張貴銀

（山東科技大學(xué) 礦業(yè)與安全工程學(xué)院，山東 青島 266590）

底板導(dǎo)水裂隙發(fā)育規(guī)律的數(shù)值模擬研究

張貴銀

（山東科技大學(xué) 礦業(yè)與安全工程學(xué)院，山東 青島 266590）

巨野龍固煤礦1301綜放工作面底板直接充水含水層為“三灰”，且其富水性較強(qiáng)，補(bǔ)給較充沛，3煤開(kāi)采有底臌水的威脅。為研究深部綜放工作面開(kāi)采底板導(dǎo)水裂隙發(fā)育規(guī)律，采用“下三帶”理論分析，結(jié)合FLAC3D中的流固耦合功能進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了開(kāi)采導(dǎo)致的底板導(dǎo)水破壞帶發(fā)育深度和不同工作面推進(jìn)階段含水層水體流向?qū)?煤層開(kāi)采的影響。結(jié)果表明“三灰”高水壓形成的承壓水導(dǎo)升帶與開(kāi)采引起的底板導(dǎo)水破壞帶在工作面推進(jìn)到64m時(shí)貫通，此時(shí)有可能會(huì)造成底板突水。

采動(dòng)影響；深部承壓水；底板破壞；流固耦合；數(shù)值模擬

1 引言

礦井水害一直是制約煤礦安全生產(chǎn)的重大災(zāi)害之一，而承壓水上采煤導(dǎo)致的水害又約占整個(gè)礦井水害的一半，我國(guó)華北型石炭二疊紀(jì)煤田，煤系基底為巨厚的石灰?guī)r等可溶性巖層，其巖溶發(fā)育、富水強(qiáng)，當(dāng)煤層埋藏深時(shí)，水壓高。這些礦區(qū)生產(chǎn)中都不同程度地受到巖溶承壓水影響，隨著開(kāi)采的不斷延深，其威脅日益嚴(yán)重［1］。該礦1301綜放工作面開(kāi)采面臨底板承壓水的威脅，需要對(duì)該礦3煤層綜放開(kāi)采底板導(dǎo)水裂隙發(fā)育規(guī)律進(jìn)行研究。

2 工程概況

礦區(qū)屬黃河沖積平原，地形平坦，地面平均標(biāo)高為+43.26m，主要開(kāi)采煤層為3煤，煤層厚度為5.66～11.36m，平均8.82m，傾角為2～5°，平均埋深800m。1301工作面底板直接充水含水層“三灰”，富水性較強(qiáng)，補(bǔ)給較充沛，采下組煤時(shí)有底板突水的威脅，故3煤的水文地質(zhì)類(lèi)型為裂隙巖溶含水、富水性中等型。

3 “下三帶”理論分析

根據(jù)前人對(duì)煤層開(kāi)采造成的底板破壞規(guī)律研究，表明煤層開(kāi)采也會(huì)在底板巖層中形成類(lèi)似頂板覆巖破壞的“三帶”，為區(qū)分頂板“三帶”，在底板中的稱(chēng)為“下三帶”。依據(jù)“下三帶”的導(dǎo)水性及其層位分別為底板導(dǎo)水破壞帶、保護(hù)帶、承壓水導(dǎo)升帶［2］。其空間分布示意圖如圖1所示。

圖1 底板“下三帶”空間分布示意圖

根據(jù)底板導(dǎo)水破壞帶發(fā)育高度的經(jīng)驗(yàn)公式［3］，可對(duì)1301工作面3煤開(kāi)采造成底板破壞深度進(jìn)行進(jìn)行預(yù)計(jì)。

式中，h1為底板導(dǎo)水破壞深度，m；L為工作面斜長(zhǎng)，取220m；H為埋深，取800m；a為煤層傾角，取3°。

代入上述參數(shù)計(jì)算可知：

而“三灰”含水層平均厚7.4m，上距3煤底板平均48.66m，大于開(kāi)采導(dǎo)致的底板導(dǎo)水破壞帶發(fā)育深度26.3m，故單就開(kāi)采影響而言，在不出現(xiàn)地質(zhì)構(gòu)造、不考慮“三灰”含水層水壓的前提下，底板破壞深度不會(huì)達(dá)到底板太原組“三灰”含水層，開(kāi)采不會(huì)受到影響。

但是，根據(jù)在1301皮帶巷聯(lián)絡(luò)上山探水孔測(cè)得-800m三灰水壓7.0MPa，可見(jiàn)三灰?guī)r水壓較高，不可忽略，需要考慮含水層水壓的影響。

4 底板承壓水對(duì)3煤開(kāi)采影響的數(shù)值模擬研究

采用數(shù)值模擬方法對(duì)太原組“三灰”含水層對(duì)底板破壞進(jìn)行研究，按照水壓為7.0MPa考慮對(duì)工作面底板的影響。

利用FLAC3D中的流固耦合功能［4］對(duì)龍固礦3煤層1301工作面開(kāi)采導(dǎo)致的底板破壞、承壓水流向規(guī)律進(jìn)行研究。主要包括采場(chǎng)走向和傾向方向底板導(dǎo)水破壞帶發(fā)育特征，以判斷3煤層底板承壓水對(duì)開(kāi)采的影響，以便采取合理的措施，規(guī)避底板突水等不利災(zāi)害［5］。

數(shù)值模擬模型的相關(guān)參數(shù)為：煤層厚度8.8m，綜放開(kāi)采條件下，采3.5m，放5.3m，模擬中按水平煤層處理，模擬采深為800m，模擬采用的煤巖體物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 計(jì)算采用的煤巖體物理力學(xué)參數(shù)

圖2 底板突水模型孔隙壓力圖

4.1 走向方向含水層水體流向演化規(guī)律研究

圖3為工作面推進(jìn)過(guò)程中，走向方向含水層水體流向及頂?shù)装迤茐膱D。

圖3 工作面走向方向承壓水流向隨工作面推進(jìn)距離的演化規(guī)律

根據(jù)圖3（a）可知，當(dāng)工作面推進(jìn)16m時(shí)，3煤底板破壞深度較淺。工作面走向正下方較大范圍內(nèi)，含水層水流流動(dòng)方向主要向下，這說(shuō)明含水層水流流動(dòng)主要受重力影響，此時(shí)受3煤采動(dòng)影響微乎其微；隨著工作面推進(jìn)到32m時(shí)，3煤底板破壞程度有所加劇，如圖3（b）所示，工作面下方水流方向仍主要向下，但向上的水流強(qiáng)度減弱，由此可推斷，3煤采動(dòng)對(duì)含水層水流影響開(kāi)始顯現(xiàn)。

根據(jù)圖3（c）可知，當(dāng)工作面推進(jìn)到48m時(shí)，3煤底板破壞程度得到進(jìn)一步的發(fā)展，走向破壞長(zhǎng)度明顯增加。工作面下方水流流動(dòng)情況相比于工作面推進(jìn)了32m時(shí)發(fā)生明顯的變化。水流方向由向下變?yōu)橄蛏希f(shuō)明高水壓已經(jīng)導(dǎo)致底板巖層破壞。

根據(jù)圖3（d）可知，工作面推進(jìn)到64m時(shí)，3煤底板破壞程度進(jìn)一步加劇。工作面走向方向底板破壞長(zhǎng)度明顯加大，且剪切破壞范圍與含水層導(dǎo)通。工作面下方含水層水流方向與推進(jìn)48m時(shí)一樣向上，而且流動(dòng)強(qiáng)度更大。由此可以推斷，隨著工作面推進(jìn)長(zhǎng)度增加，底板走向破壞深度增大，含水層水流流動(dòng)強(qiáng)度也增大，在采空區(qū)內(nèi)突水的危險(xiǎn)性也越大。

根據(jù)圖3（e）可知，工作面推進(jìn)到80m時(shí)，3煤底板破壞程度繼續(xù)增大，走向方向底板破壞長(zhǎng)度繼續(xù)增大。工作面下方水流方向同樣是向上流動(dòng)。但相比于推進(jìn)距離為64m時(shí)的情況，水流強(qiáng)度有所減小。分析原因，可能是由于采空區(qū)得到壓實(shí)，底板應(yīng)力得到一定程度的恢復(fù)，由此使底板破壞程度得到抑制，水流強(qiáng)度由此減弱［6］。

4.2 傾向方向含水層水體流向演化規(guī)律研究

圖4為工作面推進(jìn)過(guò)程中，傾向方向含水層水體流向及頂?shù)装迤茐膱D。

圖4 工作面傾向方向承壓水流向隨工作面推進(jìn)距離的演化規(guī)律

根據(jù)圖4（a）可知，工作面推進(jìn)到16m時(shí)，3煤底板破壞程度較小。工作面下方含水層水流受重力影響方向向下。根據(jù)圖4（b）可知，工作面推進(jìn)到32m時(shí)，工作面下方含水層水流方向向上，3煤采動(dòng)對(duì)承壓含水層水流開(kāi)始產(chǎn)生影響。

根據(jù)圖4（c）可知，工作面推進(jìn)到48m時(shí)，工作面下方含水層水流方向相比推進(jìn)到32m時(shí)未發(fā)生明顯的變化，但強(qiáng)度增大，3煤采動(dòng)影響的程度也逐漸加劇。當(dāng)工作面推進(jìn)到64m，工作面下方含水層水流方向及相應(yīng)位置與工作面推進(jìn)了48m時(shí)的情況相似，如圖4（d）所示。隨著工作面推進(jìn)到80m，底板巖層受高水壓影響，發(fā)生剪切破壞，工作面下方含水層水流方向及相應(yīng)位置與工作面推進(jìn)了64m時(shí)情況相似，如圖4（e）所示［7］。

綜上分析可知，隨工作面逐漸推進(jìn)，含水層水流流動(dòng)方向及強(qiáng)度受3煤采動(dòng)影響逐漸增大。當(dāng)工作面推進(jìn)距離超過(guò)48m時(shí)，在含水層局部水流方向發(fā)生變化，水流流動(dòng)方向由原來(lái)的向下轉(zhuǎn)變?yōu)橄蛏?，?dāng)工作面推進(jìn)長(zhǎng)度達(dá)到64m時(shí)，水流強(qiáng)度達(dá)到最大。而之后，雖然工作面推進(jìn)長(zhǎng)度繼續(xù)增加，含水層水流方向和相應(yīng)位置基本不變，而流動(dòng)強(qiáng)度由于采空區(qū)底板受壓縮而呈減弱的趨勢(shì)［8］。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）根據(jù)“下三帶”理論對(duì)該礦3煤層1301工作面開(kāi)采后底板導(dǎo)水破壞帶發(fā)育深度研究可知，底板導(dǎo)水破壞帶高度為26.3m，沒(méi)有突破底板保護(hù)層帶，根據(jù)3101皮帶巷聯(lián)絡(luò)上山探水孔得知“三灰”水壓穩(wěn)定在7.0MPa左右，不可忽略。

（2）通過(guò)FLAC3D中的流固耦合功能分析了“三灰”含水層對(duì)3煤層開(kāi)采的影響，工作面推進(jìn)距離超過(guò)48m時(shí)，在含水層局部水流方向發(fā)生變化，工作面推進(jìn)距離達(dá)到64m時(shí)，底板導(dǎo)水破壞帶和承壓水導(dǎo)升帶貫通，有底板突水危險(xiǎn)，需要采取防治水措施。

［1］郭惟嘉.礦井特殊開(kāi)采［M］.北京：煤炭工業(yè)出版社， 2008.

［2］陳曉祥， 謝文兵.巖層移動(dòng)模擬研究中模型下邊界位置的確定［J］.西安科技大學(xué)學(xué)報(bào)， 2007， 27（1）：20-24.

［3］施龍青， 徐東晶， 邱梅， 等.采場(chǎng)底板破壞深度計(jì)算公式的改進(jìn)［J］.煤炭學(xué)報(bào)， 2013， 38（s2）：299-303.

［4］趙延林， 張盛國(guó)， 萬(wàn)文， 等.基于流態(tài)轉(zhuǎn)換理論巷道前伏溶洞突水的流固耦合-強(qiáng)度折減法分析［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)， 2014，33（9）：1852-1862.

［5］孫建.沿煤層傾斜方向底板“三區(qū)”破壞特征分析［J］.采礦與安全工程學(xué)報(bào)， 2014， 31（1）：115-121.

［6］李飛， 張金陵， 段李宏.煤層底板采動(dòng)裂隙演化規(guī)律數(shù)值模擬研究［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)， 2014， 42（s1）：37-39.

［7］李健， 艾德春， 任青山.采場(chǎng)底板破壞動(dòng)態(tài)響應(yīng)特征研究［J］.煤炭技術(shù)， 2014， 33（8）：140-142.

［8］劉樹(shù)才， 劉鑫明， 姜志海， 等.煤層底板導(dǎo)水裂隙演化規(guī)律的電法探測(cè)研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)， 2009， 28（2）：348-356.

Research on Numerical Simulation of the Development Law of Floor Water-flowing Fracture

ZHANG Gui-yin
（College of Mining and Safety Engineering， Shandong University of Science and Technology， Qingdao 266590， Shandong， China）

The fully mechanized caving face plate at Juye Longgu Coal Mine No.1301 contains ''three ashes''， lime， flyash and cement，which is watery.The supply is abundant.No.3 coal seam mining was threatened by floor heave water.To study the development of floor water-flowing fracture in the exploitation of fully mechanized caving face， ''Down Three Zones'' Theory was adopted and numerical simulation was conducted， combined with the fluid-structure interaction in FLAC3D.The effects of the development depth of floor waterflowing damage zone and the aquifer flow direction at the advance stage of different faces on No.3 coal seam mining were analyzed.Results showed that the confined water lifting beltformed by ''three ashes'' high water pressure and floor water-flowing damage zone caused by mining were cut through when faces advanced to 64m.At this point， there may be water inrush from seam floor.

mining influence；deep confined water；floor damage；fluid-structure interaction；numerical simulation

P641.4+61

A

1009-3842（2015）06-0013-04

2015-07-18

張貴銀（1989-），男，山東單縣人，碩士研究生，主要從事礦山壓力與巖層控制研究。E-mail： zgy890627@163.com