承压水上煤层开采后底板破裂厚度的数值模拟

仇圣华苗海洋程洪良杨志锡张志敏杨永胜（.上海应用技术大学城市建设与安全工程学院,上海市奉贤区,048; .山东华宁矿业集团有限公司,山东省泰安市,7400）



承压水上煤层开采后底板破裂厚度的数值模拟

仇圣华1苗海洋1程洪良2杨志锡1张志敏2杨永胜1
（1.上海应用技术大学城市建设与安全工程学院,上海市奉贤区,201418; 2.山东华宁矿业集团有限公司,山东省泰安市,271400）

摘要山东宁阳县伏山煤矿32603回采工作面位于富含承压水的地层上部,根据井田内煤层赋存状况与地质特点,通过对地层特征、断层等分析,研究建立了区域地质模型,并进行有限元模拟计算,分析得出该区域内32603回采面煤层开采后底板破裂厚度值,且模拟计算结果与采用经验公式计算所得值一致。研究表明:建立的区域地质模型合理,模拟计算结果可靠,为该矿井的安全生产提供了科学指导。

关键词煤炭开采 承压水 底板破裂厚度 地质模型 数值模拟

煤层底板突水是突发性灾害事故,其破坏性及造成的损失极大,国内外学者对其进行了大量的研究,并提出了一系列回采工作面底板破裂突水理论,如将底板隔水层带看作四周固支受均布载荷作用下的弹性薄板的“薄板结构”理论;在采动压力和水压的共同作用下,承压水沿着底板隔水层的裂隙扩展、入侵、递进的发展导升的“递进导升”理论;底板是否发生突水关键在于是否具有突水通道的“强渗通道”理论等。但根据国内外大量煤矿回采工作面突水资料揭示,矿井开采发生的突水事故大多与断裂构造及承压水上采煤活动有关,尤其在上述两地质条件共存的情况下,回采工作面面临的突水风险更大。因此,研究分析煤层开采后该类回采工作面所在区域的底板破裂厚度状况具有十分重要的意义。

1　工程概况

山东省泰安市宁阳县伏山煤矿地质条件复杂,主采煤层为山西组3上和3下煤层,煤层平均厚度为3.6 m,下距山西组底界面10～25 m,距三灰39.51～43.20 m,平均为41.66 m。井田内断层多为正断层,如图1所示,主要有F23、F24、F26、F52、F53和F13断层,大多比较发育,对煤层开采极为不利。井田地层柱状图见图2。

图1　井田地质剖面图

图2　井田地层柱状图

浅部地层主要由砂质粘土、砂岩、砂砾石、紫色砂岩、含砾砂岩、砾岩、粘土岩等组成,各岩层厚度分布不平均,为西薄东厚。赋存于地质条件相对较好区域的部分煤炭资源即将开采完毕,赋存于承压水上的大量煤层所处地质条件较差,受承压奥灰水的严重威胁,该矿32603回采工作面底板隔水层厚度为9～18 m,其下为富含奥灰水的石灰岩层,水头压力为3.5～6.0 MPa。为了研究该矿能否安全回采这部分赋存于地质条件较差区域且受奥灰水严重威胁的煤炭资源（58号钻探孔处）,本文采用数值模拟和经验公式两种计算方法,研究分析该区域煤层开采后底板破裂厚度值,以预测煤层开采的安全性。

2　有限元数值模拟模型的建立

2.1研究区域及边界条件的确定

根据32603回采工作面所处区域的地质条件及研究需要,将地表至地下240 m范围内的地层按其自重视为垂直方向的载荷施加在模型上表面。将模型左边界定为距32603回采面回风巷300 m处,右边界定为距32603回采面运输巷200 m处,上边界距回采面回风巷100 m,下边界距回采面运输巷200 m。

模型上边界无约束,仅受上覆岩层自重载荷的作用,下边界为位移约束,左右两侧边界在竖直方向上自由,水平方向上为位移约束。

建立的研究区域模型如图3所示。

图3　研究区域数值模拟计算模型

2.2数值模拟参数的确定

根据区域地质勘探报告及室内力学实验研究成果,研究区域地层主要力学参数见表1。

3　数值模拟计算及分析

3.1数值模拟计算分析

根据32603回采工作面所在区域的地质勘探资料及水文地质资料可知煤层底板隔水层结构比较复杂,水压为6 MPa左右,承压水水头至煤层底面的距离（即底板隔水层厚度）大部分为18 m,局部为9 m,为了保证回采的安全性,数值模拟计算时将32603回采工作面煤层至下伏承压奥灰水的距离设为18 m。根据该回采工作面所在区域煤层赋存特征、顶底板状况、地层地质条件等情况,设计了模拟回采方案和工况。

表1　研究区域地层物理力学性态参数表

（1）一次采全高。工况一为回采工作面煤层底板隔水层下无承压水,底板不采取加固措施,一次采全高;工况二为回采工作面煤层底板隔水层下有承压水,且位于距回采煤层底面18 m处,水压为6 MPa（以下有水压处水压值均取6 MPa）,底板采取加固措施,一次采全高。

（2）分层开采。工况三为分别模拟回采工作面煤层底板隔水层下无（有）承压水两种情况,底板不采取加固措施,分层开采,每次开采1.8 m。

（3）条带开采。工况四为回采工作面煤层底板隔水层下无（有）承压水,底板不采取加固措施,条带开采,一次采全高;工况五为回采工作面煤层底板隔水层下无（有）承压水,底板不采取加固措施,条带分层开采,每次开采1.8 m。

（4）充填开采。工况六为回采工作面煤层底板隔水层下无（有）承压水,底板不采取加固措施,一次采全高,充填回采;工况七为回采工作面煤层底板隔水层下无（有）承压水,底板不采取加固措施,分层开采,每次开采1.8 m,充填回采;工况八为回采工作面煤层底板隔水层下无（有）承压水,底板不采取加固措施,条带开采,一次采全高,充填回采;工况九为回采工作面煤层底板隔水层下无（有）承压水,底板不采取加固措施,条带分层开采,每次开采1.8 m,充填回采。

模拟计算时,综合考虑各因素影响程度,对部分地层弹性模量进行了适当的修正。

模拟计算结果及回采后各地层轮廓变形如图4、图5所示。从图4中可以看出,工作面底板隔水层破裂最严重处位于工作面下方,略偏向倾斜方向;图5为回采后各地层变形轮廓图,从各地层的线条可以看出,回采后煤层附近上部地层向下塌陷,下部地层向上凸起,符合实际。

图4　32603回采面煤层采后变形云图

图5　32603回采面煤层采后地层变形轮廓剖面图

3.2理论计算分析

根据该井田附近回采工作面煤层底板破裂厚度的经验计算公式:

式中:H——工作面平均采深,取350 m;

α——煤层倾角,取地层平均倾角,取20°,此处取弧度值;

L——工作面长度,取80 m;

F——岩石坚固性系数;

h——回采工作面煤层底板破裂厚度,m。

鉴于拟开采的煤层直接底板为砂质泥岩、粉砂岩、细砂岩,老底为灰白色中砂岩,岩石坚固性系数F取中等,取值为4,代入式（1）得h为11.64 m。

4　分析与结论

根据研究区域煤层赋存地质特征和水文地质条件,建立数值模拟模型,采用不同回采工艺对该区域煤层进行回采,并用有限元数值模拟计算方法对该煤层回采后的底板破裂厚度进行研究,得出如下结论:

（1）当32603回采工作面煤层底板隔水层厚度为18 m,且隔水层下无水压作用时,底板采取加固措施,采用一次采全高、不充填回采方法,或底板不采取加固措施,采用一次采全高、充填方法回采该煤层时其底板最小破坏厚度约11.5 m。

（2）当32603回采工作面煤层底板隔水层厚度为18 m,底板隔水层下无水压作用时,采用分层开采,底板采取加固措施时,无论采用充填还是不充填的开采方法回采该煤层时其底板最小破坏厚度略有减小。

（3）当32603回采工作面煤层底板隔水层厚度为18 m,且隔水层下有水压作用时,采用分层开采方法回采煤层时,无论煤层底板是否采取加固措施,还是采用充填或不充填的开采方法,回采该煤层时其底板最小破坏厚度都有所增加,约为12 m。

（4）采用有限元数值模拟计算结果与采用经验公式计算所得结果一致。无论采用哪种回采方案,该煤层回采工作面底板破裂厚度都超过了9 m的安全范围（隔水层最薄处为9 m,其下就是高承压奥灰水）,故开采该煤层时有较大的突水风险。研究结果为科学安全开采该区域煤层提供了重要指导。

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（责任编辑郭东芝）

Numerical simulation of floor fracture depth after seam mining above confined water

Qiu Shenghua1,Miao Haiyang1,Cheng Hongliang2,Yang Zhixi1, Zhang Zhimin2,Yang Yongsheng1
（1.College of Urban Construction and Safety Engineering,Shanghai Institute of Technology,Fengxian,Shanghai 201418,China; 2.Shandong Huaning Mining Group Co.,Ltd.,Taian,Shandong 271400,China）

AbstractNo.32603 working face of Fushan Coal Mine in Ningyang County of Shandong Province was above the stratum with lots of confined water,according to the occurrence condition and geological characteristics of the seam,the areal geologic model was studied and set up through the analysis of stratigraphic characteristics and faults,and finite element modelling computation was carried out.The floor fracture depth value in the No.32603 working face after seam mining was analyzed and achieved,and the modelling computation results were in accord with the calculation value of empirical formula.The results showed that the areal geologic model was reasonable and the modelling computation results was reliable,which provided scientific guidance for coal mine safety.

Key wordscoal mining,confined water,floor fracture depth,geologic model,numerical simulation

中图分类号TD823

文献标识码A

作者简介:仇圣华（1967－）,男,江苏人,同济大学博士学位,高级工程师,教授,现从事岩土及地下工程数值模拟与工程管理方面教学研究工作。