马堡矿15#煤带压开采数值模拟研究

王 泽

(山西宏厦第一建设有限责任公司, 山西 阳泉 045008)

长期以来，对于受底板水威胁的煤炭开采，主要采用两种方法：深降强排以及带压开采。带压开采因其成本低、环境污染程度较小以及保水开采的可行性，是目前的主要开采方法。但带压开采具有一定的突水危险性，尤其是水文地质条件复杂、水压较高的情况下，底板奥灰水威胁尤为严重[1-2]. 因此，探明矿区内地质条件、分析突水机理并准确预测突水危险性，是确保安全带压开采的关键。本文在综合考虑各种影响底板破坏规律因素的基础上，采用数值模拟的方法，通过FLAC3D软件对采动影响下马堡煤业15号煤底板的破坏规律及突水预测进行分析。

1 工程概况

马堡煤业位于沁水煤田武乡矿区，主要分布在汾河两岸。据已有勘探试验和矿井开采揭露等相关资料，马堡煤业处在郭庄泉域岩溶地下水系统的下游强迳流区—排泄区一带，地质条件较为复杂，含水层内裂隙较为发育，地下水补给、运移和富集条件较好，主要岩溶含水层富水性强，矿区岩溶水位标高大体与郭庄泉水位标高相近(516～512 m). 上、下组煤层底板皆位于岩溶水位之下，分别承受奥灰岩溶水水压2.7～7.45 MPa和1.8～5.3 MPa，尤其是下组煤，其上覆有3层石炭系太原组的灰岩含水层(K2、K3、K4)，下覆有奥陶系中统高承压含水层。马堡煤业目前主要开采煤层由上而下有8#、9#、10#、15#四层，距下伏区域的奥陶系灰岩很近，下组煤的开采面临着奥灰突水的严重威胁。

在巷道掘进初期，围岩在弹性破坏以及塑性破坏共同作用下，应力不能得到及时释放，随着与工作面距离的增加，应力才会逐渐释放，也就是说，巷道的变形量与工作面距离存在空间效应。因此，数值模拟时必须考虑围岩与工作面的共同作用。岩层参数见表1.

表1 岩层参数表

2 数值模拟模型建立及参数选择

根据马堡煤业15#煤地质赋存条件，建立其数值分析模型，模型采用三维模型：模型顶部埋深为220 m，通过模型顶部加载5.7 MPa的垂直应力来代替。模型尺寸为180 m×240 m×70 m；地应力为σ1=σz=5.7 MPa，σ2=σx=6.84 MPa，σ3=σy=6.84 MPa，侧压力系数为λ=1.2；15号煤厚度为3.6 m，煤层及其他各岩层均简化为水平，即倾角为0°，工作面推进步距取10 m，工作面推进距离达到30 m时一次充填模拟初次来压，之后工作面每推进20 m进行一次充填模拟周期来压。

利用水平固定边界对模型的侧面进行约束，垂直方向固定约束模型底部，模型顶部采用14.8 MPa的均布载荷代替上覆岩层的自重，而左右及下边界可以根据所研究问题，想要反映的现象合理的调整大小。

3 数值模拟结果分析

对采场底板突水影响因素的研究可知，在采取特定的采煤方法时，底板的突水与否受开采空间的大小控制，而开采空间的大小主要体现在工作面斜长。因此，对不同工作面斜长情况下底板的破坏规律展开研究。采煤工作面斜长分别设置为160 m、110 m、60 m，一次性采全高3.6 m，对3种情况下15号煤底板破坏规律分别进行分析，同时也对带压开采的安全性做出评价。

1) 工作面斜长160 m时带压开采安全性评价。

根据数值模拟结果，在工作面斜长取160 m情况下工作面推进不同距离时的底板破坏规律见图1. 15号煤底板采空区中部破坏深度及底板最大破坏深度随工作面推进距离的变化曲线分别见图2，3.

图1 工作面斜长160 m时的底板破坏规律图

图2 采空区中部底板破坏深度变化曲线图

图3 15号煤底板最大破坏深度变化曲线图

对比图1，2，3，可以看出：

a) 在采空区中部位置处，当工作面推进50 m距离时其下底板破坏深度达到最大，达14 m；随后每个周期推进步距时，底板破坏深度基本稳定在12 m. b) 在工作面前端位置处，其底板采动破坏深度最大，并随着工作面的推进，底板破坏深度不断增大。当工作面推进到110 m处之后达到最大值，达22 m. c) 工作面推进到50 m位置处时，奥陶系灰岩含水层上方的泥岩内开始出现塑性区，形成承压水导升带。随着工作面推进，承压水导升带不断向上扩展，采动破坏深度也不断增大。在工作面推进到110 m左右时，承压水导升带与采动破坏带贯通，15号煤底板丧失阻隔水能力，发生底板突水。因此，判断15号煤带压开采安全性较低，有底板突水危险。

2) 工作面斜长110 m时带压开采安全性评价。

15号煤底板采空区中部破坏深度及底板最大破坏深度随工作面推进距离的变化曲线图分别见图4，5.

图4 采空区中部底板破坏深度变化曲线图

对比图4，5可以看出：

a) 工作面长度为110 m，在采空区中部位置处，当工作面推进70 m时其底板破坏深度达到最大，达11 m；随后每个周期推进步距时，底板破坏深度基本稳定在9 m. b) 底板采动破坏深度在工作面前端位置处达到最大，并随着工作面的推进底板破坏深度不断增大。当工作面推进到130 m处破坏深度达20 m. c) 工作面推进到50 m位置处时，奥陶系灰岩含水层上方的泥岩内开始出现塑性区，形成承压水导升带；承压水导升带随着工作面推进而不断向上扩展贯通，采动破坏深度也不断增大。在工作面继续向前推进到130 m左右时，承压水导升带与采动破坏带贯通，15号煤底板丧失阻隔水能力，发生底板突水。因此，判断当工作面长度为110 m时开采15号煤安全性较低，有底板突水危险。

图5 15号煤底板最大破坏深度变化曲线图

3) 工作面斜长60 m时带压开采安全性评价。

在工作面斜长取60 m情况下工作面推进不同距离时的底板破坏规律见图6. 15号煤底板采空区中部破坏深度及底板最大破坏深度随工作面推进距离的变化曲线见图7，8.

图6 工作面斜长60 m时的底板破坏规律图

图7 采空区中部底板破坏深度变化曲线图

图8 15号煤底板最大破坏深度变化曲线图

对比图6，7，8可以看出：

a) 工作面长度为60 m时，在采空区中部位置处，当工作面推进70 m距离时其底板破坏深度达到最大，达7 m；随后每个周期推进步距时，底板破坏深度基本稳定在6 m. b) 在工作面前端位置处，其底板采动破坏深度最大，并随着工作面的推进底板破坏深度不断增大，当工作面推进到110 m处之后达到最大值，破坏深度达13 m. c) 工作面推进到70 m位置处时，奥陶系灰岩含水层上方的泥岩内开始出现塑性区，形成承压水导升带，随着工作面推进，承压水导升带范围也不断扩大，但承压水导升带仅在紧邻含水层的泥岩内发育，并未向上部岩层内扩展。工作面长度为60 m时，底板承压水导升带与采动破坏带并未贯通，15号煤底板仍保持阻隔水能力，因此判断工作面回采时较为安全，无底板突水危险。

对比上述3种工作面斜长条件下底板破坏情况可以得出，工作面斜长对采动破坏深度有显著影响。当工作面斜长为160 m与110 m时，底板均有突水危险存在；当工作面斜长为60 m时，无底板突水危险存在。因此，可通过采取控制工作面斜长的方法保证带压开采的安全性。

4 结 论

在综合考虑影响底板破坏规律的多种因素的基础上，结合现场工程地质条件，采用数值模拟的方法，研究了不同工作面斜长条件下马堡煤业15号煤底板的破坏规律，并对带压开采的安全性进行了评价。研究结果表明：工作面斜长是影响底板采动破坏深度极为重要的一项因素，在一次性采全高的前提下，工作面斜长分别取160 m与110 m时开采15号煤产生的采动破坏带均会与承压水导升带贯通，隔水层丧失阻隔水性能进而导致底板突水，而工作面斜长为60 m时则不会发生底板突水，因此可通过采取控制工作面斜长的方法提高带压开采的安全性。