朱慎剛

(淮北礦業(yè)集團(tuán) 祁南煤礦，安徽 宿州 234115)

開采順序?qū)\部煤層覆巖破壞與孔隙水壓力演化影響數(shù)值模擬

朱慎剛

(淮北礦業(yè)集團(tuán) 祁南煤礦，安徽 宿州 234115)

為分析不同開采順序?qū)袼缮拥撞亢畬酉麻_采滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)相互影響及其演化規(guī)律，建立了厚松散層底部含水層下淺部煤層開采的流固耦合數(shù)值模型，模擬結(jié)果表明：開采順序?qū)Ω矌r滲流場(chǎng)及移動(dòng)破壞特征有很大影響，采用由深部向淺部的遞采順序所產(chǎn)生的塑性區(qū)范圍、豎向位移、孔隙水壓力變化相對(duì)由淺部向深部的遞采順序較安全可靠。

開采順序；覆巖破壞；孔隙水壓力；流固耦合

NumericalSimulationforInfluenceofMiningSequenceonPoreWaterPressureVariation

滲流場(chǎng)與巖體應(yīng)力場(chǎng)耦合對(duì)煤層頂板覆巖破壞有重要影響。由于覆巖中存在裂隙或孔隙，煤層開采后使巖體介質(zhì)產(chǎn)生水頭差，從而引起水體的滲流運(yùn)動(dòng)。滲流產(chǎn)生的動(dòng)水壓力和靜水壓力會(huì)使巖體介質(zhì)的應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生改變，而應(yīng)力場(chǎng)的改變產(chǎn)生的體積應(yīng)變會(huì)使巖體介質(zhì)的孔隙率發(fā)生變化，進(jìn)而引起滲流場(chǎng)變化。因此，在煤層上覆巖層中存在含水層時(shí)，頂板覆巖運(yùn)動(dòng)破壞是上覆巖體變形破壞和水滲流共同作用的結(jié)果。受圍巖應(yīng)力場(chǎng)與滲流場(chǎng)在開采擾動(dòng)下的耦合作用，單一考慮此類問題必然會(huì)導(dǎo)致結(jié)果的誤差。

本文采用FLAC3D軟件，對(duì)不同開采順序下煤層頂板上覆巖體移動(dòng)破壞特征及滲流特征進(jìn)行了流固耦合數(shù)值模擬，從模擬過程中能發(fā)現(xiàn)頂板覆巖的變形、破壞以及滲流場(chǎng)在整個(gè)開采過程中的變化規(guī)律，這對(duì)煤層開采的設(shè)計(jì)以及防治突水潰砂工作具有重要的指導(dǎo)意義。

1 煤層賦存條件

淮北煤田是新生界巨厚松散層覆蓋下全隱伏型煤田，煤系上部含水砂礫層直接覆蓋煤層露頭之上，對(duì)煤系地層直接產(chǎn)生滲透補(bǔ)給，對(duì)礦井安全生產(chǎn)構(gòu)成極大威脅。煤層開采后將引起上覆天然巖體的移動(dòng)與破裂，從而在覆巖中形成采動(dòng)裂隙引起井下突水事故。

淮北礦業(yè)祁南煤礦31采區(qū)位于一背斜北翼，地面標(biāo)高+21m，隱伏基巖面埋深330～350m，第四系松散層平均厚341.74m，發(fā)育3個(gè)隔水層和4個(gè)孔隙含水層，自上而下依次為一含、一隔、二含、二隔、三含、三隔、四含。四含與32煤層之間發(fā)育有二疊系砂巖裂隙含水層。本次研究對(duì)象為31采區(qū)32煤層。32煤位于上石盒子組下部，平均厚2.76m，煤層底板標(biāo)高為-334.60～-676.75m，傾角6～20°之間，為緩傾煤層，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單至復(fù)雜，夾矸一般1～2層，多者3～4層，夾矸多為泥巖，少量炭質(zhì)泥巖和粉砂巖，屬穩(wěn)定煤層。煤層頂板以泥巖為主，局部為粉砂巖，底板多為泥巖，局部粉砂巖。受采動(dòng)影響含水層為新生界松散層第四孔隙含水層(四含)和二疊系砂巖裂隙含水層。四含水位埋深18m，水頭高度約310m，含水層平均厚度8.9m。砂巖含水層平均厚度15m，水位埋深與四含水基本持平。數(shù)值模擬采動(dòng)范圍為隱伏露頭至-550m之間的淺部32煤層

2 流固耦合數(shù)值模型

2.1 流固耦合數(shù)值模型的建立

圖1 計(jì)算模型及監(jiān)測(cè)線(點(diǎn))分布

為了分析厚松散層及超薄覆巖條件下煤層(淺部煤層)在開采過程中覆蓋巖體三維宏觀力學(xué)性質(zhì)及含水層滲流等時(shí)空演化規(guī)律，以31采區(qū)為數(shù)值模擬原型，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際地質(zhì)資料，運(yùn)用FLAC3D進(jìn)行水土(巖)耦合三維數(shù)值模擬。數(shù)值模型及監(jiān)控點(diǎn)位置(水平線與豎向線的交點(diǎn))見圖1。計(jì)算時(shí)考慮了采空區(qū)的回填效應(yīng)，冒落松散巖體按松散堆積土考慮。數(shù)值模擬中采用的主要材料參數(shù)見表1。采用摩爾-庫(kù)侖彈塑本構(gòu)模型。模型前后左右邊界定義為垂直于端面的位移和位移速度為零，底部邊界定義為垂直于端面和平行于端面的位移和位移速率為零的三維約束，上部邊界定義為自由邊界。初始應(yīng)力考慮地質(zhì)體的構(gòu)造應(yīng)力，其中重力由公式σz=γh計(jì)算；水平應(yīng)力按埋深取垂直應(yīng)力的0.5～1.0倍。水力邊界條件定義松散層為不透水層，四含為區(qū)域補(bǔ)給承壓含水層，煤層砂巖裂隙含水層為封閉承壓含水層，為不透水邊界。

模擬設(shè)計(jì)了2種不同的開采方案，方案一從上而下依次開采311，313，315工作面，方案二從下而上依次開采315，313，311工作面。311，313，315工作面距離四含間距分別為40～90m，90～140m，140～190m。

表1 巖體力學(xué)參數(shù)

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.2.1 塑性區(qū)分布

2種方案不同開采順序開采后的塑性區(qū)見圖2，圖3所示。

圖2 方案一開采后的塑性區(qū)

圖3 方案二開采后的塑性區(qū)

從圖2中可以看出，方案一第1步311工作面開采后，煤層底板向下依次出現(xiàn)張拉破壞區(qū)、張剪破壞區(qū)、張拉破壞區(qū)，頂板覆巖向上依次出現(xiàn)張拉破壞區(qū)、張剪破壞區(qū)，張剪破壞區(qū)貫穿四含，采空區(qū)頂部松散層出現(xiàn)剪切破壞區(qū)，兩側(cè)地表(計(jì)算模擬左右上角)出現(xiàn)張拉破壞區(qū)。隨著第2，3步開采的進(jìn)行，煤層頂板覆巖主要變?yōu)閺埨茐膮^(qū)，并逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)轳R鞍形，而底板也以張拉破壞為主，地表破壞區(qū)逐漸增大。

由圖3可以看出，方案二第1步315工作面開采后，煤層頂?shù)装寰来纬霈F(xiàn)張拉破壞區(qū)、張剪破壞區(qū)、張拉破壞區(qū)，塑性區(qū)均大于方案一中的315工作面開采后的煤層底板塑性區(qū)，但隨著313，311工作面的相繼開采，煤層頂板覆巖向上主要變?yōu)閺埨茐膮^(qū)、張剪破壞區(qū)，并逐漸變?yōu)轳R鞍形，底板以張拉破壞區(qū)為主，其塑性區(qū)相對(duì)于方案一對(duì)應(yīng)工作面開采后的塑性區(qū)有所減小。方案二開采后松散層的剪切破壞區(qū)不明顯，且采空區(qū)上部左右地表的張拉破壞區(qū)相對(duì)于方案一明顯減小。張拉破壞會(huì)導(dǎo)致巖層裂隙發(fā)育，開度增大，使巖層透水性增強(qiáng)，因此在采煤過程中張拉破壞區(qū)應(yīng)作為主要考慮對(duì)象。由此可見，采用從下而上的開采方法相對(duì)更安全，更有利于減少潰砂隱患。

2.2.2位移場(chǎng)分布規(guī)律

2種方案不同開采順序開采后的豎向位移等值線圖見圖4，圖5所示，圖中位移值單位為m。從圖中可以看出，方案一第1步開采后，開采工作面附近圍巖將產(chǎn)生較大的豎向位移，隨著開采向深部遞進(jìn)，由開采所引起的豎向位移則逐漸變小，這是由于某一工作面開采后，使未開采的相鄰工作面應(yīng)力調(diào)整，應(yīng)力有所釋放，因此當(dāng)開采較深部位的工作面時(shí)，其豎向位移相對(duì)較小。方案二第1步開采后315工作面附近圍巖產(chǎn)生的豎向位移相對(duì)方案一315工作面開采后產(chǎn)生的豎向位移大，但隨著開采向淺部遞進(jìn)，由開采所引起的圍巖豎向位移相對(duì)方案一對(duì)應(yīng)工作面開采后所產(chǎn)生的豎向位移小。

圖4 方案一開采后的豎向位移等值線

圖5 方案二開采后的豎向位移等值線

圖6 不同開采方案不同工作面相繼開采后311 工作面中點(diǎn)處剖面各監(jiān)控點(diǎn)豎向位移

311工作面頂板覆巖厚度最小，在開采過程中相對(duì)最為危險(xiǎn)，因此以311工作面中點(diǎn)處為例作出該剖面各監(jiān)控點(diǎn)在不同開采方案下不同工作面相繼開采后的豎向位移見圖6。從圖6中可以看出，采用第一種開采方案時(shí)，當(dāng)311工作面開采結(jié)束，311工作面中點(diǎn)剖面上煤層頂板、上部覆巖中部、四含頂?shù)装寰a(chǎn)生較大豎向位移，煤層底板產(chǎn)生向上的位移。隨著工作面的相繼開采，豎向位移值變化不大，煤層頂板處的豎向位移與覆巖中部和四含頂?shù)撞康呢Q向位移相差較大，說明豎向位移在該段不連續(xù)，巖層產(chǎn)生了離層。采用第二種方案開采時(shí)，315，313工作面的開采對(duì)311工作面中點(diǎn)剖面的豎向位移影響較小。當(dāng)開采311工作面后，各監(jiān)控點(diǎn)豎向位移明顯增大，但與方案一相比，煤層頂板、上部覆巖中部、四含頂?shù)装逄庁Q向位移大約減小23.4%～38.7%。綜合以上分析，采用方案二開采相對(duì)安全。

2.2.3 孔隙水壓力分布規(guī)律

2種方案不同開采順序開采后的頂板砂巖裂隙水和四含底部孔隙水壓力等值線圖見圖7，圖8所示，圖中壓力單位為MPa，壓力監(jiān)測(cè)曲線見圖9。

圖7 方案一開采后孔隙水壓力等值線

圖8 方案二開采后孔隙水壓力等值線

圖9 兩種方案相鄰工作面先后開采含水層壓力監(jiān)測(cè)曲線

從圖9中可以看出，2種開采方案煤層頂板裂隙水壓力均表現(xiàn)出在臨空狀態(tài)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)變?yōu)?，未開采工作面及附近的監(jiān)測(cè)點(diǎn)不斷下降，已開采工作面及附近的監(jiān)測(cè)點(diǎn)逐漸回升的變化趨勢(shì)。方案一壓力最大升高值小于初始?jí)毫Φ?5%，方案二的最大升高值小于初始?jí)毫Φ?0%。四含底部孔隙水壓力表現(xiàn)出臨空狀態(tài)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)迅速變小，未開采工作面及附近的監(jiān)測(cè)點(diǎn)持續(xù)下降，已開采工作面及附近的監(jiān)測(cè)點(diǎn)逐漸回升的變化趨勢(shì)。方案一的壓力最大升高值小于初始?jí)毫Φ?0%，方案二的最大升高值小于初始?jí)毫Φ?0%。就某一工作面而言，含水層水壓力變化速率會(huì)隨著開采面的逐漸靠近而不斷增大，隨著開采面的逐漸遠(yuǎn)離而不斷減小。煤層頂板裂隙水壓力在2種方案下的變化速率相當(dāng)。四含底部的孔隙水壓力在方案二下的變化速率明顯小于方案一，因此其疏放四含水的壓力相對(duì)較小。在整個(gè)開采過程中，四含底部的孔隙水壓力變化幅度比煤層頂板砂巖水的大。當(dāng)工作面開采時(shí)，其對(duì)應(yīng)工作面上部的四含孔隙水壓力隨著開采進(jìn)行逐漸變?yōu)樨?fù)值，說明作為采空區(qū)補(bǔ)給水源的四含得到很好地釋放。因此，在留設(shè)安全煤巖柱時(shí)，疏放四含水將會(huì)有利于煤層的開采，特別是有利于減小工作面的上下風(fēng)巷及其附近涌水潰砂的威脅。

3 結(jié)論

(1)隨開采的進(jìn)行，頂?shù)装鍘r層破壞形式由張拉、張剪逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐詮埨茐臑橹?。采用由深部向淺部的遞采順序，其塑性區(qū)整體范圍相對(duì)由淺部向深部的遞采順序所形成的塑性區(qū)范圍小。

(2)方案一第1步開采后，開采工作面附近圍巖產(chǎn)生較大的豎向位移，隨著開采向深部遞進(jìn)，由開采所引起的豎向位移則逐漸變小。方案二第1步開采后工作面附近圍巖產(chǎn)生的豎向位移相對(duì)方案一對(duì)應(yīng)工作面開采后產(chǎn)生的豎向位移大，但隨著開采向淺部遞進(jìn)，圍巖豎向位移相對(duì)方案一對(duì)應(yīng)工作面開采后所產(chǎn)生的豎向位移小23.4%～38.7%。

(3)隨著煤層的開采，煤層頂板砂巖及四含底部孔隙水壓力表現(xiàn)出在臨空狀態(tài)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)迅速變小，未開采工作面及附近的監(jiān)測(cè)點(diǎn)持續(xù)下降，已開采工作面及附近的監(jiān)測(cè)點(diǎn)逐漸回升的變化趨勢(shì)。四含底部的孔隙水壓力變化幅度比煤層頂板的大。

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[責(zé)任編輯：于健浩]

2014-05-30

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2014.04.005

朱慎剛(1967-)，男，安徽蕭縣人，高級(jí)工程師，現(xiàn)為淮北礦業(yè)集團(tuán)公司祁南煤礦總工程師。

朱慎剛.開采順序?qū)\部煤層覆巖破壞與孔隙水壓力演化影響數(shù)值模擬[J].煤礦開采，2014，19(4)：18-21.

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1006-6225(2014)04-0018-04