底板导水裂隙发育规律的数值模拟研究

张贵银

（山东科技大学 矿业与安全工程学院，山东 青岛 266590）

底板导水裂隙发育规律的数值模拟研究

张贵银

（山东科技大学 矿业与安全工程学院，山东 青岛 266590）

巨野龙固煤矿1301综放工作面底板直接充水含水层为“三灰”，且其富水性较强，补给较充沛，3煤开采有底臌水的威胁。为研究深部综放工作面开采底板导水裂隙发育规律，采用“下三带”理论分析，结合FLAC3D中的流固耦合功能进行数值模拟，分析了开采导致的底板导水破坏带发育深度和不同工作面推进阶段含水层水体流向对3煤层开采的影响。结果表明“三灰”高水压形成的承压水导升带与开采引起的底板导水破坏带在工作面推进到64m时贯通，此时有可能会造成底板突水。

采动影响；深部承压水；底板破坏；流固耦合；数值模拟

1 引言

矿井水害一直是制约煤矿安全生产的重大灾害之一，而承压水上采煤导致的水害又约占整个矿井水害的一半，我国华北型石炭二叠纪煤田，煤系基底为巨厚的石灰岩等可溶性岩层，其岩溶发育、富水强，当煤层埋藏深时，水压高。这些矿区生产中都不同程度地受到岩溶承压水影响，随着开采的不断延深，其威胁日益严重［1］。该矿1301综放工作面开采面临底板承压水的威胁，需要对该矿3煤层综放开采底板导水裂隙发育规律进行研究。

2 工程概况

矿区属黄河冲积平原，地形平坦，地面平均标高为+43.26m，主要开采煤层为3煤，煤层厚度为5.66～11.36m，平均8.82m，倾角为2～5°，平均埋深800m。1301工作面底板直接充水含水层“三灰”，富水性较强，补给较充沛，采下组煤时有底板突水的威胁，故3煤的水文地质类型为裂隙岩溶含水、富水性中等型。

3 “下三带”理论分析

根据前人对煤层开采造成的底板破坏规律研究，表明煤层开采也会在底板岩层中形成类似顶板覆岩破坏的“三带”，为区分顶板“三带”，在底板中的称为“下三带”。依据“下三带”的导水性及其层位分别为底板导水破坏带、保护带、承压水导升带［2］。其空间分布示意图如图1所示。

图1 底板“下三带”空间分布示意图

根据底板导水破坏带发育高度的经验公式［3］，可对1301工作面3煤开采造成底板破坏深度进行进行预计。

式中，h1为底板导水破坏深度，m；L为工作面斜长，取220m；H为埋深，取800m；a为煤层倾角，取3°。

代入上述参数计算可知：

而“三灰”含水层平均厚7.4m，上距3煤底板平均48.66m，大于开采导致的底板导水破坏带发育深度26.3m，故单就开采影响而言，在不出现地质构造、不考虑“三灰”含水层水压的前提下，底板破坏深度不会达到底板太原组“三灰”含水层，开采不会受到影响。

但是，根据在1301皮带巷联络上山探水孔测得-800m三灰水压7.0MPa，可见三灰岩水压较高，不可忽略，需要考虑含水层水压的影响。

4 底板承压水对3煤开采影响的数值模拟研究

采用数值模拟方法对太原组“三灰”含水层对底板破坏进行研究，按照水压为7.0MPa考虑对工作面底板的影响。

利用FLAC3D中的流固耦合功能［4］对龙固矿3煤层1301工作面开采导致的底板破坏、承压水流向规律进行研究。主要包括采场走向和倾向方向底板导水破坏带发育特征，以判断3煤层底板承压水对开采的影响，以便采取合理的措施，规避底板突水等不利灾害［5］。

数值模拟模型的相关参数为：煤层厚度8.8m，综放开采条件下，采3.5m，放5.3m，模拟中按水平煤层处理，模拟采深为800m，模拟采用的煤岩体物理力学参数见表1。

表1 计算采用的煤岩体物理力学参数

图2 底板突水模型孔隙压力图

4.1 走向方向含水层水体流向演化规律研究

图3为工作面推进过程中，走向方向含水层水体流向及顶底板破坏图。

图3 工作面走向方向承压水流向随工作面推进距离的演化规律

根据图3（a）可知，当工作面推进16m时，3煤底板破坏深度较浅。工作面走向正下方较大范围内，含水层水流流动方向主要向下，这说明含水层水流流动主要受重力影响，此时受3煤采动影响微乎其微；随着工作面推进到32m时，3煤底板破坏程度有所加剧，如图3（b）所示，工作面下方水流方向仍主要向下，但向上的水流强度减弱，由此可推断，3煤采动对含水层水流影响开始显现。

根据图3（c）可知，当工作面推进到48m时，3煤底板破坏程度得到进一步的发展，走向破坏长度明显增加。工作面下方水流流动情况相比于工作面推进了32m时发生明显的变化。水流方向由向下变为向上，说明高水压已经导致底板岩层破坏。

根据图3（d）可知，工作面推进到64m时，3煤底板破坏程度进一步加剧。工作面走向方向底板破坏长度明显加大，且剪切破坏范围与含水层导通。工作面下方含水层水流方向与推进48m时一样向上，而且流动强度更大。由此可以推断，随着工作面推进长度增加，底板走向破坏深度增大，含水层水流流动强度也增大，在采空区内突水的危险性也越大。

根据图3（e）可知，工作面推进到80m时，3煤底板破坏程度继续增大，走向方向底板破坏长度继续增大。工作面下方水流方向同样是向上流动。但相比于推进距离为64m时的情况，水流强度有所减小。分析原因，可能是由于采空区得到压实，底板应力得到一定程度的恢复，由此使底板破坏程度得到抑制，水流强度由此减弱［6］。

4.2 倾向方向含水层水体流向演化规律研究

图4为工作面推进过程中，倾向方向含水层水体流向及顶底板破坏图。

图4 工作面倾向方向承压水流向随工作面推进距离的演化规律

根据图4（a）可知，工作面推进到16m时，3煤底板破坏程度较小。工作面下方含水层水流受重力影响方向向下。根据图4（b）可知，工作面推进到32m时，工作面下方含水层水流方向向上，3煤采动对承压含水层水流开始产生影响。

根据图4（c）可知，工作面推进到48m时，工作面下方含水层水流方向相比推进到32m时未发生明显的变化，但强度增大，3煤采动影响的程度也逐渐加剧。当工作面推进到64m，工作面下方含水层水流方向及相应位置与工作面推进了48m时的情况相似，如图4（d）所示。随着工作面推进到80m，底板岩层受高水压影响，发生剪切破坏，工作面下方含水层水流方向及相应位置与工作面推进了64m时情况相似，如图4（e）所示［7］。

综上分析可知，随工作面逐渐推进，含水层水流流动方向及强度受3煤采动影响逐渐增大。当工作面推进距离超过48m时，在含水层局部水流方向发生变化，水流流动方向由原来的向下转变为向上，当工作面推进长度达到64m时，水流强度达到最大。而之后，虽然工作面推进长度继续增加，含水层水流方向和相应位置基本不变，而流动强度由于采空区底板受压缩而呈减弱的趋势［8］。

5 结语

（1）根据“下三带”理论对该矿3煤层1301工作面开采后底板导水破坏带发育深度研究可知，底板导水破坏带高度为26.3m，没有突破底板保护层带，根据3101皮带巷联络上山探水孔得知“三灰”水压稳定在7.0MPa左右，不可忽略。

（2）通过FLAC3D中的流固耦合功能分析了“三灰”含水层对3煤层开采的影响，工作面推进距离超过48m时，在含水层局部水流方向发生变化，工作面推进距离达到64m时，底板导水破坏带和承压水导升带贯通，有底板突水危险，需要采取防治水措施。

［1］郭惟嘉.矿井特殊开采［M］.北京：煤炭工业出版社， 2008.

［2］陈晓祥， 谢文兵.岩层移动模拟研究中模型下边界位置的确定［J］.西安科技大学学报， 2007， 27（1）：20-24.

［3］施龙青， 徐东晶， 邱梅， 等.采场底板破坏深度计算公式的改进［J］.煤炭学报， 2013， 38（s2）：299-303.

［4］赵延林， 张盛国， 万文， 等.基于流态转换理论巷道前伏溶洞突水的流固耦合-强度折减法分析［J］.岩石力学与工程学报， 2014，33（9）：1852-1862.

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［6］李飞， 张金陵， 段李宏.煤层底板采动裂隙演化规律数值模拟研究［J］.煤炭科学技术， 2014， 42（s1）：37-39.

［7］李健， 艾德春， 任青山.采场底板破坏动态响应特征研究［J］.煤炭技术， 2014， 33（8）：140-142.

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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

张贵银（1989-），男，山东单县人，硕士研究生，主要从事矿山压力与岩层控制研究。E-mail： zgy890627@163.com