陳 浩，楊本水

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

礦井水災(zāi)害一直是威脅我國(guó)煤礦生產(chǎn)安全的主要災(zāi)害之一，特別是隨著開采深度的不斷增加，壓力開采已成為深部煤炭資源開發(fā)的主要方式。石灰?guī)r頂?shù)装灏l(fā)育的裂隙巖溶高壓水威脅日益嚴(yán)重，頂?shù)装宓陌踩O(shè)計(jì)尤為重要[1]。目前，對(duì)于煤層開采過(guò)程中的突水和防治水安全性，國(guó)內(nèi)眾多學(xué)者做了大量研究。陸衛(wèi)東等[2]利用FLAC3D建立了陡傾特厚煤層開采的數(shù)值模型，分析了上層開采對(duì)下層卸壓的應(yīng)力分布規(guī)律和影響范圍，模擬了開采過(guò)程中的應(yīng)力分布。鄭飛等[3]通過(guò)建立基于FLAC3D的底板開采效應(yīng)數(shù)值模型，分析了不同推進(jìn)步長(zhǎng)對(duì)底板豎向應(yīng)力和破壞深度的影響。陳小飛等[4]通過(guò)FLAC3D軟件對(duì)煤層開采引起的上覆巖體變形破壞特征進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)塑性破壞、應(yīng)力場(chǎng)變化以及由此引起的位移場(chǎng)大小變化進(jìn)行分析，討論了工作面上覆巖體以及“兩帶”的發(fā)育特點(diǎn)，將頂板以上11 m區(qū)域確定為“兩帶”破壞區(qū)。張緩緩等[5]通過(guò)FLAC3D軟件模擬煤層開采后底板的變形破壞規(guī)律，從中得到底板破壞深度，并與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，進(jìn)而分析突水的可能性。我國(guó)煤炭開采研究已有數(shù)百年的歷史，陸續(xù)出現(xiàn)了許多新的理論，也從以往對(duì)突水事故的簡(jiǎn)單認(rèn)識(shí)和分析，轉(zhuǎn)變?yōu)樵诿旱V開采中應(yīng)用數(shù)值模擬技術(shù)和物理試驗(yàn)技術(shù)，并在此基礎(chǔ)上開始研究可能的突水威脅預(yù)測(cè)問(wèn)題，根據(jù)突水原因及影響因素，實(shí)施了一系列的礦前防水措施和水安全評(píng)價(jià)[6]。

為探索深部煤層開采圍巖破碎規(guī)律，本文利用FLAC3D軟件模擬不同開挖段圍巖應(yīng)力分布及變形情況，對(duì)工作面的防治水安全性進(jìn)行了分析，并且對(duì)實(shí)現(xiàn)安全綠色開采及合理支護(hù)問(wèn)題提出了建議。

1 工作面地質(zhì)及水文條件

1.1 工作面概況

1022-1工作面位于二礦區(qū)西翼，東至設(shè)計(jì)停止線，西至-286 m設(shè)計(jì)回采上限，北鄰J6探線，南鄰32探線。機(jī)巷長(zhǎng)308 m，風(fēng)巷長(zhǎng)308 m，切眼149.5 m。工作面頂板高程-286.3～-370.0 m，10煤層的厚度為1.0～5.0 m，平均3.75 m，煤層傾角1°～7°，平均4°，構(gòu)造簡(jiǎn)單，屬于焦煤。地質(zhì)儲(chǔ)量為243 727 t，可采儲(chǔ)量為226 666 t。根據(jù)1022-1工作面附近32-7、32-8、J6-5等7個(gè)鉆孔資料可知，該工作面10煤層頂板以上30 m內(nèi)巖層的巖性主要以細(xì)砂巖為主，其次為由泥巖和粉砂巖組成，10煤層直接頂板為深灰色的塊狀和厚層狀砂粉泥巖，且含少量砂粉泥巖，厚度2.6 m，部分地段的直接頂板為深灰色的塊狀粉砂巖，且含較多泥質(zhì)。據(jù)綜合統(tǒng)計(jì)，10煤層頂板含水砂層累計(jì)厚度為13.1 m，該工作面10煤層底板以下30 m內(nèi)巖層的巖性主要以細(xì)砂巖和粉砂巖為主，其次是泥巖；10煤層直接底板為黑灰色且?jiàn)A粉砂巖的泥巖，厚度為0.35 m，老底為夾淺灰色條帶狀細(xì)砂巖的粉砂巖，顏色為深灰色，部分地區(qū)可能是由深灰粉砂巖與淺灰色細(xì)砂相間組成互層。11煤層在10煤層下方約22.41 m的位置，厚度0.45 m；10煤層距太原組第一灰36.05～46.80 m，平均距離41.67 m。據(jù)綜合統(tǒng)計(jì)，10層煤底板含水砂層累計(jì)厚度為12.9m。

1.2 水文地質(zhì)條件

根據(jù)鉆孔資料得五溝煤礦新生代松散層厚度268.05～276.10 m，平均厚度272.08 m，由淺到深逐漸增厚，由外圍向中部逐漸增厚。其中，在鉆孔J6-7得到的松散層最大層厚為276.10 m。工作面設(shè)計(jì)開采上限為-286 m，根據(jù)工作面最高處1022機(jī)巷JCW鉆場(chǎng)施工的“四含”煤柱核實(shí)鉆孔資料：開孔標(biāo)高-286.3 m，鉆孔揭露“四含”底界標(biāo)高-246.5 m，計(jì)算工作面頂板上距“四含”底界為39.8 m，大于防砂安全煤(巖)柱36.9 m，符合“三下”開采規(guī)程要求，因此工作面回采期間不受“四含”水影響。根據(jù)二礦區(qū)淺鉆孔資料繪制的松散層底部第四含水砂層等軸測(cè)圖，二礦區(qū)1022-1工作面含水層厚度變化范圍10.90～24.70 m，平均17.5 m。根據(jù)16孔抽水?dāng)?shù)據(jù)，4個(gè)水庫(kù)靜水位高程+4.46 m，q=0.030 78 L/(s·m)，k=0.166 5 m/d，水化學(xué)類型為SO42-～K+Na+，說(shuō)明4個(gè)水庫(kù)應(yīng)該是弱富水含水層?！八暮敝苯痈采w含煤地層，是坑內(nèi)充水的主要補(bǔ)給源，但補(bǔ)水量不大，不影響1022-1工作面的安全開采。

2 安全可靠性分析

由于五溝煤礦在任樓煤礦和童亭礦的附近，礦區(qū)的賦存條件與“四含”基本相似，尤其是童亭煤礦32礦區(qū)與五溝煤礦三礦區(qū)相連，“四含”和3個(gè)隔板的厚度、巖性、水力特征和含水量均相同。經(jīng)過(guò)連續(xù)勻速推進(jìn)、加強(qiáng)工作面頂板管理、水情監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)、控制或減少上覆巖層破壞等一系列可行的技術(shù)開采措施，32個(gè)礦區(qū)共326個(gè)工作面已成功開采，提升至風(fēng)成氧化帶，最大采頂高程-232.8 m，最小煤巖柱僅20.8～25.0 m，因此生產(chǎn)中各個(gè)工作面都安全無(wú)水進(jìn)行開采。

任樓煤礦中一礦區(qū)的7240、7212工作面也進(jìn)行了減防水煤柱的試驗(yàn)，各試驗(yàn)工作面的基本情況見(jiàn)表1。

表1 周邊礦井“四含”下提高上限開采情況

任樓煤礦通過(guò)試采總結(jié)得出如下結(jié)論：

1) 導(dǎo)水裂縫帶的發(fā)育高度與上覆巖石的巖性和結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。一般巖性越硬，導(dǎo)流斷裂帶越高，巖性越軟，反之亦然；上覆巖石傳導(dǎo)帶高度發(fā)育，提高開采上限后，崩落裂縫高度降低30%～40%；上覆巖石巖性大部分趨向于頁(yè)巖，塑性變形增大，開采裂縫發(fā)育速度和開裂程度降低，導(dǎo)水能力減弱。

2) 厚松散層下開采地表運(yùn)動(dòng)沉降系數(shù)大于1，水平運(yùn)動(dòng)系數(shù)大，運(yùn)動(dòng)周期短，起步距離小。

3) 7煤層直接頂板初始坍塌步距為6～8 m，舊頂板初始?jí)翰骄酁?0～35 m，周期壓步距為12～16 m和3～11 m。

4) 7煤層正常采煤放落區(qū)高度為7.60～15.14 m，高厚比為1.7～3.5；導(dǎo)水裂縫帶高度為36.0～56.0 m，裂厚比為8.9～15.4；皖北煤電百善煤礦的大規(guī)模開采實(shí)踐也能夠表明，開采上限發(fā)生變化后，導(dǎo)水裂隙帶和垮落帶的高度會(huì)大大降低。

綜上所述，只要采取有效的技術(shù)措施，在五溝煤礦二采區(qū)淺部留存的防砂煤柱在技術(shù)上是安全可行的，也可以實(shí)現(xiàn)安全挖礦。

3 模擬分析

3.1 數(shù)值模擬模型

五溝煤礦1022-1工作面10煤層頂板深度為-286 m，把模型更上層的巖層均轉(zhuǎn)化為應(yīng)力直接施加在模型頂部，工作面上部40 m范圍內(nèi)為承壓層，所以除去模擬的40 m巖層取承壓巖層以上246 m轉(zhuǎn)化為應(yīng)力。根據(jù)工程資料，進(jìn)行模型時(shí)上部巖層的平均密度取2.6 g/cm3，重力加速度取9.81 N/kg，轉(zhuǎn)化的應(yīng)力為2.65×103×246×9.81=6.37 MPa，10個(gè)煤層其他物理參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 10煤頂?shù)装鍘r石力學(xué)參數(shù)

3.2 確定地層模型范圍

模型取水平方向x=200 m，縱向y=200 m，垂直方向z=91 m。z軸為煤層的厚度，x軸為煤層的開采推進(jìn)方向，y軸為工作面的寬度。由于五溝煤礦煤層傾角為1°～7°，接近水平，所以模型建立時(shí)的層狀傾角定義為水平，工作面寬度為100 m并以20 m的步長(zhǎng)前進(jìn)。模型建立時(shí)一共建立了14層，其中第9層為采煤層的第10層煤層。14層的巖性特征和厚度見(jiàn)表3。

表3 巖性特征和厚度

模型的底部邊界、正反面、左右兩側(cè)是完全約束的，模型的頂部邊界是無(wú)約束的。該模型共有4個(gè)水平前進(jìn)距離，水平前進(jìn)的分布為20、40、60、80 m。工作面推進(jìn)前模型如圖1所示。

圖1 圍巖模型

4 數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果分析

4.1 豎向應(yīng)力變化規(guī)律

煤層推進(jìn)過(guò)程豎向應(yīng)力云圖如圖2所示，可以看出：原本頂?shù)装宓膽?yīng)力在煤層開挖后平衡被打破，使得煤層的頂?shù)装暹_(dá)到最大狀態(tài)，煤層的豎向應(yīng)力也在隨著煤層的不斷開采發(fā)生著變化；工作面在20、40、60、80 m開挖時(shí)，最大拉應(yīng)力為0.343、0.468、0.625、0.713 MPa，最大壓應(yīng)力為19.221、30.811、34.322、36.709 MPa。根據(jù)上述模擬數(shù)據(jù)看出，最大壓應(yīng)力大于最大拉應(yīng)力，總體上拉應(yīng)力和壓應(yīng)力隨著工作面的不斷推進(jìn)呈現(xiàn)變大的趨勢(shì)，并且在工作面推進(jìn)過(guò)程中上覆巖層的應(yīng)力分布呈現(xiàn)出拱形?？傊?，應(yīng)該在工作面不斷推進(jìn)的過(guò)程中時(shí)刻注意拉應(yīng)力和壓應(yīng)力的變化趨勢(shì)，在拉應(yīng)力和壓應(yīng)力變化較大時(shí)，應(yīng)該在煤層的頂板和底板上進(jìn)行加固處理，并且在工作面推進(jìn)過(guò)程中對(duì)兩側(cè)的巖壁進(jìn)行抗壓強(qiáng)度增強(qiáng)以及加強(qiáng)兩側(cè)巖壁的支護(hù)，防止工作面兩側(cè)圍巖被壓碎，為了降低危險(xiǎn)系數(shù)采取一些必要的應(yīng)急方案和措施，避免產(chǎn)生煤礦坍塌事故。

(a) 20 m

(b) 40 m

(c) 60 m

(d) 80 m圖2 煤層推進(jìn)過(guò)程豎向應(yīng)力云圖(單位：Pa)

4.2 豎向位移變化規(guī)律

煤層推進(jìn)過(guò)程豎向位移云圖如圖3所示，可以看出：在工作面推進(jìn)過(guò)程中，推進(jìn)后的區(qū)域?qū)⒅苯釉诿簩拥装搴晚敯迳袭a(chǎn)生相應(yīng)的豎向應(yīng)力；豎向應(yīng)力的產(chǎn)生會(huì)引起頂?shù)装遑Q向位移，因此10煤層頂?shù)装鍖l(fā)生豎向位移；煤層底板垂直向上移動(dòng)，對(duì)面頂板垂直向下移動(dòng)；工作面前進(jìn)20 m時(shí)上頂板的最大垂直位移為0.25 cm，40 m時(shí)為1.43 cm，60 m時(shí)為2.90 cm，80 m時(shí)為6.15 cm。由此得出的頂部位移變化如圖4所示。

(a) 20 m

(b) 40 m

(c) 60 m

(d) 80 m圖3 煤層推進(jìn)過(guò)程豎向位移云圖(單位：m)

圖4 工作面推進(jìn)過(guò)程巖層頂板豎向位移折線

由圖4可以看出：在工作面不斷推進(jìn)時(shí)頂板整體位移會(huì)呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，并且下方處于懸空狀態(tài)的空間也越來(lái)越大。在煤層上方巖石重力轉(zhuǎn)換的豎向應(yīng)力作用下，頂板開始發(fā)生豎直的位移變形，隨著推進(jìn)距離的增加，豎直位移越來(lái)越大。值得注意的是，模擬數(shù)據(jù)結(jié)果表明，當(dāng)屋頂?shù)拇怪蔽灰瞥^(guò)一定值時(shí)，很可能發(fā)生屋頂?shù)顾屯凰Ｃ鎸?duì)此類問(wèn)題，需要在工作面推進(jìn)過(guò)程中增加頂板位移監(jiān)測(cè)頻率，隨時(shí)落實(shí)水害防治安全技術(shù)措施，運(yùn)用應(yīng)急預(yù)案，盡量減少工作面面臨風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生。

同時(shí)，由于工作面的不斷推進(jìn)破壞了煤層底部原有的應(yīng)力平衡，造成工作面上下受力不平衡，所以導(dǎo)致煤層底板也會(huì)產(chǎn)生豎直向上的位移。工作面前進(jìn)距離為20 m時(shí)，底板最大垂直位移為0.33 cm，40 m時(shí)為0.95 cm，60 m時(shí)為1.17 cm，80 m時(shí)為1.30 cm。由此得出的底板位移變化如圖5所示。

圖5 工作面推進(jìn)過(guò)程巖層底板豎向位移曲線

由圖5可以看出，底板的豎向位移也是隨著工作面的不斷推進(jìn)呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)。當(dāng)工作面向前推進(jìn)20～40 m時(shí)，底板的變化率較大，說(shuō)明此時(shí)底板的垂向位移變化較大，但改變后的位移值并不大。此時(shí)可采取適當(dāng)?shù)募庸檀胧?，減少煤層底板的豎向位移。當(dāng)工作面前進(jìn)超過(guò)80 m時(shí)，地坪變化率逐漸減小，表明工作面前進(jìn)距離超過(guò)80 m，由此產(chǎn)生的垂直和垂直位移逐漸趨于平衡。

對(duì)于煤層頂?shù)装宓呢Q向位移，必要的措施是在工作面推進(jìn)過(guò)程中設(shè)置支撐和錨固措施。同時(shí)，必須使用位移監(jiān)測(cè)設(shè)備，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)屋頂和地板的垂直位移。當(dāng)位移變化很快或位移的數(shù)值較大時(shí)，應(yīng)立即采取加固措施，對(duì)問(wèn)題進(jìn)行補(bǔ)救，以免發(fā)生安全事故。

4.3 剪應(yīng)力變化規(guī)律

煤層推進(jìn)過(guò)程剪應(yīng)力云圖如圖6所示，可以看出：在工作面不斷推進(jìn)的過(guò)程中，煤層的剪應(yīng)力會(huì)發(fā)生一定的變化，并且開挖煤層兩端的剪應(yīng)力最大。與此同時(shí)也可以看出模型范圍內(nèi)剪應(yīng)力方向的變化具有一定規(guī)律，兩端剪應(yīng)力方向會(huì)有不同，但是大小基本相同，并且頂?shù)装鍟?huì)在剪應(yīng)力發(fā)生變化的范圍發(fā)生剪切破壞，這符合剪切破壞的特點(diǎn)。由圖6可得到的數(shù)據(jù)：工作面開挖20 m時(shí)，剪應(yīng)力為-4.465～4.375 MPa；工作面開挖40 m時(shí)，剪應(yīng)力為-4.720～4.735 MPa；工作面開挖60 m時(shí)，剪應(yīng)力為-5.164 ～5.906 MPa；工作面開挖80 m時(shí)，剪應(yīng)力為-5.736 ～6.303 MPa。由以上數(shù)據(jù)可知：剪應(yīng)力的最大值和剪應(yīng)力正負(fù)值之間的范圍會(huì)隨著工作面的推進(jìn)呈現(xiàn)變大的趨勢(shì)，即由于采空區(qū)面積不斷增加，剪切力變化范圍越大，發(fā)生剪應(yīng)力破壞的頻率也越大。經(jīng)過(guò)比較不同推進(jìn)速度下的剪應(yīng)力云圖可以得出，隨著工作面不斷地推進(jìn)，工作面的峰值剪應(yīng)力也在增加，即推進(jìn)速度越快，頂板和底板剪切破壞越大。

(a) 20 m

(b) 40 m

(c) 60 m

(d) 80 m圖6 煤層推進(jìn)過(guò)程剪應(yīng)力云圖(單位：Pa)

5 結(jié)論

1) 煤層推進(jìn)過(guò)程中，豎向應(yīng)力最終拉應(yīng)力和壓應(yīng)力值趨于穩(wěn)定，并且在工作面開采后豎向應(yīng)力的最大值不是很大，所以不影響工作面的安全開采；但是在開采過(guò)程應(yīng)注意實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和對(duì)兩側(cè)巖壁的加固和支撐，加強(qiáng)頂板和底板的抗壓強(qiáng)度，防止出現(xiàn)塌落事故。

2) 煤層推進(jìn)過(guò)程中，雖然工作面前進(jìn)過(guò)程中煤頂?shù)装遑Q向位移會(huì)隨著前進(jìn)距離的增加而增加，但增加速度逐漸減小，最終豎向位移值趨于穩(wěn)定。在實(shí)際推進(jìn)過(guò)程中，應(yīng)采取相應(yīng)措施對(duì)煤層頂?shù)装暹M(jìn)行加固，以減少煤層開采造成的過(guò)度垂直位移。1022-1工作面采煤過(guò)程中，巖層垂直位移一般不大，對(duì)煤層安全開采影響較小。

3) 在工作面推進(jìn)過(guò)程中，剪應(yīng)力變化的幅度越大，發(fā)生剪應(yīng)力破壞的頻率也越大；推進(jìn)速度越快，頂板和底板的剪切破壞越大。