胡厚琛，宣以瓊

（安徽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，合肥 230000）

引 言

潰砂是指水砂混合物通過導(dǎo)水裂隙進(jìn)入煤層開采工作面，會(huì)引起礦井內(nèi)事故，從而造成礦井內(nèi)人員傷亡。隨著煤層開采深度不斷推進(jìn)，垮落帶和導(dǎo)水裂隙帶的高度會(huì)不斷上升[1]，覆巖變形和裂隙寬度會(huì)不斷擴(kuò)大[2-5]，煤層上方的水砂混合物極有可能穿過下部含水層而發(fā)生潰泄[6-10]。李峰等[11]、翟志偉等[12]發(fā)現(xiàn)鉆孔窺視技術(shù)結(jié)合傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)公式和數(shù)值模擬技術(shù)能有效提高導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度預(yù)測精度。李建文[13]在松散含水層液化流動(dòng)的臨界水力坡度推算基礎(chǔ)上，利用承壓含水層單井非穩(wěn)定流抽水模型推導(dǎo)出實(shí)際水力坡度公式，提出了潰砂風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的臨界判據(jù)。顧北煤礦1542（3）工作面為上覆的下部含水層，屬于雙層含水層。本文利用FLAC3D軟件，對(duì)該工作面圍巖應(yīng)力、位移、塑性區(qū)變化進(jìn)行數(shù)值模擬，用經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)垮落帶和導(dǎo)水裂隙帶高度以及水力坡度進(jìn)行計(jì)算，從而對(duì)圍巖破壞情況及潰砂風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行安全評(píng)估，避免礦井內(nèi)水害事故的發(fā)生，保證煤礦安全開采。

1 工作面地質(zhì)及水文條件

1.1 工作面地質(zhì)

顧北煤礦位于安徽省淮南市，南二區(qū)為主要采區(qū)，本文以該礦1542（3）工作面為主要研究對(duì)象。主采煤層為13-1 層，平均傾角為5°，煤層厚度為3.7~5.8 m，平均厚度為4.7 m，探測可開采煤儲(chǔ)量為6.35×105t。顧北煤礦順槽煤層底板的標(biāo)高為-458.1~-433.3 m，回風(fēng)順槽煤層底板的標(biāo)高為-462.1~-442.9 m，工作面安全煤巖柱為39.4~57.6 m。該工作面設(shè)計(jì)布置情況如圖1所示。

1.2 水文地質(zhì)條件

1542（3）工作面范圍內(nèi)基巖面落差為9.2 m，總體趨勢(shì)自西南向東北逐漸降低。從1542（3）工作面的鉆孔資料分析中發(fā)現(xiàn)：上覆新生界地層厚度平均為41.6 m；面內(nèi)中部隔水層平均厚度為46.8 m，厚度相對(duì)較大，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，巖性主要是砂質(zhì)粘土和粘土，隔水性較好；下部含水層主要是砂質(zhì)粘土，發(fā)育不完善且厚度較?。幌虏扛羲畬右哉惩梁蜕百|(zhì)粘土為主，具有一定的隔水作用。該工作面部分鉆孔巖層情況如圖2所示。

2 垮落帶與導(dǎo)水裂隙帶計(jì)算

隨著煤層工作面開挖深度的不斷推進(jìn)，采空區(qū)和圍巖的變形均會(huì)擴(kuò)大。根據(jù)巖層破壞程度及應(yīng)力分布特點(diǎn)，煤層工作面可劃分為3 個(gè)區(qū)域：垮落帶、導(dǎo)水裂隙帶和彎曲下沉帶。本節(jié)主要討論垮落帶和導(dǎo)水裂隙帶對(duì)開采工作面的影響。垮落帶是指上覆巖層在采空區(qū)己經(jīng)垮落，在采場由支架暫時(shí)支撐，沿推進(jìn)方向上的巖體不能始終保持力的相互傳遞的區(qū)域。導(dǎo)水裂隙帶是沿推進(jìn)方向上裂隙較發(fā)育，各巖層的裂隙深度擴(kuò)展已接近該區(qū)域全部厚度的區(qū)域。準(zhǔn)確地確定垮落帶和導(dǎo)水裂隙帶高度，對(duì)判斷采礦期間是否會(huì)發(fā)生突水潰砂風(fēng)險(xiǎn)具有重要意義。

2.1 垮落帶高度

根據(jù)實(shí)際鉆孔取得的巖層樣本，進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，可將工作面上覆巖巖層定性為中硬覆巖至堅(jiān)硬覆巖類。不同巖性的巖層垮落帶高度計(jì)算公式見表1。表1 中M為采高，∑M為累計(jì)采厚。本文∑M取為4.6 m。

表1 垮落帶高度經(jīng)驗(yàn)公式[14-16]

由表1 可得，當(dāng)覆巖為堅(jiān)硬巖層時(shí)，垮落帶高度為：

當(dāng)覆巖為中硬巖層時(shí)，垮落帶高度為：

2.2 導(dǎo)水裂隙帶高度

不同巖性的巖層導(dǎo)水裂隙帶高度計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式見表2。

表2 導(dǎo)水裂隙帶高度經(jīng)驗(yàn)公式[14-16]

由表2可得，覆巖為堅(jiān)硬巖層時(shí)，導(dǎo)水裂隙帶高度為：

當(dāng)覆巖為中硬巖層時(shí)，導(dǎo)水裂隙帶高度為：

綜合經(jīng)驗(yàn)公式可知，顧北煤礦1542（3）工作面的導(dǎo)水裂隙帶高度范圍為36.37~70.07 m，垮落帶高度范圍為9.32~20.43 m。

3 數(shù)值模擬

3.1 建立模型

本次數(shù)值模擬所建立的模型幾何尺寸為200 m×200 m×150 m，網(wǎng)格劃分為40×40×50，如圖3所示。煤巖傾角為5°，頂部埋深為280 m，平均容重為2.35×104N/m3，應(yīng)力集中系數(shù)為1.2，初始地應(yīng)力為8.13 MPa。各巖層物理力學(xué)參數(shù)見表3。根據(jù)工程實(shí)際情況模擬工作面分別推進(jìn)40、80、120 m 及160 m 時(shí)圍巖位移、應(yīng)力、塑性區(qū)的變化情況。為了使數(shù)值模擬的結(jié)果符合實(shí)際開采的圍巖破壞情況，對(duì)模型的邊界設(shè)置相應(yīng)的邊界條件，X、Y方向固定兩端邊界，Z方向固定模型底部邊界，模型頂部邊界無約束，模型整體受重力荷載作用。

表3 各巖層物理力學(xué)參數(shù)

圖3 地質(zhì)模型圖

3.2 豎向應(yīng)力場變化規(guī)律

煤層開采時(shí)會(huì)出現(xiàn)采空區(qū)，巖層間原有的應(yīng)力平衡就會(huì)被破壞。隨著煤層開挖深度不斷推進(jìn)，巖體所受應(yīng)力有可能超過自身承載極限，造成工作面頂板塌陷，引起礦井內(nèi)發(fā)生重大事故。不同推進(jìn)距離下圍巖的豎向應(yīng)力變化云圖如圖4 所示。由圖4獲得其不同推進(jìn)距離最大豎向應(yīng)力值見表4。從表4 可以看出，隨著煤層開挖深度不斷推進(jìn)，工作面的豎向拉應(yīng)力與壓應(yīng)力都在不斷增大。因此，為防止部分巖層因斷裂垮落而無法對(duì)上部荷載起支撐作用，需對(duì)工作面圍巖進(jìn)行支護(hù)。

表4 不同煤層推進(jìn)距離圍巖的最大豎向應(yīng)力

圖4 不同煤層推進(jìn)距離圍巖的豎向應(yīng)力云圖

3.3 豎向位移變化規(guī)律

應(yīng)力變化會(huì)引起位移，進(jìn)而會(huì)影響工作面的圍巖變形程度，導(dǎo)致覆巖破碎和裂隙發(fā)育，水體極有可能通過裂隙進(jìn)入礦井，引發(fā)突水潰砂事故?，F(xiàn)利用FLAC3D軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)不同推進(jìn)距離下圍巖的位移進(jìn)行分析，獲得其位移變化情況。該工作面不同推進(jìn)距離豎向位移變化云圖如圖5所示。根據(jù)圖5 獲得頂、底板最大豎向位移見表5。從表5 可以看出，工作面推進(jìn)40、80、120 m及160 m時(shí)的頂板最 大 豎 向 位 移 分 別 為8.60、11.93、13.08 cm 及13.39 cm，底板最大豎向位移分別為11.83、23.50、41.75 cm 及58.45 cm。隨著工作面的不斷推進(jìn)，圍巖位移變化不斷增大，因此在實(shí)際工程中，對(duì)煤層頂、底板施行一定的支護(hù)是非常有必要的。

表5 不同煤層推進(jìn)距離圍巖的最大豎向位移

圖5 不同煤層推進(jìn)距離圍巖的豎向位移云圖

3.4 塑性區(qū)變化規(guī)律

隨著工作面開挖深度不斷加大，覆巖破壞范圍逐漸加大，覆巖塑性區(qū)分布云圖如圖6所示。從圖6可見，工作面推進(jìn)40 m 時(shí)，其破壞方式主要是拉伸破壞；工作面繼續(xù)推進(jìn)至80、120m 及160 m 時(shí)，其破壞方式主要是剪切破壞。當(dāng)推進(jìn)到一定深度時(shí)，拉伸破壞區(qū)域基本保持在一定的范圍內(nèi)。根據(jù)塑性區(qū)分布云圖，判斷垮落帶高度為20 m，導(dǎo)水裂隙帶高度為35 m。

3.5 模擬結(jié)果對(duì)比

經(jīng)過數(shù)值模擬得到的垮落帶高度為20 m，導(dǎo)水裂隙帶高度為35 m；經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出的垮落帶高度范圍為9.32~20.43 m，導(dǎo)水裂隙帶高度范圍為36.37~70.07 m。數(shù)值模擬得到的導(dǎo)水裂隙帶高度和垮落帶高度均比經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測的最大值低，故導(dǎo)水裂隙帶大概率不會(huì)穿過下部含水層，因而巖層內(nèi)部的砂礫得不到水力補(bǔ)給，就不會(huì)產(chǎn)生大規(guī)模的水砂混合物，從而不會(huì)帶來突水潰砂風(fēng)險(xiǎn)。

4 水力坡度計(jì)算

存在孔隙的巖體會(huì)有水流動(dòng)。當(dāng)水體擁有較高的水頭差時(shí)，其作用在固體顆粒上水平方向的力就會(huì)大于固體顆粒間的相互作用力，固體顆粒會(huì)被推動(dòng)；同時(shí)水體還會(huì)對(duì)固體顆粒產(chǎn)生向上的浮力，以抵消重力，因此一些細(xì)小顆粒會(huì)在土體中流動(dòng)，甚至導(dǎo)致潰砂的發(fā)生。水力坡度是衡量水力作用的重要指標(biāo)之一，也是判斷是否會(huì)發(fā)生潰砂風(fēng)險(xiǎn)的重要依據(jù)。

4.1 臨界水力坡度計(jì)算

常用的臨界水力坡度icr計(jì)算公式有以下4種[14-16]。

1）太沙基公式：

2）南京水利研究院公式：

3）王明年的水力坡度計(jì)算公式：

4）黨發(fā)寧的水力坡度計(jì)算公式：

以上4 種公式中，γs為土粒重度；γw為水的重度；n為孔隙率；ξ為側(cè)壓系數(shù)，ξ=μ/(1 -μ) ，其中μ為泊松比，取0.25；φ為內(nèi)摩擦角；γ'為土體浮重度；α為折減系數(shù)；θ為滲流方向角；c為土體粘聚力；R為影響半徑。

根據(jù)巖層物理力學(xué)參數(shù)和工程地質(zhì)資料，臨界水力坡度計(jì)算參數(shù)見表6，不同臨界水力坡度公式計(jì)算結(jié)果見表7。綜合4種公式計(jì)算結(jié)果，取其平均值，得出臨界水力坡度值為1.36。

表6 臨界水力坡度公式參數(shù)

表7 不同臨界水力坡度公式計(jì)算結(jié)果

4.2 實(shí)際水力坡度計(jì)算

實(shí)際水力坡度i計(jì)算公式如下[14-16]：

其中，K為滲透系數(shù)；H為含水層的水頭高度。

通過實(shí)際水力坡度計(jì)算公式可得到距離涌水通道為r處含水層的水力坡度，即：

當(dāng)r→rw（rw表示涌水通道截面為圓形時(shí)的半徑）時(shí)，可得到涌水通道的水力坡度為：

在實(shí)際工程中，涌水通道是由含水層底板即上覆巖層上縱橫交錯(cuò)的裂隙組成的。假定裂隙所過之處皆處于涌水通道井半徑中，且裂隙在上覆巖層中的發(fā)展范圍通過工作面尺寸及破裂角判斷，那么可以把矩形涌水通道斷面轉(zhuǎn)化為圓形截面，矩形涌水通道的寬度B和長度L可根據(jù)工作面尺寸以及巖層破斷角綜合確定。

根據(jù)相鄰工作面物探資料類比，取巖層破斷角θ1=60°，取導(dǎo)水裂隙帶高度Hli=35 m，在“紅層”擴(kuò)展 的 長 度 為2 ×Hli/tanθ1=40.42 m，其 寬 度B=280.42 m，長度L=140.42 m，rw2=BL/π=12 540.3 m2。影響半徑，滲透系數(shù)K取0.0016 m/d，S取最大降深200 m。

實(shí)際水力坡度計(jì)算參數(shù)見表8。根據(jù)實(shí)際水力坡度計(jì)算公式[14-16]計(jì)算出實(shí)際水力坡度值為0.41。

表8 實(shí)際水力坡度公式參數(shù)

根據(jù)臨界水力坡度和實(shí)際水力坡度公式計(jì)算結(jié)果，得出1542（3）工作面臨界水力坡度值icr=1.36，實(shí)際水力坡度值i=0.41。經(jīng)過對(duì)比可以看出，顧北煤礦1542（3）工作面實(shí)際水力坡度值小于臨界水力坡度值，因此細(xì)小顆粒在土體中流動(dòng)性較小，只會(huì)發(fā)生輕微流砂，對(duì)煤層開采只有輕微的影響。

4.3 突水潰砂可能性評(píng)價(jià)

本文依據(jù)多種方法計(jì)算得出1542（3）工作面臨界水力坡度，采用數(shù)值模擬以及工程類比等方法評(píng)價(jià)礦井發(fā)生突水潰砂的可能性。明確了水力坡度對(duì)于潰砂分析的重要作用，對(duì)煤層采厚和傾角相近、土體性質(zhì)相似、采煤方法相同或相似的采煤工作面潰砂風(fēng)險(xiǎn)分析具有一定的參考價(jià)值，為礦井安全生產(chǎn)提供了可靠的依據(jù)。

5 結(jié) 論

計(jì)算了垮落帶高度、導(dǎo)水裂隙帶高度以及水力坡度，并使用FLAC3D軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，分析圍巖豎向應(yīng)力、豎向位移、塑性區(qū)變化規(guī)律，并將經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果相對(duì)比，得出以下結(jié)論：

1）隨著煤層開挖深度的不斷加大，工作面受豎向應(yīng)力作用導(dǎo)致煤層頂、底板出現(xiàn)位移，推進(jìn)過程中底板最大位移達(dá)到58.45 cm，因此在實(shí)際開采中，要做好支護(hù)，以防出現(xiàn)坍塌事故。

2）隨著煤層工作面開挖深度的不斷推進(jìn)，開采工作面所受應(yīng)力和塑性區(qū)破壞程度也不斷加大。對(duì)比經(jīng)驗(yàn)公式與數(shù)值模擬結(jié)果，發(fā)現(xiàn)模擬獲得的垮落帶高度和導(dǎo)水裂隙帶高度均小于經(jīng)驗(yàn)公式所預(yù)測的最大值，因此，判斷在開采過程中不會(huì)發(fā)生水砂潰泄的事故。

3）采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出的實(shí)際水力坡度值小于臨界水力坡度值，滿足i