280 m 之間，煤厚8 m。區(qū)內(nèi)嘉祥支斷層傾角68°～76°，落差0～600 m，在井田范圍內(nèi)發(fā)育4 個分支斷層（圖1）。嘉祥支斷層下盤奧陶系灰?guī)r與上盤3 煤層對接。

圖1 礦井構(gòu)造綱要圖

2 深部煤層開采流-固耦合數(shù)值模擬研究

2.1 模型構(gòu)建

基于新河煤礦深部區(qū)域地質(zhì)及水文地質(zhì)條件，按實際地層相對關(guān)系建立模型。構(gòu)建模型長寬高分別為400 m、200 m、147 m 的大型流固耦合數(shù)值模型。模型底部及四周施加法向約束，上邊界施加24.9 MPa 的法向均布荷載模擬上覆巖層自重（地面標高取+20 m，3 煤頂板標高為-1080 m，巖層容重取平均容重25 kN/m3）。

力學(xué)模型選用mohr-coulomb 模型，流體模型各向同性。模型邊界均設(shè)為不透水邊界，下盤奧灰含水層施加等梯度變化水壓（8.88～10.35 MPa），3 煤底板對應(yīng)的奧灰水壓為10 MPa。模型計算采用的斷層參數(shù)見表1。煤層為近水平煤層，厚度8 m，采全厚，在開采區(qū)的兩側(cè)各留有50 m 的邊界，以避免邊界應(yīng)力產(chǎn)生不利影響。模擬采長180 m，自距離嘉祥支斷層220 m 處往斷層帶方向推進。回采分6 個開挖步，共開挖180 m。

表1 研究區(qū)巖體力學(xué)參數(shù)統(tǒng)計表

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

2.2.1 垂直應(yīng)力變化規(guī)律

圖2 為奧灰水壓10 MPa 下開采煤層走向垂直應(yīng)力云圖?？梢钥闯?，工作面回采后，沿工作面走向上的煤層底板形成拱形垂直應(yīng)力，隨工作面推進，拱形的形變跨度越來越大。采空區(qū)兩端煤壁前方頂?shù)装逵写怪睉?yīng)力集中區(qū)，且集中效應(yīng)在切眼和停采線處前方底板處明顯增加，當工作面推進180 m 后（圖2-f），最大垂直應(yīng)力達57.786 MPa。

圖2 10 MPa 奧灰水壓下開采巖體走向垂直應(yīng)力云圖

2.2.2 孔隙水壓變化規(guī)律

圖3 為10 MPa 奧灰水壓下開采巖體走向孔隙水壓力云圖。可以看出，隨著工作面不斷推進，最大孔隙水壓呈現(xiàn)逐步增大的趨勢。下盤高壓奧灰水穿越斷層流入上盤工作面，補給量主要受3 煤頂板砂巖的滲透性、水力梯度變化大小、補給面積、巖石滲透性能、3 煤采動導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度等因素的控制。走向方向上開采6 個開挖步得到的滲流速度分別為：6.421 75×10-8m/s、1.093 7×10-7m/s、9.561 3×10-8m/s、8.329 3×10-8m/s、1.176 8×10-7m/s、9.971 0×10-8m/s。

圖3 10 MPa 奧灰水壓下開采巖體走向孔隙水壓力云圖

2.2.3 塑性區(qū)變化規(guī)律

圖4 為10 MPa 奧灰水壓作用下走向分步開采塑性區(qū)云圖，結(jié)合垂直應(yīng)力云圖（圖1）可知，3煤開采工作面推進30 m 時，煤層頂板呈現(xiàn)“馬鞍形”塑性區(qū)，且只在工作面附近小范圍內(nèi)出現(xiàn)塑性破壞；當工作面推進60 m時，頂?shù)装逅苄詤^(qū)范圍有所擴大，斷層未發(fā)生破壞；當工作面分別推進90 m、120 m時，頂?shù)装逅苄云茐膮^(qū)范圍進一步擴大，形成一定規(guī)模，斷層此時依然未受到擾動，但覆巖垂直應(yīng)力的“拱形”高度發(fā)生明顯變化（圖1（a）、1（b）），應(yīng)力影響范圍沿掘進方向擴展；工作面推進150 m時，應(yīng)力拱進一步擴大，并對斷層產(chǎn)生一定的擾動，斷層及附近巖層內(nèi)出現(xiàn)小范圍塑性破壞，斷層與煤層底板大范圍塑性破壞區(qū)之間出現(xiàn)了小范圍破壞區(qū)域，表明斷層開始活化；工作面持續(xù)推進180 m，斷層破壞與煤層底板塑性破壞區(qū)已經(jīng)聯(lián)通，此時斷層活化程度進一步擴大，阻水能力基本喪失。通過對孔隙水壓、滲流速度、塑性區(qū)變化規(guī)律的分析，綜合確定斷層煤柱留設(shè)寬度為100～130 m。

圖4 10 MPa 奧灰水壓下走向分步開采塑性區(qū)云圖

3 斷層煤柱寬度計算

延深區(qū)域奧灰與嘉祥支斷層對盤3 煤層對接，因此嘉祥支斷層煤柱寬度按含導(dǎo)水斷層計算。3 煤位于嘉祥支斷層的上盤，煤層偽傾向與斷層真傾向相同，且斷層真傾向方向上的煤層偽傾角小于斷層維護帶與斷層法線最小夾角。綜合分析，基于安全維護帶距離構(gòu)建嘉祥支斷層上盤防水煤柱的計算公式：

式中：L為煤柱傾斜長度，m；H安為安全維護距離，即斷層至維護帶外緣的最小距離，m；β為斷層維護帶與斷層法線最小夾角，取84.6°～84.8°；Hd為煤層底板礦壓破壞深度，m；γ為斷層維護帶與水平面的最小夾角，取62.7°～69.6°。α為斷層真傾向方向上的煤層偽傾角，取12.3°～26.8°；L投為煤柱水平投影，m。其中安全維護距離H安按式（3）計算：

式中：P為隔水煤（巖）體承受的水頭壓力，MPa，奧灰水位取+32.68 m，不同標高斷煤交點處水頭壓力為9.14～10.42 MPa；V為極限突水系數(shù)，取0.1 MPa/m；K為誤差系數(shù)，取10。

煤層底板礦壓破壞深度Hd按式（4）計算：

按新河煤礦開采規(guī)劃，工作面斜長D為86 m，計算底板破壞深度為12 m。

將采用的技術(shù)參數(shù)數(shù)值代入相應(yīng)計算公式，結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果，得到如表2 所示的嘉祥支斷層上盤不同標高斷煤交點處的防水煤柱寬度。

表2 嘉祥支斷層上盤防水煤柱計算結(jié)果表

4 結(jié)論

運用FLAC3D中流-固耦合模塊對工作面開挖應(yīng)力場及滲流場影響特征進行分析，提出了基于安全維護帶的斷層煤柱留設(shè)新方法。主要結(jié)論如下：

（1）數(shù)值模擬結(jié)果表明，工作面頂板垂直應(yīng)力呈先增大后減小再增大的趨勢，最大應(yīng)力達57.786 MPa；孔隙水壓力呈遞增趨勢，最大值為10.335 MPa；工作面上方塑性區(qū)域呈“馬鞍形”逐漸增大。

（2）基于安全維護帶的斷層煤柱分段留設(shè)計算方法與數(shù)值模擬相結(jié)合，綜合確定了嘉祥支斷層上盤斷層防水煤柱留設(shè)寬度。