基于FLAC3D 的煤矿顶板突水的模拟分析

侯意成

（山西长治郊区三元南耀小常煤业有限公司，山西 长治 046000）

0 引 言

国内大多数煤矿的地质和水文环境比较复杂，随着煤矿的开采，开采的深度逐渐加深，由于地质和水患而引发的断层、地陷、井下突水等危害，致使煤矿事故频发，严重影响了煤矿的正常的开采。据统计，全国40%的煤矿受水患危害的影响，以小庄煤矿为研究对象，为了煤矿安全高效的生产，保证工人的人身安全，对矿井地质和水文的研究具有重大而深远的意义[1-5]。

1 矿区地质水文情况

小庄煤矿位于长武县内的孟村和安化的交界处的彬长矿区，小庄煤矿皱褶发育，在勘探的过程中，发现有10 条小落差的断层，断层倾角35°～74°，落差0～36m，延伸长度 270 ～1610m.导水性较差，未发现大断层[6-8]。

1.1 小庄矿区水文环境

小庄煤矿位于中纬带，属于高原区，冬旱夏热，年降雨量为561.4mm 小于年蒸发量1547mm，平均年降雨量随地域而变化，川道小于北塬，北塬小于南塬。

1）含水层，根据勘探资料，自上而下，小庄煤矿的的含水层分为洪积层孔隙潜水含水层、裂隙潜水含水层、新近系砂卵砾含水层段、裂隙含水层、白垩系下统宜君组砾岩裂隙含水层、侏罗系中统直罗组砂岩裂隙含水层、侏罗系中统延安组煤层及其顶板砂岩含水层。

2）隔水层，根据勘探资料，自上而下，小庄煤矿的隔水层分为红土隔水层段、华池组相对隔水层、安定组泥岩隔水层、富县组隔水层。

3）充水因素，根据勘探及实际资料，小庄煤矿充水因素主要有降雨量、地表水、地下水、老窑积水等。

4）充水通道，根据勘探及实际资料，小庄煤矿充水通道主要有采动裂隙、断层带、封闭不严的钻孔等。

2 小庄矿区含水层富水性分析

小庄煤矿原含水层为侏罗系延安组煤系裂隙和直罗组砂岩裂隙，其富水性都比较弱，对矿井的危害性不大，但随着煤矿的开采，发育和形成了导水裂隙带，有可能造成地下水和矿井涌（突）水的危害。

2.1 煤层顶板富水性分析

1）含水性，忽略次要因素的影响，理论上含水层越厚，单位体积的含水层的含水量就越大。

2）涌水量，在小庄煤矿矿区不同区域，钻取5 处水文孔，抽水做试验。由表1 可知，其涌水量为0.0994L/s·m～0.3127L/s·m，其含水层属于富水性弱。

表1 水文孔试验各参数值

3）渗透系数，渗透系数的主要影响因素为岩石的粒度成分、颗粒排列、充填情况、裂隙性质和发育程度等，次要因素为水的容重和粘度等，依据小庄煤矿5处水文孔的抽水试验结果，做出含水层的渗透系数等值线如图1 所示，其渗透系数为0.15m/s～0.65m/s。

图1 小庄煤矿渗透系数等值线图

2.2 煤层顶板富水性预测

表2 含水层分区划分表

图2 富水性分区图

根据上述对小庄煤矿水文和地质的含水层厚度、单位涌水量及渗透系数分析，将井田内的含水层分为三个区域，分别为富水性较强区、富水性中等区、富水性较弱区，各参数如表2 所示，其具体位置示意图如图2 所示。

3 工作面采动性的FLAC3D 模拟分析

3.1 莫尔一库仑屈服准则

煤层在开采的过程中，为了提高顶板冒裂安全性，必须保证导水裂隙带高度不能触及充水含水层，而开采煤层的厚度、覆岩的物理岩性、煤层开采倾角、采煤工艺、煤层顶板管理方法都能影响导水裂隙带高度。本文查阅相关资料及文献，根据莫尔一库仑屈服准则判断岩石是否被破坏，一般应力状况下，当fs＞0时，岩石将会被剪切。

式中：σ1为最大应力，MPa；σ3为最小应力，MPa；c 为岩石粘结力，MPa；θ 为摩擦角，°。

3.2 模拟回采时过程的FLAC3D 分析

煤层在开采的过程中，破坏了岩石原始力学平衡态，使得岩石层发生变形、被剪切、位移。查阅相关文献及资料，在开采缓倾斜中厚煤层过程中，使用长壁全部冒落法，当开采深度和开采高度比值大于40 时，岩石会破坏，出现从上而下的冒落带、裂隙带及弯曲下沉带。

1）岩层初始应力状态，以小庄煤矿4# 煤层的工作面为研究对象，该煤层主要为泥岩和炭质泥岩，伪顶零星分布着0.5mm 的炭质泥岩，直接顶主要为泥岩及薄煤层，老顶主要为砂质泥岩，局部区域有中细砂岩，底板主要为泥岩和炭质泥岩等。为了确保工作面回采安全，忽略次要影响因素，根据工作面勘探数据建立FLAC3D模型。

根据实际勘探结果和实际情况对各参数赋值，通过软件计算生成应力场，得到各单元应力均大于10-6数量级，达到应力平衡的要求，各区应力如图3 所示，该结果表明岩石结构比较稳定，具备开挖条件。

图3 各煤层初始应力云图

2）工作面模拟开采，严格按照回采工艺，以采煤机掘进方向为X 轴正方向，设置200m 的采宽，回采深度600m，步距20m，分30 步完成回采整个回采过程。

当回采60m 时，老顶没有产生塑性变形，但直接顶有1～3m 的破坏，使用FLAC3D软件模拟得到最大应力图，如图4 所示。由图4 可知，前后煤壁所受最大应力为23.5MPa，受煤层自重影响，当煤层某处采空后，两侧岩石会向采空处均匀地移动，其应力区也呈现U 型分布。

图4 回采60m 时最大应力分布图

当回采200m 时，直接顶和老顶全部破坏，有72m 的索性变形区，如图5 所示，前后煤壁所受的最大应力为21.5MPa。

图5 回采200m 时煤层索性变形区图

当回采600m 时，直接顶、老顶、上覆基岩层全部被破坏，有176m 的冒落带和裂隙带，前后煤壁所受最大压应力24.6MPa。采空区索性破坏呈对称分布，地表因受拉应力作用，使得地面具有明显有地陷下沉的趋势，出现冒落带、裂隙带、弯曲下沉带等现象，如图6 所示。

图6 回采600 m 时最大应力分布图

根据上述对工作面的模拟开采，当开采到60m时，顶板初次来压；当开采到600m 时，冒裂带高度最大176m，采裂比为13.5。

3.3 回采突水性预测

结合上述FLAC3D的模拟结果，应用三图- 双预测的研究理论，按照表2 的含水层的划分方法，将小庄煤矿含水层危险性划分为4 个级别的10 大区域，分别为危害性大区、危害性较大区、危害性中等区、危害性较小区，如图7 所示。

图7 含水层突水性预测分析表

4 结 论

通过分析小庄煤矿的水文地质情况，结合参考文献及相关资料，应用FLAC3D软件分析预测了矿区含水层突水危害性的大小，针对顶板突水，提出以下几点防护措施：

1）水类方面，对地表水、地下水、降雨量、老窖积水等不同的水类，进行有针对性的防护措施。

2）技术方面，使用物探和钻探的方法进行超前检查和异常区验证，研究其突水机理和方式，提出有效的防护措施。

3）含水层突水，针对矿区不同区域含水层突水危害性的强弱采取相应的防护措施，对于危害性大的区域要加强防护，并及时勘探，注意含水层水量的变化情况，做到有的放矢。