基于FLAC3D的煤层底板奥灰突水危险性评价

2019-10-14黄振

山西建筑 2019年17期

黄振

(河南理工大学资源环境学院，河南焦作 454000)

煤矿开采很多都有底板突水的问题，开采的过程中底板岩溶承压水可通过一系列的导水通道进入矿井，带来一系列安全隐患，甚至会导致大量财产损失和人员伤亡。为了减少底板突水带来的危害，就应当选用适当的方法评价煤层底板开采过程中的突水危险性。以山西组二1煤为主要采层的鹤煤九矿，位于鹤壁市鹤山区北部的鹤壁集镇。奥灰含水层是二1煤底板导、富水性最强的岩溶裂隙含水层。九矿三、四水平是九矿现在和未来采掘工作的重点，但水文地质条件稍为复杂，首先三、四水平内局部断层褶皱比较发育，它们相互交错，呈现出一定的阶梯状，形成较为复杂的构造形态，对二1煤层有强烈的破坏作用；其次靠近小南海泉域的集中排泄口区；根据矿井物探资料，内部还有陷落柱和O2富水异常区。

1 九矿二1煤层奥灰水水压

根据收集的九矿三、四水平以往钻孔以及补勘的钻孔资料，可以得到三、四水平钻孔所在部位的煤层底板标高具体数值。由九矿及其临近矿区打到灰岩的钻孔数据显示奥陶系灰岩水位在130 m～140 m，0502钻孔奥灰水位标高为135.13 m，可以近似把此孔的水位标高作为当前奥灰水水位标高。此孔的水位标高减去煤层底板标高即可获得水压值，单位MPa。为了更好的反映三、四水平整体情况，这些钻孔均匀的分布在整个三、四水平区域之间，见表1。

表1 不同钻孔奥灰水压计算表

2 底板采动破坏深度的FLAC3D数值模拟

煤层底板采动破坏的深度由很多种不同的影响因素控制，主要与煤层顶底板岩层的不同特性有关，这些因素作用的机制相当复杂，无法通过用理论公式或者经验公式的计算获得大致可靠的结果，而如今在工程地质学领域有较普遍应用的FLAC3D数值模拟软件[1]有其独到的闪光之处，FLAC3D软件可以根据研究区的具体面积及模拟精度要求设定不同六面体网格单元的大小，以有限差分法程序不断进行重复运算，直至满足本身自带的Mohr-Coulomb塑性本构关系和屈服准则，可以根据岩心力学性质实验获得的具体力学参数较为准确的量化底板的塑性破坏程度。

本次模拟充分考虑实际开采地层条件及岩石力学参数，主要模拟九矿三、四水平不同斜长工作面开采二1煤后，顶底板围岩塑性变形破坏深度的规律，模型尺寸为500 m×600 m×320 m，根据九矿地层综合柱状图，在铅直方向上将模拟层概化为18层，包括二1煤(开挖层)、二1煤顶板模拟层7层，二1煤底板模拟层10层，模拟采深为500 m，工作面斜长为120 m,140 m和160 m，开挖时10 m一步共开挖250步，每一步都借助该软件输出顶底板破坏的结果，结果见图1。

模拟结果显示，工作面在推进到150 m左右时进入稳定状态，采深H=500 m时，工作面斜长L=120 m,L=140 m和L=160 m对应的底板破坏深度最大值分别为17.32 m,19.27 m和21.13 m。从有利于安全的角度出发，破坏深度小时底板隔水层厚度大，相对底板破坏深度大时较为安全，因此选择破坏深度最大的21.13 m作为底板最大破坏深度时，对实际开采工作更有安全保障。

3 突水系数法危险性评价

突水系数法[2-4]是我国一些老前辈在匈牙利专家们以往研究经验的基础上提出的，后来经过我们国家多位专家的多次改进与不断修正，成为一个能判断隔水层是否突水的依据，并在全国许多煤矿有广泛应用。用突水系数法来进行煤层底板突水危险性分区时，仅仅只需要考虑两个因素，计算过程相比之下较为简单，能综合反映水压和有效隔水层厚度这两个因素对煤层底板的综合作用。其数学表达式如下：

(1)

其中，T为突水系数，MPa/m；P为底板隔水层承受的水压，MPa；M为底板有效隔水层厚度，m。

将九矿三、四水平二1煤层底板奥灰水水压除以有效隔水层厚度，就能得到各区对应的突水系数。二1煤层底板的有效隔水层厚度可近似利用该钻孔揭露的隔水层总厚度减去底板采动破坏带深度来定量描述，见表2。

表2 煤层底板有效隔水层厚度统计表

九矿三、四水平总体构造复杂程度为中等，根据《煤矿防治水规定》[5]的相关规定选用临界突水系数0.06 MPa/m，将对应的区域进行突水危险性分区。当突水系数值介于0和0.06 MPa/m之间时，该区域为安全区；当突水系数值大于0.06 MPa/m时，该区域为突水危险区。将这些钻孔点计算突水系数后借助于GIS软件的插值分析功能即可得到九矿奥灰水突水危险性分区图。