采场底板陷落柱渗流突水数值模拟

2018-03-21张川牛狄超然

现代矿业 2018年2期

张川牛狄超然万芬

(1.山西寿阳段王煤业集团有限公司；2.武汉地大华睿地学技术有限公司)

岩溶陷落柱广泛发育在我国华北地区，是一种特殊的隐伏型地质构造，其诱发的突水具有突发性、隐蔽性、突水量大等特点[1]，严重威胁煤矿安全生产。陷落柱作为一种强导水通道，常导致奥陶系灰岩突水事故，已经造成我国多次淹工作面和淹井灾害。因此，研究陷落柱突水规律对预防煤矿突水事故的发生尤为重要[2]。

1 工作面概况

某矿31102西工作面埋深为658～690 m，工作面宽150 m，煤层厚1.5～5.2 m。工作面底板以泥岩、粉砂岩、细砂岩为主，距煤层底板90 m处为奥灰含水层，水压为5～7 MPa。根据物探和钻探结果，现已查明煤层底板有一小型陷落柱(1#)，陷落柱平均半径为40 m，高约60 m，呈倒漏斗形，陷落柱顶端距煤层大约30 m。因此，沿工作面推进极有可能发生底板突水事故。

2 数值模型的建立

采用FLAC3D数值模拟软件建立模型，尺寸为500 m×300 m×220 m，煤层厚5 m，模型底部为承压水含水层，其上为隔水层，距煤层底板30 m处有一圆台状陷落柱，陷落柱顶部直径为10 m，底部直径为70 m，高60 m。数值计算模型见图1。模型约束底部垂直方向的位移，约束左右两边水平方向的位移。原点定在模型底部中心位置，煤层走向为x方向。设煤层的埋藏深度为700 m，采用等效载荷代替底部压力，取上覆岩层平均密度ρ=2 600 kg/m3。底部承压水含水层压力为固定值(6 MPa)。模型中各岩层的岩石物理力学参数见表1[3]。

图1 三维数值模型(沿陷落柱轴线)

岩层名称总厚度/m密度/(kg/m3)弹性模量/GPa泊松比内聚力/MPa抗拉强度/MPa内摩擦角/(°)渗透系数K/md-1细砂岩502630280.288.23.2300.20泥岩402500220.308.52.0320.15中砂岩402600260.308.32.2300.18粉砂岩452580280.258.73.3270.20煤层5120040.301.41.5280.15含水层403000180.115.75.1380.40陷落柱1700270.400.90.2311.00

3 测点布置

煤层底板布置5条测线，观测线以观测点的形式给出。测点沿x轴方向即煤层走向-70，-35，0，35，70 m均布；沿y轴方向-60～60 m均布5个测点；沿z轴方向为125 m高度，见图2。沿陷落柱剖面周边均匀布置9个测点，见图3。

图2 底板测线布置

图3 陷落柱周边测点布置

4 模拟过程

(1)工作面长度分别取140，120，100，80，60 m，从x=-100 m沿煤层走向推进，步距为10 m，采用全部垮落法管理顶板。

(2)工作面长度取100 m，从x=-100 m沿煤层走向推进，步距为10 m，回采后充填，开挖下一步时对上一步进行充填[4]。

5 工作面不同回采情况下模拟结果分析

5.1 工作面回采过程

图4为开挖前孔隙压力云图。可以看出，开挖前，含水层承压水导升高度为5 m，陷落柱周边渗流宽度为7 m。随着工作面的推进，煤层底板和陷落柱周边塑性区范围不断加大，煤层底板塑性破坏向深部发育，底板受到张力和剪切力的作用(图5)，对应左侧力学状态图标，结合2章节模型建立时模块大小(模块高度为5 m)可知，当工作面开挖140 m时，煤层底板塑性破坏深度达35 m左右，陷落柱周边破坏带宽10 m左右，陷落柱周边水压由4.5 MPa减小到1.0 MPa，底板层压水得以释放，压力明显减小，表明底板塑性破坏带和陷落柱周边破坏带发生对接，底板二次发育的节理构造形成导水通道，导致承压水沿破坏带向采空区涌入，引发工作面突水事故。

图4 开挖前孔隙压力云图

图5 开挖140 m处塑性区

5.2 不同宽度的工作面回采

对比工作面宽140和60 m 2种情况，底板受到张力和剪切力的作用如图6中颜色变化，对应左侧力学状态图标，结合2章节模型建立时模块大小(模块高度为5 m)可知：

(1)随着140 m宽度工作面的推进，底板破坏深度加大；工作面开挖130 m处，最后塑性破坏深度稳定在35 m左右，大于底板距陷落柱顶部高度30 m，底板塑性区与陷落柱周边破坏带对接，很有可能导致突水事故发生。

(2)60 m宽度工作面开挖130 m处时，由于受超前支承压力的影响，底板前方最大破坏深度达到20 m左右，小于底板距陷落柱顶部高度30 m,塑性破坏区未达到陷落柱的原始破坏区，工作面不会发生突水事故。

图6 不同宽度的工作面开挖130 m处塑性区

因此，降低工作面宽度可以减小底板破坏深度，降低底板突水的可能性。然而，遇陷落柱时，也应根据现场情况合理布置工作面宽度。

5.3 充填后的工作面回采

采用充填开采法，随着工作面推进，底板破坏深度稳定在5 m左右，如图7所示，推进150和200 m 时都已经过陷落柱所在位置，但底板塑性破坏深度远小于底板距陷落柱顶部的距离30 m。工作面接近陷落柱和远离陷落柱时，底板塑性破坏深度并未增加，反而有减小趋势，因此，不易导致突水事故发生。

图7 工作面推进不同距离时充填开采塑性区

5.4 陷落柱破坏分析

图8为陷落柱位移变化情况。从图8(a)可以看出，随着工作面推进，陷落柱顶部C1、C2、C3点在采动矿压影响下向下移动且不断加大，说明陷落柱顶部处在受压阶段。当工作面推进100 m左右时，在超前支承压力下，测点向下移动达到最大值约23 mm，之后进入采后卸压区，测点又改为向上移动，说明陷落柱顶部处在受拉膨胀阶段[5]。从图8(b)可以看出，随工作面推进，C1点向x正方向移动，而B1、A1点向x负方向移动，C1、B1点相对位移不断加大，最大约17 mm，说明陷落柱中上部左侧周边受剪应力影响较大，破坏较严重，可能引发渗流突水事故。