开采顺序对浅部煤层覆岩破坏与孔隙水压力演化影响数值模拟

朱慎刚

(淮北矿业集团 祁南煤矿，安徽 宿州 234115)

开采顺序对浅部煤层覆岩破坏与孔隙水压力演化影响数值模拟

朱慎刚

(淮北矿业集团 祁南煤矿，安徽 宿州 234115)

为分析不同开采顺序对厚松散层底部含水层下开采渗流场与应力场相互影响及其演化规律，建立了厚松散层底部含水层下浅部煤层开采的流固耦合数值模型，模拟结果表明：开采顺序对覆岩渗流场及移动破坏特征有很大影响，采用由深部向浅部的递采顺序所产生的塑性区范围、竖向位移、孔隙水压力变化相对由浅部向深部的递采顺序较安全可靠。

开采顺序；覆岩破坏；孔隙水压力；流固耦合

NumericalSimulationforInfluenceofMiningSequenceonPoreWaterPressureVariation

渗流场与岩体应力场耦合对煤层顶板覆岩破坏有重要影响。由于覆岩中存在裂隙或孔隙，煤层开采后使岩体介质产生水头差，从而引起水体的渗流运动。渗流产生的动水压力和静水压力会使岩体介质的应力场发生改变，而应力场的改变产生的体积应变会使岩体介质的孔隙率发生变化，进而引起渗流场变化。因此，在煤层上覆岩层中存在含水层时，顶板覆岩运动破坏是上覆岩体变形破坏和水渗流共同作用的结果。受围岩应力场与渗流场在开采扰动下的耦合作用，单一考虑此类问题必然会导致结果的误差。

本文采用FLAC3D软件，对不同开采顺序下煤层顶板上覆岩体移动破坏特征及渗流特征进行了流固耦合数值模拟，从模拟过程中能发现顶板覆岩的变形、破坏以及渗流场在整个开采过程中的变化规律，这对煤层开采的设计以及防治突水溃砂工作具有重要的指导意义。

1 煤层赋存条件

淮北煤田是新生界巨厚松散层覆盖下全隐伏型煤田，煤系上部含水砂砾层直接覆盖煤层露头之上，对煤系地层直接产生渗透补给，对矿井安全生产构成极大威胁。煤层开采后将引起上覆天然岩体的移动与破裂，从而在覆岩中形成采动裂隙引起井下突水事故。

淮北矿业祁南煤矿31采区位于一背斜北翼，地面标高+21m，隐伏基岩面埋深330～350m，第四系松散层平均厚341.74m，发育3个隔水层和4个孔隙含水层，自上而下依次为一含、一隔、二含、二隔、三含、三隔、四含。四含与32煤层之间发育有二叠系砂岩裂隙含水层。本次研究对象为31采区32煤层。32煤位于上石盒子组下部，平均厚2.76m，煤层底板标高为-334.60～-676.75m，倾角6～20°之间，为缓倾煤层，结构简单至复杂，夹矸一般1～2层，多者3～4层，夹矸多为泥岩，少量炭质泥岩和粉砂岩，属稳定煤层。煤层顶板以泥岩为主，局部为粉砂岩，底板多为泥岩，局部粉砂岩。受采动影响含水层为新生界松散层第四孔隙含水层(四含)和二叠系砂岩裂隙含水层。四含水位埋深18m，水头高度约310m，含水层平均厚度8.9m。砂岩含水层平均厚度15m，水位埋深与四含水基本持平。数值模拟采动范围为隐伏露头至-550m之间的浅部32煤层

2 流固耦合数值模型

2.1 流固耦合数值模型的建立

图1 计算模型及监测线(点)分布

为了分析厚松散层及超薄覆岩条件下煤层(浅部煤层)在开采过程中覆盖岩体三维宏观力学性质及含水层渗流等时空演化规律，以31采区为数值模拟原型，根据现场实际地质资料，运用FLAC3D进行水土(岩)耦合三维数值模拟。数值模型及监控点位置(水平线与竖向线的交点)见图1。计算时考虑了采空区的回填效应，冒落松散岩体按松散堆积土考虑。数值模拟中采用的主要材料参数见表1。采用摩尔-库仑弹塑本构模型。模型前后左右边界定义为垂直于端面的位移和位移速度为零，底部边界定义为垂直于端面和平行于端面的位移和位移速率为零的三维约束，上部边界定义为自由边界。初始应力考虑地质体的构造应力，其中重力由公式σz=γh计算；水平应力按埋深取垂直应力的0.5～1.0倍。水力边界条件定义松散层为不透水层，四含为区域补给承压含水层，煤层砂岩裂隙含水层为封闭承压含水层，为不透水边界。

模拟设计了2种不同的开采方案，方案一从上而下依次开采311，313，315工作面，方案二从下而上依次开采315，313，311工作面。311，313，315工作面距离四含间距分别为40～90m，90～140m，140～190m。

表1 岩体力学参数

2.2 数值模拟结果分析

2.2.1 塑性区分布

2种方案不同开采顺序开采后的塑性区见图2，图3所示。

图2 方案一开采后的塑性区

图3 方案二开采后的塑性区

从图2中可以看出，方案一第1步311工作面开采后，煤层底板向下依次出现张拉破坏区、张剪破坏区、张拉破坏区，顶板覆岩向上依次出现张拉破坏区、张剪破坏区，张剪破坏区贯穿四含，采空区顶部松散层出现剪切破坏区，两侧地表(计算模拟左右上角)出现张拉破坏区。随着第2，3步开采的进行，煤层顶板覆岩主要变为张拉破坏区，并逐渐转变为马鞍形，而底板也以张拉破坏为主，地表破坏区逐渐增大。

由图3可以看出，方案二第1步315工作面开采后，煤层顶底板均依次出现张拉破坏区、张剪破坏区、张拉破坏区，塑性区均大于方案一中的315工作面开采后的煤层底板塑性区，但随着313，311工作面的相继开采，煤层顶板覆岩向上主要变为张拉破坏区、张剪破坏区，并逐渐变为马鞍形，底板以张拉破坏区为主，其塑性区相对于方案一对应工作面开采后的塑性区有所减小。方案二开采后松散层的剪切破坏区不明显，且采空区上部左右地表的张拉破坏区相对于方案一明显减小。张拉破坏会导致岩层裂隙发育，开度增大，使岩层透水性增强，因此在采煤过程中张拉破坏区应作为主要考虑对象。由此可见，采用从下而上的开采方法相对更安全，更有利于减少溃砂隐患。

2.2.2位移场分布规律

2种方案不同开采顺序开采后的竖向位移等值线图见图4，图5所示，图中位移值单位为m。从图中可以看出，方案一第1步开采后，开采工作面附近围岩将产生较大的竖向位移，随着开采向深部递进，由开采所引起的竖向位移则逐渐变小，这是由于某一工作面开采后，使未开采的相邻工作面应力调整，应力有所释放，因此当开采较深部位的工作面时，其竖向位移相对较小。方案二第1步开采后315工作面附近围岩产生的竖向位移相对方案一315工作面开采后产生的竖向位移大，但随着开采向浅部递进，由开采所引起的围岩竖向位移相对方案一对应工作面开采后所产生的竖向位移小。

图4 方案一开采后的竖向位移等值线

图5 方案二开采后的竖向位移等值线

图6 不同开采方案不同工作面相继开采后311 工作面中点处剖面各监控点竖向位移

311工作面顶板覆岩厚度最小，在开采过程中相对最为危险，因此以311工作面中点处为例作出该剖面各监控点在不同开采方案下不同工作面相继开采后的竖向位移见图6。从图6中可以看出，采用第一种开采方案时，当311工作面开采结束，311工作面中点剖面上煤层顶板、上部覆岩中部、四含顶底板均产生较大竖向位移，煤层底板产生向上的位移。随着工作面的相继开采，竖向位移值变化不大，煤层顶板处的竖向位移与覆岩中部和四含顶底部的竖向位移相差较大，说明竖向位移在该段不连续，岩层产生了离层。采用第二种方案开采时，315，313工作面的开采对311工作面中点剖面的竖向位移影响较小。当开采311工作面后，各监控点竖向位移明显增大，但与方案一相比，煤层顶板、上部覆岩中部、四含顶底板处竖向位移大约减小23.4%～38.7%。综合以上分析，采用方案二开采相对安全。

2.2.3 孔隙水压力分布规律

2种方案不同开采顺序开采后的顶板砂岩裂隙水和四含底部孔隙水压力等值线图见图7，图8所示，图中压力单位为MPa，压力监测曲线见图9。

图7 方案一开采后孔隙水压力等值线

图8 方案二开采后孔隙水压力等值线

图9 两种方案相邻工作面先后开采含水层压力监测曲线

从图9中可以看出，2种开采方案煤层顶板裂隙水压力均表现出在临空状态的监测点变为0，未开采工作面及附近的监测点不断下降，已开采工作面及附近的监测点逐渐回升的变化趋势。方案一压力最大升高值小于初始压力的45%，方案二的最大升高值小于初始压力的50%。四含底部孔隙水压力表现出临空状态的监测点迅速变小，未开采工作面及附近的监测点持续下降，已开采工作面及附近的监测点逐渐回升的变化趋势。方案一的压力最大升高值小于初始压力的60%，方案二的最大升高值小于初始压力的70%。就某一工作面而言，含水层水压力变化速率会随着开采面的逐渐靠近而不断增大，随着开采面的逐渐远离而不断减小。煤层顶板裂隙水压力在2种方案下的变化速率相当。四含底部的孔隙水压力在方案二下的变化速率明显小于方案一，因此其疏放四含水的压力相对较小。在整个开采过程中，四含底部的孔隙水压力变化幅度比煤层顶板砂岩水的大。当工作面开采时，其对应工作面上部的四含孔隙水压力随着开采进行逐渐变为负值，说明作为采空区补给水源的四含得到很好地释放。因此，在留设安全煤岩柱时，疏放四含水将会有利于煤层的开采，特别是有利于减小工作面的上下风巷及其附近涌水溃砂的威胁。

3 结论

(1)随开采的进行，顶底板岩层破坏形式由张拉、张剪逐渐转变为以张拉破坏为主。采用由深部向浅部的递采顺序，其塑性区整体范围相对由浅部向深部的递采顺序所形成的塑性区范围小。

(2)方案一第1步开采后，开采工作面附近围岩产生较大的竖向位移，随着开采向深部递进，由开采所引起的竖向位移则逐渐变小。方案二第1步开采后工作面附近围岩产生的竖向位移相对方案一对应工作面开采后产生的竖向位移大，但随着开采向浅部递进，围岩竖向位移相对方案一对应工作面开采后所产生的竖向位移小23.4%～38.7%。

(3)随着煤层的开采，煤层顶板砂岩及四含底部孔隙水压力表现出在临空状态的监测点迅速变小，未开采工作面及附近的监测点持续下降，已开采工作面及附近的监测点逐渐回升的变化趋势。四含底部的孔隙水压力变化幅度比煤层顶板的大。

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[责任编辑：于健浩]

2014-05-30

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

朱慎刚(1967-)，男，安徽萧县人，高级工程师，现为淮北矿业集团公司祁南煤矿总工程师。

朱慎刚.开采顺序对浅部煤层覆岩破坏与孔隙水压力演化影响数值模拟[J].煤矿开采，2014，19(4)：18-21.

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1006-6225(2014)04-0018-04