覆岩含水层采动破坏机理流固耦合分析及保护措施研究

董立军，张国红，吴洪胜

(中海油新能源(准格尔)煤基能源有限公司，内蒙古 准格尔旗 010300)

原岩应力的力学平衡状态在煤层开采过程中受到了破坏，使覆岩发生不同程度的变形、移动和破损，造成岩体的渗透性发生很大变化，从而导致矿井突水等安全事故。因此，研究采动条件下围岩变形特征和围岩渗透性的变化规律对于安全高效及保水开采具有重大理论意义。

文献[1～4]研究并建立了“横三区”“竖三带”理论、关键层理论等覆岩变形破坏特征的相关理论。张金才等[5]论述了矿山岩体的采动破坏特征和岩体的渗流规律，探讨了岩体渗流与应力的耦合机理。张后全、杨天鸿等[6]研究了煤层顶板的变形、破坏过程以及渗流场在整个岩体的运移过程及其突水前后渗流场的变化情况。随着采矿工程技术的进步与计算机技术的发展，许多学者应用数值模拟方法对围岩的变形损伤和突水机理进行了研究[7-11]。煤炭开采对地下含水层的破坏问题是一个应力场和渗流场相互作用问题[11-15]，本文以老三沟井田6煤工作面为例，采用岩石破裂过程流固耦合分析系统UDEC-Flow，研究覆岩含水层在采动条件下的破坏机理，对6煤覆岩含水层的保护进行了初步研究，为6煤开采时覆岩含水层保护提供理论指导。

1 工作面地质及水文地质概况

老三沟井田位于内蒙古准格尔煤田中部矿区最北端，总体构造形态为一向西微倾的单斜构造，绝大部分地区地层倾角在3°以下。首采6煤层(尚未开采)平均厚度约12 m，欲采用综放采煤工艺，采3.5 m，放8.5 m，全部垮落法管理顶板，工作面布置长度240 m，平均埋深530 m，煤层顶、底板主要由粉砂岩、含碳泥岩、粗砂岩、砂砾岩组成。含水层岩性主要为砂、砾岩，隔水层岩性主要为泥岩。含水层均为孔隙潜水，且富水性不均一；隔水层分布较稳定，隔水性较好。井田范围内大部被黄土覆盖，水资源贫乏，地下水补给困难。

2 覆岩移动数值模拟研究

根据老三沟工作面的具体地质条件，建立走向方向的UDEC平面应变模型。模型的走向长度为1000m，高度为550m。模拟6煤层厚度为12m，平均埋深为530m，模拟煤层上方岩层到地表松散层，底板岩层厚度为20m。模型两侧边界施加水平约束，可垂直移动；底部边界施加水平和垂直约束；模型的上部边界为自由边界；左右面为隔水边界。同时在6煤上30m和90m处设置监测点，监测空隙压力和渗流速率的变化。计算模型中煤层及各岩层物理力学参数如表1所示。模型采用分步开挖，每次开挖的步距为5m，一共开挖250m。

表1 煤层及各岩层物理力学参数

2.1 模拟工作面走向开挖及结果分析

在工作面推进初期，直接顶随采随落，覆岩变形移动较小，岩体有轻微损伤，采空区周围围岩有裂隙，渗流量略大。

由图1可知，当工作面推进到80 m时基本顶已经破断，在工作面前方产生裂隙，产生渗流通道，其分布范围主要在层间离层空隙、采空区后方、工作面前方煤壁处和岩层中部拉伸断裂处，上覆砂岩含水层受到影响，开始下渗，工作面水量增大，但不会对生产造成太大影响。

当工作面推进到150m时，已经历了多次周期来压，关键层已经破断，形成了稳定的砌体结构，采空区上覆岩层已经出现离层现象，从图2中可以看出，隔水层受到采动影响，产生离层裂隙，形成了渗流通道，此时上方砂砾岩含水层空隙水沿着下方裂隙开始下渗，但由于下方岩层为泥岩隔水层，其渗透系数较低和遇水膨胀性，当遇水裂隙开始弥合，同时随着工作面的推进，采空区的离层裂隙逐步被压实，含水层不会对6煤开采工作面造成较大影响。

当工作面推进到250m时，虽然覆岩导水裂隙已经进入了隔水层，但由于隔水层的特殊性质，裂隙遇水弥合。含水层水位有所下降，但并未对6煤开采产生危险(图3)。

从图4中可看出，在6煤上方30 m处，空隙压力随着工作面的推进逐渐减小，在工作面推进到一定程度，空隙压力不再变化。渗流速率随着工作面的推进不断增大，当增大到一定程度后，突然减小，由此可知开采6煤后上方30 m岩层完全处于垮落带，当工作面推进至此监测点前方时，裂隙开始产生，水开始下渗，空隙水压降低，流速增大，随着工作面的推进，此处岩层垮落并压实，空隙水被排干，空隙压力和渗流速率趋于稳定。

图1 工作面走向推进80 m

图2 工作面走向推进150m

从图5中可以看出当工作面未推进到此监测点处时，空隙压力和渗流速度基本保持不变，说明6煤开采起初并未对此产生较大影响，随着工作面的推进空隙水压逐步增大，渗流速度也同时增大，其中空隙压力增大到一定程度后不再变化，渗流速率则逐步减少并趋于稳定。由此可知，当工作面推至此监测点投影位置时，裂隙较发育，上方含水层顺此处裂隙下渗，故此空隙水压及速率均增长，随着工作面推进，此点处在采空区，裂隙重新闭合，渗流速率减小。

2.2 模拟工作面倾向开采及结果分析

从图6中可以看出在工作面倾向方向，垮落带高度约为45m，裂隙带高度约为85m。因此，隔水层、含水层处于裂隙带范围内，在两侧的回采巷道上方裂隙较发育，成为充水通道，此处渗流速率较大，部分水已经沿着充水通道进入隔水层裂隙当中，含水层水位有所下降。

从图7中可以看出，在6煤开采初期，渗流速率和空隙压力变化不大，随着时间的推移，渗流速度逐步增大，随后又逐步减小并恢复原来状态，而空隙压力则逐步增大到一定程度不再变化。

图3 工作面走向推进250 m

图4 6煤层上方30 m处渗流情况

图5 6煤上方90m采空区中部渗流情况

图6 倾向方向渗流分布

图7 6煤上方90m处渗流情况

图8 6煤上方30m处渗流情况

从图8中可看出，在6煤开采后，随着时间推移，渗流速度陡然增大后有减小，最后几乎为零，而空隙压力一直减小到零。由此说明此处空隙水受到采动影响，完全流失进入采空区。

3 覆岩含水层保护措施研究

老三沟矿井6煤(尚未开采)开采工艺为长壁综放，数值模拟和物理模拟结果显示，6煤开采后的导水裂隙带高度为130m。以4号勘探线剖面为例，6煤顶板砂岩裂隙含水层、砂砾岩裂隙含水层及其之间的隔水层均位于导水裂隙带内，受采动影响，含水层中发育的裂隙可能与采空区贯通，进而造成水位下降甚至水资源的流失(图9)。

由于含水层的层位不一、含水特征不尽相同等特点，对于不同的含水层的保护难度也不同[15]。根据含水层与裂隙带高度的不同，基于4号勘探线剖面，将老三沟井田砂砾岩含水层和砂岩含水层的保水开采难度分为：保水开采苛刻级和保水开采困难级。对应具体类别如表2所示。

依据文献[16]，可行的保水开采技术应满足：隔水层采动裂隙的快速愈合、减少隔水层的采动损伤程度及增加隔水层的采动保水能力。同时，结合上述覆岩含水层流固耦合分析，提出老三沟井田保护覆岩含水层的开采技术，将直接指导6煤开采。如表3所示。

图9 4号勘探线剖面

表2 老三沟井田保水开采难度分级

难度等级对应含水层要求备注保水开采苛刻级6煤顶板砂岩裂隙含水层含水层及其下隔水层不受到采动破坏①意味着采高或等价采高将大幅缩小,且要求极其严格;②如能实现,其上含水层均可得到保护。保水开采困难级砂砾岩裂隙含水层保证其隔水层大部或全部位于裂隙带之上应保证隔水层的隔水连续性

表3 老三沟井田保水开技术适用性

4 结论

1)沿工作面走向和倾向，分别运用数值模拟对工作面开采后覆岩流固耦合机理进行了分析。分析结果显示，随着工作面的推进，裂隙不断向上发育，直接顶、基本顶的相继破断和垮落导致了导水裂隙的形成；同时随着工作面的推进，先前生成的一些裂隙出现了闭合，而工作面附近产生新的裂隙，其演化过程可归纳为发展期、贯通期和压实闭合期。

走向模拟结果显示：在工作面推进初期，覆岩变形移动较小，采空区周围围岩有裂隙。当工作面推进到80 m时，产生渗流通道，其分布范围主要在层间离层空隙、采空区后方、工作面前方煤壁处和岩层中部拉伸断裂处，上覆砂岩含水层受到影响。当工作面推进到150m时，隔水层受到采动影响，产生离层裂隙，此时上方砂砾岩含水层空隙水沿着下方裂隙开始下渗，但由于下方的泥岩隔水层及离层裂隙逐步被压实，对工作面开采影响较小。当工作面推进到250m时，虽然覆岩导水裂隙已经进入了隔水层，但由于隔水层的特殊性质，裂隙遇水弥合，并未对6煤开采产生危险。由6煤上30m处的空隙压力和渗流速率的监测结果可知，开采6煤后上方30m岩层完全处于垮落带，当工作面推进至此监测点前方时，空隙水压降低，流速增大，随着工作面的推进，此处岩层垮落并压实，空隙压力和渗流速率趋于稳定。由6煤上90m处的空隙压力和渗流速率的监测结果可知，当工作面推至此监测点的投影位置时，空隙水压及速率均增长，随着工作面推进，此点处在采空区，裂隙重新闭合，渗流速率减小。

倾向模拟结果显示：垮落带高度约为45 m，裂隙带高度约为85m。因此，隔水层、含水层处于裂隙带范围内，在两侧的回采巷道上方裂隙较发育，成为充水通道，此处渗流速率较大，部分水已经沿着充水通道进入隔水层裂隙当中，含水层水位有所下降。6煤上90m处的空隙压力和渗流速率的监测结果显示，在6煤开采初期，渗流速率和空隙压力变化不大，随着时间的推移，渗流速度逐步增大，随后又逐步减小并恢复原来状态，而空隙压力则逐步增大到一定程度不再变化。6煤上30m处的空隙压力和渗流速率的监测结果显示，在6煤开采后，随着时间推移，渗流速度陡然增大后有减小，最后几乎为零，而空隙压力一直减小到零。由此说明此处空隙水受到采动影响，完全流失进入采空区。

2)依据老三沟井田具体地质条件及数值模拟结果，将老三沟井田砂砾岩含水层和砂岩含水层的保水开采难度分为保水开采苛刻级和保水开采困难级，并提出了相应的保护措施。对于保水开采苛刻级，将采用加快工作面推进速度；局部注浆加固、局部降低采高、局部充填；部分开采或高质量充填开采法等开采技术。对于保水开采困难级，将采用加快工作面推进速度；注浆加固、降低采高、充填开采；部分开采或高质量充填开采法(必要时)等开采技术。

3)由于老三沟井田6煤尚未开采，此次对6煤覆岩含水层的保护作出的初步研究，目的是为将来的开采提供指导，同时该保护措施将会在6煤开采过程中得到进一步的提高与完善，对同类开采地质条件下的矿井开采提供了参考依据。

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