缓倾斜近距离煤层群开采流固耦合相似模拟覆岩运移规律研究

晏 涛，易四海，夏向学

(华北科技学院，河北 三河 065201)

灵新煤矿位于宁夏回族自治区灵武市宁东镇境内，主要煤系地层为侏罗系中下统(J1-2y)延安组，其特点是含水层厚、多煤层、缓倾斜且赋存稳定。现开采六采区，主要可采煤层自上而下分别为14#煤、15#煤和16#煤，各煤层间距在15m左右，14#煤上方18.4m、120.3m及176.4m处分别是K4、K3及K2含水层。由于两相邻可采煤层间距很近，上部煤层开采后会在残留煤柱周围形成应力集中，使得下部煤层开采区域的顶板结构和应力环境发生变化[1]。在这种顶板条件下开采下部煤层，会导致覆岩重复破坏进而出现顶板异常垮落的现象。顶板异常垮落会形成连通工作面和含水层间的纵向导水裂隙，使工作面存在突水隐患。为此，必须采取有效手段预防近距离煤层群开采过程中突水灾害的发生。

针对煤层群开采时上覆岩层运移规律，国内学者开展了大量研究工作。黄庆享等[2]研究了浅埋近距离煤层重复采动下覆岩裂隙二次发育机理，构建了裂隙扩张模型并给出了计算公式；马海峰等[3]指出近距离煤层群叠加开采时位移量会出现叠加增长效应，上部煤层的开采会缓和下部煤层开采时的矿山压力；王创业等[4]研究了单煤层开采和重复采动下矿压及裂隙演化规律，发现重复采动下覆岩裂隙增多、来压步距减短；杨国枢等[5]发现下部特厚煤层开采会导致直接顶向更远处发展，形成“垮落带叠加”的覆岩结构；胡青峰等[6]研究了重复开采下覆岩垮落及离层规律，发现了重复开采会导致弯曲下沉带上方出现新的导水裂隙带。由于地质条件和煤层发育的差异，很难用一套理论标准来总结近距离煤层群开采的覆岩运移规律。以灵新煤矿14#煤、15#煤、16#煤层为研究对象，采用理论分析、对比分析、流固耦合相似模拟等研究手段，研究缓倾斜近距离煤层群重复开采覆岩破坏规律和水动力演变规律，为工作面隔水煤柱的留设提供依据。

1 工程地质条件

灵新煤矿位于磁窑堡向斜西翼，六采区开采下组14#、15#、16#煤，煤层采厚分别为2.78m、3.18m、4.28m，煤层间距分别为17.3m、11.3m，倾角约10°。每层煤开采两个工作面，工作面采宽180m左右。煤层群顶板充水水源主要为延安组K2、K3、K4含水层。岩层主要力学性质及厚度，见表1。

表1 岩层主要力学性质及厚度表

2 流固耦合相似模拟材料研制

流固耦合相似材料的配制要求模型和原型对应部分在材料的物理和力学性能上相似，才能将模型上观测到的数据换算成原型上的求解数值[7]。

2.1 隔水层材料研制

1)骨料。为了满足相似材料的力学性能要求，此次物理模拟实验选择河砂为骨料。河砂中SiO2含量不低于95%，选用粒度5～7目、12～18目、18～80目以粗。

2)胶结材料。固相相似模型通常选择碳酸钙、石膏作为胶结材料。

3)隔水添加剂。根据隔水层相似材料需要满足高抗水性的要求，材料抗水性的实现主要是通过掺入添加剂来使结晶体的孔隙及溶解度发生改变，阻止水分子的侵入[8]。

2.2 含水层材料研制

岩石的渗透性取决于岩石的空隙度，而影响岩石空隙度的因素主要有颗粒大小、颗粒级配及颗粒形状[9]。为满足含水层力学性能要求，选用块石(粒径>10mm)、卵石(粒径2mm)、粗砂(粒径<1mm)按3∶3∶4、5∶3∶2、7∶2∶1、8∶1∶1、9∶1∶0五种配比进行级配，对级配好的岩样做抗压强度和渗透性测试，从而确定出与原型含水层性能相似的骨料配比。

通过现场实测可知：K2、K3、K4含水层抗压强度分别为40.6MPa、37.2MPa、40.6MPa，渗透系数分别为0.0394m/d、0.0183m/d、0.0183m/d。根据抗压强度和渗透系数相似比，确定K2含水层块石∶卵石∶粗砂=7∶2∶1，骨料(块石+卵石+粗沙)∶碳酸钙∶石膏=7∶3∶7。K3和K4含水层块石∶卵石∶粗砂=5∶3∶2，骨料(块石+卵石+粗沙)∶碳酸钙∶石膏=7∶3∶7。

3 流固耦合模型搭建

二维流固耦合相似模拟实验台长×宽×高=3.2m×0.25m×1.6m，根据实验台尺寸及矿井地质资料，确定模型的几何相似比为1∶250，并以此推导出其他参数。模型铺设时采用的是逐层填筑夯实法[10]，最终确定模型累高为1.12m，对应原型采深280m。

1)地层。对地层材料进行模拟时的材料配比参见表2，配比号代表着砂子∶石膏∶碳酸钙。

表2 地层材料配比表

2)隔水层。隔水层为中砂岩和粉砂岩。将砂子、石膏和碳酸钙按照表2的配比进行预先混合，然后在预混物中加入200℃高温加热过的石蜡和凡士林，借助石蜡和凡士林的合理搭配，能够确保隔水层疏水的同时，具有一定的形变能力[11]。

3)含水层。含水层铺设到第8、12层的细砂岩和第10层的中砂岩。含水层铺设时需要预埋进水管，同时在进水管上每隔5cm打孔，水从模型的左侧流入。

4 实验结果与分析

模型工作面采取下行开采的方式[12，13]，开采顺序为：L1614-L1615-L1616-L1814-L1815-L1816工作面，同现场的设计方案一致。

4.1 不留设隔水煤柱覆岩破坏规律

L1614、L1615、L1616工作面开采后覆岩运移破坏形态如图1所示。实验结果见表3。

图1 L1614、L1615、L1616工作面开采后覆岩运移破坏形态

表3 L1614、L1615、L1616工作面开采后实验结果

根据表3可知，随着L1614、L1615、L1616工作面依次开采，上覆岩层破坏高度会逐步增加，从21.5m扩展到188m。L1614工作面开挖后，覆岩破坏带发育至K4含水层内，裂隙导通K4含水层，新增上、下山边缘和采区中央3个涌水点。L1615、L1616工作面开采时，覆岩关键层破坏导致开采过程中上覆顶板发生重复破坏，荷载应力集中而失稳，造成裂隙导通至K3含水层。在L1615工作面上山边缘新增3处涌水点，涌水点达到6处。在L1616工作面上山边缘新增2处涌水点，涌水点达到8处。

4.2 留设隔水煤柱覆岩破坏规律

4.2.1 隔水煤柱留设

按《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱与压煤开采规程》可知[14，15]：

式中，Hm为冒落带高度，m；Hli为导水裂隙带高度，m；∑M为累计采厚，m。

通过计算得到14#煤、15#煤、16#煤冒落带最大高度分别为10.87m、11.57m、13.14m，导水裂隙带最大高度分别为40.14m、42.20m、46.56m。

14#煤—15#煤、15#煤—16#煤煤层间距分别为17.3m和11.3m。根据《采矿工程设计手册》，上下煤层的层间距小于下煤层开采后的导水裂隙带高度时，下煤层的隔水煤柱应根据采动塌陷角和煤层间距，从上煤层煤柱边界向下推算[16，17]，如图2所示。

L下=L上+(H下-H上)(cotγ+cotβ)

(3)

式中，L上为上部煤层隔水煤柱宽度，m；L下为下部煤层隔水煤柱宽度，m；H上为上部煤层水柱高度，m；H下为下部煤层水柱高度，m；γ为上山岩移塌陷角，(°)；β为下山岩移塌陷角，(°)。

图2 多煤层隔水煤柱留设

通过现场调研可知，13#煤两工作面间隔水煤柱宽约20m，13#煤、14#煤、15#煤、16#煤的水柱高度分别为6.12m、23.9m、44.38m、59.96m，上下山岩移塌陷角均为70度左右。分别对14#煤、15#煤和16#煤3个煤层的隔水煤柱进行计算，得到14#煤的隔水煤柱宽度为32.9m，15#煤的隔水煤柱宽度为47.9m，16#煤的隔水煤柱宽度为59.2m。

4.2.2 工作面开采

在L1814、L1815、L1816分别留设32.9m、47.9m和59.2m宽的隔水煤柱后，实验结果见表4。

表4 L1814、L1815、L1816工作面开采后实验结果表

根据表4可知，随着L1814、L1815、L1816工作面依次开采，覆岩破坏高度从12.5m扩展到148m。覆岩破坏带高度发育至K3含水层和K4含水层之间，裂缝只导通了K4含水层，但因上山采空区覆岩破坏，水源径流路径被破坏，三个工作面只在上山边缘处出现少量涌水。

4.3 煤层群重复开采水动力演变规律

由于K4含水层距14#煤层很近，工作面隔水煤柱布设与否都会影响导水裂隙导通至K4含水层。K4含水层水压很小，初始水压为0.02MPa；K3含水层厚度达到36.4m，初始水压为0.1MPa，是导致工作面突水发生的主要隐患。为此，在考虑隔水煤柱布设的基础上，对L1814、L1815、L1816工作面上方K3含水层分阶段加注水压，每次水头压力增加0.1MPa，直至K3含水层与下方裂隙导通涌水。实验过程如图3所示，实验结果见表5。

图3 K3含水层分阶段加注水压实验过程

表5 K3含水层分阶段加注水压实验结果表

K3含水层加0.1MPa水压(1倍初始水压)时，离层岩层及下山方向竖直裂缝出现少量涌水。

K3含水层加0.2MPa水压(2倍初始水压)时，除离层岩层及下山方向竖直裂缝出现涌水外，下层离层裂隙开始出现涌水。

K3含水层加0.3MPa水压(3倍初始水压)时，下层离层裂隙开始出现大量涌水。推断为发生离层水静水压涌突水，即K3含水层下方离层随着注水压力逐步上升，当离层水静水压力值超过岩层的极限抗剪强度值时，将破坏其下位岩层的完整性，与导水裂缝带连通，形成突水通道[18]。

5 结 语

初次对多含水层、缓倾斜、近距离这种极其复杂地质条件下的煤层群开采覆岩破坏机理进行了研究，得出煤层重复采动会致使导水裂隙二次显著发育；工作面布设隔水煤柱能减缓裂隙的发育程度；含水层水压的异常增加会加速岩层间突水通道的形成。由于研究手段的局限性，只研究了煤层群开采覆岩破坏和涌水演化规律，下一步需借助应力监测和近景观测技术对煤层群开采围岩应力及位移场演化规律进行研究。