高承压水体上开采煤层底板潜在突水区动态演化数值模拟

陈陆望，刘金龙，桂和荣

(1.合肥工业大学资源与环境工程学院, 安徽 合肥 230009; 2.合肥学院建筑工程系, 安徽 合肥 230022; 3.宿州学院地球科学与工程学院, 安徽 宿州 234000)

多年来对承压水体上开采引起的煤层底板突水问题的研究，国内外学者进行了一些有益的探索和尝试[1-10]。高承压水体上开采工作面突水，其实质是高承压水突破底板隔水层的阻隔沿底板隔水层裂隙以突发、缓发或滞发的形式向上涌入工作面或采空区的过程。目前高承压水上体上开采煤层底板突水理论，虽然均在不同程度上为防治煤矿底板水害起到了积极的指导作用，但大部分研究成果只是基于简单物理数学模型或数值模型，很少从采动过程乃至具体地质与水文地质条件入手分析煤层底板变形破坏演化趋势及其与突水的关系，以致高承压水体上开采突水的预测预报势必存在一定程度的盲目性。考虑高承压水体上煤层开采过程，从时空以及应力场与渗流场共同作用的角度研究底板岩体变形破坏与潜在突水区的演化规律，将会给底板突水的研究带来更符合实际的解答。

本课题以淮北矿业(集团)有限责任公司芦岭煤矿高承压的石炭系太原组灰岩含水层(水压一般为4MPa～7MPa)上开采10煤层为研究示范。采用大型有限元数值分析软件Plaxis建立能模拟高承压水压力的10煤动态开采的数值模型，并考虑冒落矸石密度、变形参数与强度参数随时间的变化，分析底板采动破坏带与潜在突水区域的时空分布及其演化规律，为高承压含水层上煤层开采的防治水工作提供理论支持。

1 煤层开采条件

芦岭煤矿10煤层是其主要可采煤层之一，占全矿井储量的14.9%。10煤层底板标高-300～-800m，倾角0°～30°，10煤底板至石炭系太原组一灰顶厚约为40～80m，其上部为细砂岩、粉砂岩、砂质泥岩互层，中下部以黑色泥岩为主。太原组灰岩含水层水压一般为4MPa～7MPa。10煤开采除了与地质构造、瓦斯、地压、顶板外，10煤底板高承压的灰岩水是威胁10煤安全开采的重要因素。

2 有限元数值建模

2.1 前提与假设

工作面顶底板岩体的变形与破坏仅发生在横断面内，即视为平面应变问题，岩体采用理想弹塑性模型，屈服准则为Mohr-Coulomb准则；每一岩层内部构造均匀且为各向同性体；采煤过程中10煤工作面的回采速度取值为4 m/d；参考相关文献资料[9-11]，假定采空区长度大于20 m时顶板岩体将产生冒落；10煤底板隔水层底面处受到的超静水压力，用等效均布荷载模拟；10煤层厚度均值为1.92m，计算中取2.0 m。

2.2 几何模型与边界

芦岭煤矿10煤倾角为5°、隔水层厚度为40m时的有限元计算简图。图中煤层顶底板各岩层的分布是基于水文地质综合柱状图概化而得到的。计算模型的上部取至500m深处，通过施加均布荷载P来模拟上部岩层的重力作用。承压水作用于隔水层底面，通过施加均布荷载pw来模拟其作用效果。在进行有限元计算时，对模型的底面施加水平和竖直方向的位移约束，对两侧只施加水平方向的位移约束。初始应力场由岩层自重应力和上部均布荷载及承压水荷载共同作用产生。采用15节点三角形单元，网格剖分利用软件自动实现，其大小通过试算并考虑计算精度及收敛条件确定，并在10煤层工作面附近进行手动加密优化处理。

2.3 参数选取

结合矿井勘察资料、钻孔资料及相关图纸，计算中采用表1所示的计算参数(少数查不到的参数，采用工程类比法与相关文献[9-10]中的参数进行对比研究确定)。其中侧压力系数按照Jaky经验公式k0=1-sinФ求得。

表1 有限元计算参数

采空区冒落的矸石是一种松散介质。随着工作面的推进，矸石在覆岩作用下逐步被压实，材料的密度ρ、弹性模量E、泊松比v、黏聚力c与内摩擦角Ф随时间而增加[9-11]，见图1。其中不妨以K(K=f(x)/ f(x)0，f(x)可以分别取ρ、E或v，其中ρ0=1600kg/m3，E0=15MPa，v0=0.05)为增大系数来考察密度ρ、弹性模量E、泊松比v随时间的变化规律。

2.4 采空区与冒落区关系的处理

进一步解释了有限元计算过程中采空区及其中冒落区的处理方法。从10煤工作面开切眼开始，工作面按4m/d的采煤速度向右推进。根据假定，采空区最大未冒落长度为20m。若采空区长度超过20m，离当前工作面最远处的顶板将产生冒落，冒落形成的矸石把采空区填充。离当前工作面越远，其冒落越早，矸石的强度增长越大。依此类推，根据图1，冒落时间不同导致其计算参数的取值是不同的，计算参数随时间增长而变大。可见，本有限元计算中对不同位置的矸石采用不同的计算参数，可以较合理的模拟采煤工作面向前推进过程中采空区相继冒落的工程力学作用机制。

图1 矸石密度、变形与强度随时间变化

3 数值模拟结果分析

3.1 底板潜在突水区形成及其动态演化

承压水上采煤过程中底板突水位置是与采空区应力和变形相关联的[12-13]。煤层底板应力卸荷较大，导致底板隆起变形加大，使得岩体中原本闭合的裂隙相互勾通而成为涌水通道，从而构成底板突水危害。因此，分析开采过程底板应力的变化程度，也可以从一定程度上反映底板突水危险性的程度。有限元计算得到了10煤开采过程中岩体竖向应力小于未开采前数值30%的区域分布，可见，针对煤层底板而言，竖向应力减小为未开采前数值30%的区域基本位于距煤层底板20m的范围内。随着工作面的推进，该范围也逐渐向前推进。各图红线所示区域内，应力减小程度较大，也是底板采动破坏影响程度大的区域。

研究表明，底板突水的必要条件是底板存在破碎带或导水裂隙，其突水的充分条件是承压水的水压Pw大于或等于水平应力σx[14-15]。底板在开采前后的水平最小应力，可以作为底板突水的预测依据。10煤开采过程中底板水平应力σx小于承压水压力Pw的分布区域。分析可知，煤层开采过程中底板采动破坏区域具有下列特征：①采空区底板，由于应力卸荷严重，存在潜在突水区；②随着工作面的推进，底板潜在突水区也逐步跟进，该区域紧靠10煤层底部，其深度一般不大于20m；③随着工作面的推进，冒落矸石强度随着时间的延长而逐步增长，其所承担的应力水平也逐渐提高，原来开挖产生的导水裂隙可能在应力调整过程中又逐步闭合，导致早期冒落处底板的突水可能性降低。

3.2 底板潜在突水区演化的煤层倾角机制

考虑开采过程中底板隔水层厚度与承压水压力的极端情况，图7给出了底板隔水层厚度40 m，承压水压力Pw=7MPa，开采至25d，煤层倾角取值不同时岩体内水平应力σx小于承压水压力Pw的区域(潜在突水区)分布图。从潜在突水区面积上看，随着煤层倾角的增大，底板中潜在突水区有缩小的趋势。但这并不意味着随着煤层倾角的增大底板突水的可能性降低，从围岩体内水平应力σx小于承压水压力Pw的轨迹连线上看，煤层底板深度一定范围内的区域均处于潜在突水区，煤层倾角的变化对潜在突水区的影响不显著。然而，随着煤层倾角的增大，由于冒落岩体的充填效应，沿工作面的推进方向采空区原来的导水裂隙提前闭合，潜在突水区区域减小并逐步集中于新近采空区的底板处。

3.3 底板潜在突水区演化的承压水压力机制

毫无疑问，承压水压力越大，煤层底板裂隙扩展并最终相互沟通的可能性越大，煤层底板突水的危险性增大。隔水层厚度40m、煤层倾角13°、开采至25d，且承压水压力分别为4MPa、5MPa、6MPa和7MPa时底板潜在突水区分布随着承压水压力的增大，隔水层中潜在突水区及其深度增大。特别是当承压水压力为7MPa时，底板中的裂隙迅速向含水层扩展，潜在突水区急剧增大，具有突发性。因此，在承压水压力较大的区域，若隔水层厚度较小(特别是隔水层中泥岩所占比重较小)时，该处的煤层开采是相当危险的，不辅以其他加固或疏水降压措施，原则上这些区域的煤层不宜开采。

4 结论

数值模型选择了采煤工作面推进距离、煤层倾角、承压水压力等方面的因素，从时空角度动态分析了芦岭煤矿底板受石炭系太原组灰岩高承压含水层威胁的10煤开采过程中底板变形破坏及潜在突水区演化。研究结论包括如下三个方面：

1)正常开采条件下，10底板破裂深度随着工作面的推进距离的加大而增加，推进到一定距离时将会达到极大值，底板采动破坏带深度不超过20m。

2)煤层倾角的变化对潜在突水区影响不太明显，随着煤层倾角的增大，沿工作面的推进方向，采空区原来的导水裂隙由于冒落岩体的充填效应闭合早，潜在突水区减小，逐步集中于新近的采空区。

3)随着承压水压力的增大，底板潜在突水区及其发育深度增大。在承压水压力较大的区域，若隔水层厚度较小(特别是隔水层中泥岩所占比重较小)时，该处的煤层开采是相当危险的。

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