煤层的采掘对地质异常体影响的数值分析

（安徽建筑大学，安徽 合肥 230000）

1 引言

地质异常体是一种特殊的地质构造，主要分布在我国北部。其构造的复杂性导致突水仍然具有很大的可预测性和不可控制性。目前对其处理方式多为采前注浆以及煤层的采掘时对其进行监控。地质异常体的渗透，由骨架结构和骨架中的填充物决定。许多地质异常体处于无法活动状态，各种各样的骨料把框架中的缝隙填满。此时，固结程度和填土含水量是决定地质异常入渗特征的重要因素。在采动影响下，其内部结构裂隙容易发生失稳，水流的渗流使其内部填隙物流失，形成突水通道，奥陶系灰岩水是为了引起水的侵入而连接在煤层地板上的。从沉降塔流入的水是最严重的类型的水灾，其特征是迟延和突然。目前，延迟突水机制的研究主要关于地板破坏的时间影响上，但是关于在矿业影响下断层结构的水传导和水流入延迟机制的研究相对较少。但是，崩塌专栏的水转换水路，通常由煤层地板和异常体构成，有些异常体，甚至直接成为煤层和带水层之间的水转换水路。必须对地质异常体有充分的认识，在了解认识的基础上去尽量减小对煤层开挖的不利影响。

地质异常体是隐伏岩溶的一种特殊类型，它是岩溶岩体因水溶性崩塌而形成的。通过对中国南部与北部主要矿区地质异常体突水资料的分析，认为地质异常体成为垂直突水通道有三个基本条件：①地质异常体所在地段的岩溶含水层富水；②有一定的水头压力；③地质异常体胶结不良，导水性好。在实际施工过程中，开挖工程接近强含水岩溶地质异常体，含水岩溶地质异常体出水孔不能得到强烈控制，或强含水岩溶地质异常体的围岩区被来回钻孔破坏，在矿井流水侵蚀、地质运动等因素的作用下，地质异常体围岩应力变化，应力集中区减小，突降应力范围增大，周围的岩石传导水的能力被强化，并且由于防止突水通道，限制的能力变弱。发现矿床效应是地质异常体突水事故的重要诱因。地质异常体的本来平衡状态在开采过程中被破坏，当关键层突破时形成水的突入。根据突入的理论分析，矿业过程中崩塌柱破坏的本质是矿床应力场和渗透场的相互作用。渗透压引起岩石周围崩塌柱的变形，挖掘的应变也改变了渗透系数，导致渗透场和应力场的结合。

岩体力学参数表 表1

工作面采动对地质异常体的数值模拟

为了探明昌恒煤矿9102工作面其煤层周围地质异常体的含水、导水性，对其进行了具体的钻孔取样分析，探查成果表明：地质异常体（地质异常体）平面上呈不规则的椭圆形，长度约47m，短轴约19m，距离9102机巷最近距离14.5m；地质异常体内垮落物4/5为硅质和泥质，上部集中有铁镁钙，越往下氧化铝、氧化镁、氧化硅和氧化钾含量越多，氧化钠、氧化钙和三氧化二铁的含量则越少，其内部各种岩石胶合情况良好，严实紧密。成果探明X1地质异常体含水性较差，柱体的钻孔都没有出现明显的出水；4102工作面开采跨越地质异常体时，工作面涌水量尚未出现明显的增加，开采实践表明X1地质异常体的导水特性较差。

通过FLAC3D，结合9102工作面现场实际，利用计算机模型模拟研究9102工作面采动对地质异常体的影响，工作面具体力学参数表见表1。

2 模型建立

根据现场工程实践，对模型进行了一定程度的简化，以获得更为普遍的规律。模型的长度为300m(x方向)，每10m 有一条杠。宽度200m（y方向），高度155.5m（z方向）。模型共15800个网格，17732个节点。煤层顺走向开挖，工作面宽度取100m。根据现场钻孔资料，设置地质异常体位于x=150m处，距离9102工作面14m，顶部冒落位于地表黄土层，底部到达含水层。

如图1所示，本次数值分析地质异常体直径为32m，通过对模拟结果进行切片，对比工作面的再次开掘过程中采场、地质异常体塑性区、应力以及位移变化规律。

图1 地质异常体数值分析模型

3 模拟设计

根据工作面埋深，在模型上部施加5MPa的补偿应力，顶板在工作面推进过程中不受特殊支撑，而是根据实际情况允许自行下落。在混凝土岩体参数不变的条件下，设计了表2所示的开采方案。

工作面回采模拟方案 表2

地质异常体在工作面回采时应力峰值变化统计 表3

4 结果分析

4.1 应力分析

首先对地质异常体周围应力变化进行分析，如下图2，为了更为直观的了解，我们将其应力峰值统计为表3。

图2 开采过程中的应力变化

对比分析可知：

①应力集中情况因为地质异常体的影响而得到改善；

②地质异常体对回采的影响具体表现为两个方面：一是工作面接近地质异常体时，应力峰值基本稳定，但是峰值位置与工作面距离缩短；二是通过地质异常体后峰值应力明显减小，但峰值应力的位置和工作面的距离得到恢复，峰值应力和距离呈现不协调现象。

4.2 位移分析

回采步续下地质异常体位移云图，见图3。

对比分析可知；工作点回采过程中，地质异常体的变形阶段与破坏阶段基本一致，特别是回采前后30m范围内，地质异常体变形明显，主要是由于岩体松散破碎，采动影响下岩体被压缩，出现位移变化；地质异常体范围越大，回采造成的位移变化也越大。

图3 回采过程中地质异常体的位移变化

通过模拟，可得到以下规律：

①含地质异常体条件下，随工作面推进，需要重点关注工作面前后50m，此范围内工作面超前应力峰值与距离表现为非协调变化，但是整体上应力集中程度得到缓解。

②随工作面推进，回采对地质异常体的影响范围主要为顶部至底板下方40m；工作面过地质异常体后30m范围内，地质异常体的破坏发展存在上下贯通的趋势；工作面过地质异常体前后30m范围内，地质异常体存在位移明显变化阶段，地质异常体范围越大，回采造成的位移变化也越大。

4.3 再次的开掘过程中地质异常体弹塑性变化

由以上文分析可知，煤层的采掘的前段工程对地质异常体的影响不大，需要重点关注煤层的采掘距离地质异常体近距离位置。地质异常体围岩塑性区如图4。

图4 再次的开掘过程中地质异常体塑型区域变化

对比分析可知：

①工作面的再次开掘过程中，底板的破坏深度一般发展至20m；接近地质异常体时，侧向端头部分最大达到30m，主要原因为一是由于端头部分属于应力集中区，破坏程度较高；二是地质异常体基本由散体组成，整体强度及完整性较低，对于底板破坏的发展起到促进作用。

②工作面回采对地质异常体的影响范围主要为顶部至底板下方40m，且地质异常体直径越大，影响范围也越大，特别是工作面过地质异常体后30m范围内，地质异常体的破坏发展存在上下贯通的趋势。如果想要对地质异常体的破坏进行有效地控制，那么采取注浆加固措施就是可行的。

5 结语

由模拟所示的结果，可以得到煤层采动对地质异常体的影响规律：

随工作面推进，需要重点关注工作面接近地质异常体前后20m，此范围内工作面超前应力峰值与距离表现为非协调变化，应力突然增大。工作面掘进越深，地质异常体周围围岩位移不断增大，在工作面过地质异常体时，位移增大较为明显，以及煤层的采掘扰动导致地质异常体的破坏发展存在上下贯通的趋势，但其尚未完全贯通。

综上所述，地质异常体环节工作面的应力集中程度，开采前最好利用注浆加固技术进行防治，实际回采过程中，对工作面过地质异常体前后20m需要加强现场监控。