吳培林

（山西潞安環(huán)保能源開發(fā)股份有限公司王莊煤礦，山西 長(zhǎng)治 046000）

我國中西部煤炭開采工作面由于開采厚度大、煤層埋藏淺、采礦地質(zhì)條件簡(jiǎn)單、工作面推進(jìn)速度快等特點(diǎn)，造成覆巖破壞劇烈，破壞高度大，導(dǎo)水裂隙帶常與地表裂縫貫通等[1]。尤其當(dāng)導(dǎo)水裂隙帶貫通地下含水層或地表大型水體時(shí)，常常發(fā)生潰水、潰砂、超限涌水等水害事故，對(duì)礦井的安全生產(chǎn)和井下人員生命財(cái)產(chǎn)安全產(chǎn)生巨大的威脅。針對(duì)煤礦開采引起的導(dǎo)水裂隙帶突水問題，我國學(xué)者早在20世紀(jì)50 年代就開展了大量的研究和實(shí)驗(yàn)，劉天泉院士[2]總結(jié)覆巖破壞規(guī)律，將覆巖破壞分為“三帶”即冒落帶、裂隙帶、彎曲帶，提出了“覆巖破壞學(xué)說”，錢鳴高院士[3]提出“關(guān)鍵層理論”。 隨著鉆探技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，導(dǎo)水裂隙帶的研究也向著多種調(diào)查方式相結(jié)合的方向發(fā)展，主要的調(diào)查方式有相似材料模擬、數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、類比法等方法[4-5]。

通過對(duì)王莊煤礦工程地質(zhì)條件及巖石力學(xué)特征分析，確定工作面覆巖的宏觀力學(xué)性質(zhì)，采用數(shù)值模擬綜合分析7106 工作面覆巖破壞規(guī)律并預(yù)測(cè)導(dǎo)水裂隙帶高度，對(duì)指導(dǎo)7106 工作面水體下采煤具有重要意義。

1 工程概況及地質(zhì)條件

王莊煤礦位于山西省長(zhǎng)治市以北約 30 km。井田范圍地勢(shì)開闊平緩，第四系黃土全覆蓋，地表水系發(fā)育，主要分布有絳河和漳澤水庫。其中絳河自西向東橫貫?zāi)喜烤镏胁?。根?jù)鉆孔資料和區(qū)域地質(zhì)資料顯示，該礦區(qū)地層包含第四系、新近系、二疊系上統(tǒng)上石盒子組（P2s）、二疊系上統(tǒng)下石盒子組（P1x）、二疊系下統(tǒng)山西組（P1s）、石炭系上統(tǒng)太原組（C3t）、石炭系中統(tǒng)本溪組（C2b）、奧陶系中統(tǒng)峰峰組（O2f）。

2 工作面概況

7106 工作面北距7105 工作面約340 m，南部為未開采實(shí)體煤，工作面東北部區(qū)域地表為絳河（圖1）。工作面采深約354～414 m。7106 工作面基本呈北高南低傾向南的單斜構(gòu)造，基本沿煤層走向自東向西推進(jìn)，傾角約 6° ～10°。直接頂由灰黑色泥巖、砂質(zhì)泥巖、細(xì)砂巖組成，有時(shí)為砂泥巖互層，平均煤厚約 6 m。采用綜采放頂煤一次采全高開采工藝，全部垮落法管理頂板。

圖1 7016 工作面位置關(guān)系圖

3 數(shù)值模擬分析

3.1 數(shù)值模擬建立

為了預(yù)測(cè)王莊煤礦7106 工作面綜放開采情況導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度，本文以拉格朗日有限差分法FLAC3D有限元程序?qū)?106 工作面3 號(hào)煤層開采后覆巖破壞規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬。王莊煤礦7106 工作面三維計(jì)算模型尺寸為800 m×400 m×259 m ，x方向?yàn)槟Ｐ妥呦蚍较?，y 方向?yàn)槟Ｐ蛢A向方向，z 方向?yàn)閹r層厚度。

工作面沿x 方向推進(jìn)，開挖寬度為200 m。整個(gè)模型由六面體網(wǎng)格構(gòu)成，模型的前后左右分別施加了水平方向的約束，模型底部施加了垂直方向的約束，模型頂板施加0.84 MPa 覆蓋層的自重應(yīng)力。本次計(jì)算選用莫爾-庫侖（Mohr-Coulomb）本構(gòu)模型來描述巖體的強(qiáng)度特征，整個(gè)模型由196 000 個(gè)單元和207 959 個(gè)節(jié)點(diǎn)組成。由于該井田的地層較為復(fù)雜，實(shí)際巖層較多，為了方便計(jì)算，將煤層視為水平煤層，并將具體的地層進(jìn)行簡(jiǎn)化，厚度較小、巖石力學(xué)性質(zhì)相似的巖層合為一組，一共分為7 組。為了消除邊界條件對(duì)工作面的影響，在工作面的左右兩側(cè)各留出100 m 的距離，切眼處位于模型邊界200 m 處。三維模型如圖2。

圖2 王莊煤礦7106 工作面三維模型示意圖

3.2 巖石力學(xué)參數(shù)選取

模型建立過程中，依據(jù)以往地質(zhì)鉆孔資料以及巖石力學(xué)測(cè)試結(jié)果，從模型底部到地表共分為7 層，從上到下依次為泥巖、中粒砂巖、泥巖細(xì)砂巖互層、中細(xì)砂巖、泥巖粉砂巖互層、3 號(hào)煤層、泥巖砂泥巖互層。巖石力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巖石力學(xué)參數(shù)表

3.3 模擬計(jì)算方案

王莊煤礦7106 工作面主采煤層3 煤為近水平煤層，厚度約6 m。設(shè)計(jì)模擬3 煤7106 綜放工作面長(zhǎng)度200 m，采厚6 m，沿走向推進(jìn)總長(zhǎng)為200 m。工作面推進(jìn)初期，每6 m 開挖一次，一共開挖10 次，此后每10 m 開挖一次，直到推進(jìn)200 m 時(shí)，模擬結(jié)束。

3.4 圍巖破壞場(chǎng)分析

煤層開挖是打破地下空間應(yīng)力平衡狀態(tài)，并通過應(yīng)力重分布形成一個(gè)新的應(yīng)力平衡狀態(tài)的過程。因此，從開切眼到工作面推進(jìn)就是一個(gè)不斷打破圍巖應(yīng)力平衡狀態(tài)的過程。為了充分了解7106 工作面綜放開采過程中導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育規(guī)律，對(duì)3 煤連續(xù)回采階段的數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行分析。

（1）工作面回采6 m 時(shí)，由于回采范圍較小，導(dǎo)致破壞區(qū)范圍也較小，以剪切破壞為主的導(dǎo)水裂隙帶僅延伸到煤層上方20 m 處（圖3）。

圖3 開挖6 m 塑性變形云圖

（2）工作面回采60 m 時(shí)，隨著回采范圍不斷地?cái)U(kuò)大，工作面兩端的集中應(yīng)力也逐漸增大。根據(jù)材料力學(xué)原理，采空區(qū)上方的巖梁集中應(yīng)力處為巖梁兩端，當(dāng)兩端集中應(yīng)力大于巖梁抗剪強(qiáng)度時(shí)，則會(huì)發(fā)生剪切破壞。從數(shù)值模擬的結(jié)果來看，塑性破壞區(qū)以剪切破壞為主，工作面回采引起的導(dǎo)水裂隙帶最大高度為60 m（圖4）。

圖4 開挖60m 塑性變形云圖

（3）當(dāng)工作面回采130 m 時(shí)，隨著工作面的不斷推進(jìn)，導(dǎo)水裂隙帶將各個(gè)破壞區(qū)溝通，塑性破壞區(qū)繼續(xù)擴(kuò)大，導(dǎo)水裂隙帶高度達(dá)到了120 m，“馬鞍型”的覆巖破壞范圍逐漸明顯（圖5）。

圖5 開挖120 m 塑性區(qū)云圖

（4）當(dāng)工作面開挖190 m 時(shí)，覆巖破壞區(qū)的范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，導(dǎo)水裂隙帶高度達(dá)到135 m，未延伸至覆蓋層，不具備溝通地表水體的能力（圖6）。

圖6 開挖190 m 塑性區(qū)云圖

（5）當(dāng)工作面開挖200 m 時(shí)，覆巖破壞范圍基本不變，導(dǎo)水裂隙帶高度也基本不變。所以可以確定工作面回采到190 m 時(shí)，已達(dá)到充分采動(dòng)，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育最大高度為135 m，導(dǎo)水裂隙帶沒有溝通地表，地表水體不會(huì)對(duì)井下工作面回采產(chǎn)生影響（圖7）。

圖7 開挖200 m 塑性區(qū)云圖

（6）通過數(shù)值模擬分析可知，7106 工作面煤層回采最大裂采比為22.5。

4 綜放導(dǎo)水裂隙帶實(shí)測(cè)

王莊煤礦北部6206 工作面以往布置了3 個(gè)兩帶觀測(cè)孔k1、k2、k3，采用地面水文觀測(cè)的方法實(shí)測(cè)導(dǎo)水裂隙帶高度（表2）。

可以看出，3 號(hào)煤層綜放開采導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育最大高度為煤層頂板之上114.87 m，綜放開采裂采比為19.44～20.15。

表2 6206 工作面導(dǎo)水裂隙帶高度觀測(cè)成果表

5 結(jié)論

（1）運(yùn)用FLAC3D模擬7106 工作面3 號(hào)煤層連續(xù)回采，工作面回采到190 m時(shí)，已達(dá)到充分采動(dòng)，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育最大高度為135 m，導(dǎo)通不到地表，絳河對(duì)7106 工作面不會(huì)造成威脅。

（2）對(duì)周邊開采工作面導(dǎo)水裂隙帶高度進(jìn)行實(shí)測(cè)，將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)跟模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析對(duì)比可以得出：FLAC3D模擬得出的最大裂采比為22.5，與6206 工作面的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果基本相符，驗(yàn)證了數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。