基于FLAC3D的煤矿工作面采前防治水安全性分析

孔晓东,杨本水

(安徽建筑大学 土木工程学院,安徽 合肥 230000)

随着我国社会主义现代化国家的建设,对于水文地质构造复杂的煤层进行开采是不可避免的[1]。我国位于亚欧板块与太平洋板块交界处,由于两板块的地质构造运动使得地下的地质构造更加复杂多样,带来的结果是我国煤矿水害问题相较于一般国家更为严重。水害矿难带来的损失不仅是大数量的人员伤亡,相应的经济损失也是巨大的。同时,事故发生后救援和煤矿恢复生产等方面的工作难度相较于其他常见的矿井灾害更大。此外,在涉及地下工程开挖的各行业部门,都不可避免的会面临水害威胁,加之水害事故造成的危害较大,容易在社会上产生的巨大影响[3-6]。

近些年又有众多学者采取多种方法对水体下煤层开采进行了相关研究,包括运用GIS对近松散含水层下煤层开采进行安全性评价;将相似材料模拟技术应用到了水体下煤层开采时覆岩的变形、移动、破坏规律的研究中,对水体下某一类地质条件下煤层开采工作的可行性论证;运用克里格差值法绘制采空区积水对开采煤层充水、溃砂和防塌的影响图,对采区顶板复合水威胁程度进行了具体研究;综合导水裂隙带影响因素,通过建立模糊神经网络的导水裂隙带高度预测模型,研究工作面开采的可行性[7-9]。目前,我国实际工程中主要根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中的经验公式对垮落带和导水裂隙带高度进行计算[10],这些公式是我国刘天泉院士在统计各类条件下煤矿开采的实测数据后,总结出来的,能够在一定程度上符合我国多类煤矿进行水体下采煤的设计要求。在此规范中按照坚硬、中硬、软弱、极软弱等类型对煤层覆岩的岩性进行了划分,并运用多种不同的统计经验公式(仅含煤层采厚参数)进行垮落带和导水裂隙带高度的预计[10]。因此在现有研究的基础上本文构造了较为全面的煤矿工作面采前防治水安全性评价体系。

1 工程概况

1.1 工作面概况

钱营孜煤矿坐落于安徽省宿州市,属宿县矿区。钱营孜煤矿井田经计算总体面积约为50.0 km2。W3233工作面在钱营孜煤矿西三采区中部。其上邻W3232工作面,下邻F51逆断层(断层落差30～170 m),切眼靠近F22正断层。工作面机巷设计长度约3 064 m,标高-590～-340 m,方位角为30°;风巷设计长度约3 185 m,标高-490～-280 m;切眼设计长度约272 m,工作面最高点顶板标高-268.66 m,基岩面标高为-195.86～-224.66 m。W3233工作面内煤厚1.06～5.76 m,平均值为3.47 m,煤层倾角10°～28°,平均值为15°。经计算工作面范围内的煤碳储量约403万t,实际可采的煤炭储量约383万t。

1.2 水文地质条件

根据西三采区水文地质资料与钻探取芯、测井资料综合分析得出第四含水层底板埋深为197.89～252.28 m,平均230.70 m,厚度0～17.20 m,平均6.20 m。由于古地形的影响“四含”沉积厚度变化幅度明显,古地形低洼处与采区中部29、29～30、35勘查线附近沉积厚度大。“四含”组成成分多样,主要由含泥质中细砂、砂砾、粘土砾石组成,其间夹有1～3层薄层状粘土夹砾石、砂质粘土、钙质粘土等。据29-30-2、26-1、34B1、DB1和钱营孜煤矿5个水位长观孔抽水钻孔的抽水试验资料显示:“四含”静止水位标高6.173～22.14 m,最大降深S=38.60～69.06 m,Q=0.027～0.183l/s,统一折算后q=0.000 159 1～0.012 35 l/s·m,k=0.000 434 5～0.045 57 m/d。水质PH值范围在7.9～8.27,矿化度0.204～0.368 g/l,全硬度9.37～212.81 mg/l,表明采区第四含水层富水性较弱,对工作面开采没有威胁。

2 数值模拟设计

此次数值模拟以研究W3233工作面煤层开采覆岩破坏移动演化规律及“两带”高度发育为主,使用FLAC3D自带的Extrusion建立几何尺寸为400 m×350 m×200 m的模型,煤层倾角为15°,把模型划分从顶部第1层到底部第15层共15层岩层,共134 630个单元,1 613 520个节点。x方向为煤层走向,y方向为煤层倾向,模型如图1所示,模型中岩石力学参数见表1。

图1 模型

表1 岩石力学参数

模型两侧各留40 m煤岩柱,工作面切眼处距上部松散含水层距离为44 m,煤层高度取工作面最大采高4.0 m,工作面宽度取270 m。在初始模型建立以后,需要设置该模型的边界条件,使该模型的四周及底面边界受约束不产生位移,其目的是让数值模拟过程更符合实际,实际方法为控制约束边界在x、y、z三个方向上的位移和速度均为0,鉴于本次模型并未建立到地表,工作面上部仅仅取到松散层部分高度,因此,模型顶部边界不受约束,模型受重力荷载作用,重力加速度为g=9.8 m/s2。设置松散层的下部岩层水流饱和度为0,四周为隔水边界。边界条件设定后,设定竖向替代荷载3.81 MPa作用在模型顶部。本此模拟开挖长度240 m,模拟推进速度为5 m/d,通过分析工作面应力、位移云图及塑性破坏区进行两带高度预测,并研究煤层采动对上覆含水层的影响。

3 数值模拟结果分析

3.1 采动后竖向应力分析

煤层掘进不同距离垂直应力云图如图2 所示,可以观察到工作面推进过程中覆岩竖向应力的变化及分布情况,整体而言应力分布情况相对稳定,应力在采空区顶底板周边呈“椭圆形”分布,采空区两端出现数值较大应力集中,随着工作面推进采空区变大,但椭圆形的分布与采空区两端应力集中并未改变。松散含水层部分竖向应力集中程度小,应力集中区主要分布在采空区附近,含水层部分基本没有应力集中的现象。

(a) 60 m

(b) 120 m

(c) 180 m

(d) 240 m图2 煤层掘进不同距离垂直应力云图(单位:Pa)

3.2 塑性区数值模拟结果分析

具体的数值模拟过程中,随着挖掘深度不断加大采空区逐渐变大,塑性破坏区的范围也逐渐变大,这意味着工作面覆岩开始出现破坏。推进塑性破坏区如图3所示,可以看出:工作面推进前方煤层的直接顶板破坏范围较小,而后方顶板的塑性破坏区破坏范围逐渐变大,最终顶板垮落,但并不影响推进前方煤层的开采。

(a) 推进60 m

(b) 推进120 m

(c) 推进180 m

(d) 推进240 m图3 推进塑性破坏区示意

3.3 竖向位移分析

采动后顶底板位移云图如图4所示,可以看出:随着采空区增大,顶板的竖向位移也在逐渐增大,到工作面推进至200 m时工作面顶板中心区域向下位移9.34 cm;而工作面底板向上突起,出现向上的位移,当位移增长到一定距离后基本不在变化,最大工作面掘进至240 m时向上位移为5.26 cm,位移较小。根据位移变化图形可以看出,每次工作面推进都会形成一个位移带。采空区上部含水层在工作面推进至60 m时开始出现明显的位移,从竖向方向来看距离采空区越远含水层的位移越小,从横向方向来看超过采空区一定范围后,上部含水层不再产生位移,且工作面推进产生的位移较小,可以证明煤层的采动对上部“四含”的影响小,现设计留设的防砂煤岩柱高度合理,可以实现安全开采。

(a) 推进60 m

(b) 推进120 m

(c) 推进180 m

(d) 推进240 m图4 采动后顶底板位移云图

4 结论

1) 首先使用FLAC3D模拟了推进速度为5 m/d的全过程,模拟中工作面推进过程顶板位移呈上升趋势,位移与推进距离呈正比,且呈现线性关系,最大垮落带高度为28.08 m,并未波及到上部含水层。

2) 采用“三下”采煤规范计算,确定计算煤厚为4.0 m,W3233工作面的垮落带高度范围为8.4～11.6 m,裂隙带高度范围为26.9～46.0 m,垮采比范围为2.09～3.20,裂采比范围为6.63～12.0,最大防砂煤岩柱高度为24.8 m。

3) W3233工作面最大垮落带高度为11.88～13.32 m,裂隙带厚度范围为45.40～49.96 m,最大防砂煤岩柱高度为25.32 m的结论。

综上所述,结果显示留设44 m防砂煤柱高度大于预测的“两带”及需留设的防砂煤岩柱高度,W3233工作面采后垮落带不会波及到“四含”,且底板破坏深度不会延伸至K3砂岩含水层,故工作不会产生严重水害。