地质异常体下煤层开采安全的数值模拟分析

2021-06-24刘乐意宣以琼

湖北理工学院学报 2021年3期

刘乐意，宣以琼

(安徽建筑大学土木工程学院，安徽合肥 230601)

0 引言

当前我国的煤炭消耗量逐年上升，导致其开采不断向深部延伸,矿区的突水溃砂事故时有发生。我国华北地区普遍为地质异常体(陷落柱)，其内部结构岩体的岩性不规则。因此，在其煤层开采掘进过程中，容易呈现出岩体破碎和地质裂隙带，在异常体处产生竖向导水通道并与回采工作面相连，从而发生突水事故。陷落柱突水通常具有延迟反应、偶发性、突水量大、破坏力强和防治难度大等特点，对煤层的安全开采有着重要影响。

目前，国内外学者通过理论研究、实验分析、数值模拟等方法对异常体的突水、渗流特性及其对开采工作面的影响等问题进行了诸多研究。杨本水等[1]对异常体陷落柱水害预防与超前探查治理技术进行了研究，对判别突水水源及对采动裂隙进行超前治理提出了新模式。大量研究结果表明[2]，建立岩溶陷落柱冲蚀突水力学模型，研究分析冲蚀作用下裂隙的发育，对于揭示陷落柱突水机理并指导其突水防治具有重要意义。毕国胜等[3]通过理论推导以及实测数据对综采工作面的应力影响范围和应力峰值等相关参数进行了数据研究，为工作面安全开采和工作面支护等安全参数的合理选用提供了有力依据[4]。

注浆加固松软地质、围岩破裂区及断层等不良地质异常体时，能明显提高其结构稳定性和围岩支护强度[5-9]，对异常体处有着良好的支护作用，能有效抑制异常体处的塑性破坏，减小异常体巷道附近的围岩变形[10-12]。分析陷落柱的特征及成因、揭示陷落柱突水模式及机理、探讨煤层开采掘进过程中工作面应力变化以及采前注浆对异常体塑性破坏规律等具有重要意义。鉴于此，本文结合昌恒煤焦9102工作面的地质情况，通过FLAC3D模拟T1地质异常体对煤层开采的影响，以供相关工程参考。

1 工程概况

山西岚县昌恒煤焦有限公司隶属于皖北煤电集团，其煤品种属我国较稀缺且进口量较大的炼焦或配焦用煤，质量优良。生产矿井面积约3 km2，地下含煤量约5 400万t，年生产能力可达90万t。现场钻孔取芯及查阅相关资料发现，昌恒煤焦有限公司9101工作面和9102工作面顶、底板水害类型较为复杂，水害影响颇为严重。根据9102工作面的开采情况及井下地质异常体探查状况，T1地质异常体大致呈圆柱形，直径约19 m，与9102机巷的最小距离约14 m。T1地质异常体含水较富裕，工作面开采接近地质异常体时出水量有所增加。探查结果及开采实践表明，T1地质异常体的复含导水性较好。

2 地质异常体含、导水性分析

地质异常体是我国北方煤田的一种特殊地质，是由水溶作用而形成的一种塌陷破坏状况。由于异常体的结构复杂多样，目前对其突水现象难以预测，所给与的及时治理方案不成熟。异常体内的渗流由其内部结构、内部填充物及富含水情况共同决定，多为固结状态。其内部填充结构的密实程度是决定地质异常体是否发生渗流的重要因素之一。

通过查阅相关资料可知，岩溶陷落柱要成为突水通道并造成水害需具备以下3个因素：①该地质异常体岩溶富水性强，形成突水塌陷的隐患较大；②水头压力需要达到一定值，这是形成陷落柱突水的催化剂；③地质异常体陷落柱结构材质松散、导水性好，可加速突水通道的形成。

工程实践发现，在煤层开采过程中，一方面会在回采工作面前方和周边产生应力重分布和应力集中现象。在工作面处的应力达到最大状态后，会发生塑性破坏。另一方面，当工作面接近地质异常体时，若涌水钻孔和岩溶陷落柱的围岩区不能得到合理的安全控制，水的渗流系数将会增大。在水的渗流作用下，裂隙带处将与岩溶陷落柱相连通，岩溶陷落柱的围岩应力场也会随之发生变化，从而使导水性变强，可能发生突水事故。由此可知，工作面在掘进过程中应力的变化影响了与其相连的异常体本身的稳定性，其内部结构易破碎为松散的岩体形式，从而变成底板灰岩水和巷道的导水通道。

3 数值模拟分析

3.1 模型建立

根据勘察资料，昌恒煤焦9102工作面T1异常体及周边范围的岩体力学参数见表1。为了获得较为普遍的规律，根据设计图纸和工程现场情况对模型做合理的简化设计。模型X方向360 m，Y方向220 m，Z方向155 m，煤层开采沿着X方向推进，开采面宽100 m，全高9 m。现有直径为20 m的地质异常体位于模型X方向180 m，Y方向54 m处，距离工作面最近为14 m。所建立的数值分析模型如图1所示，以对比有无地质异常体2种工况回采过程中的工作面超前应力峰值变化及塑性破坏规律。

表1 昌恒煤焦9102工作面T1异常体及周边范围的岩体力学参数

(a) 无地质异常体模型

(b) 有地质异常体模型

3.2 模型计算与结果

在模型顶面施加5 MPa的补偿应力，对底面和侧面进行固定，而顶面按照实际情况自由垮落。所设计的回采掘进方案见表2。

表2 回采掘进方案 m

3.2.1工作面回采过程中的超前应力变化

利用FLAC3D模拟煤层掘进开挖过程，对不同回采工作面的应力结果进行切片，观察不同工作面的应力峰值变化及峰值距工作面距离变化。

1)开挖步续1。工作面推进80 m时的超前应力峰值如图2所示。由图2可知，工作面推进80 m时，无地质异常体工况下工作面的超前应力峰值为14.5 MPa，应力峰值距工作面距离为12 m；有地质异常体工况下工作面的超前应力峰值为14.5 MPa，应力峰值距工作面距离为11 m。此时，2种工况下数值基本相同，是因为工作面距异常体较远，对工作面的影响较小。

(a) 无地质异常体

(b) 有地质异常体

2)开挖步续2。工作面推进130 m时的超前应力峰值如图3所示。由图3可知，工作面推进130 m时，无地质异常体工况下工作面的超前应力峰值为15.1 MPa，应力峰值距工作面距离为12 m；有地质异常体工况下工作面的超前应力峰值为19.2 MPa，应力峰值距工作面距离为7 m。此时，异常体的存在对煤层开采产生了不利的影响，工作面的应力增加了约4 MPa，距工作面距离变小，基本符合协调变化。

(a) 无地质异常体

(b) 有地质异常体

3)开挖步续5。工作面推进180 m时的超前应力峰值如图4所示。由图4可知，工作面推进180 m时，无地质异常体工况下工作面的超前应力峰值为15.8 MPa，应力峰值距工作面距离为12 m；有地质异常体工况下工作面的超前应力峰值为16.8 MPa，应力峰值距工作面距离为7 m。此时，在有异常体的影响下，煤层开采应力峰值和距工作面距离已为不协调性变化。

(a) 无地质异常体

(b) 有地质异常体

4)开挖步续8。工作面推进230 m时的超前应力峰值如图5所示。由图5可知，工作面推进230 m时，无地质异常体工况下工作面的超前应力峰值为15.2 MPa，应力峰值距工作面距离为12 m；有地质异常体工况下工作面的超前应力峰值为18.0 MPa，应力峰值距工作面距离为8 m。此时，有地质异常体情况下，工作面的应力峰值依旧较大，但其应力峰值和距工作面距离又基本回归到协调性变化。

(a) 无地质异常体

(b) 有地质异常体

图5 工作面推进230 m时的超前应力峰值

对比分析图2～5，可得以下结论。

1)在无地质异常体工况下，地质较均匀，工作面的应力峰值基本稳定在一定范围内，且峰值位于工作面前方的距离变化也较小，基本稳定在10～12 m，此现象基本符合力学原理。

2)在受地质异常体的影响下开采,应力峰值较正常地质有所增加，开挖步续3～7(异常体处前后30 m工作面)变化的幅度较大，且应力峰值和距工作面距离都呈现出非协调性变化。由于前方存在地质异常体，岩性结构较为松散，且整体强度和完整性较差，工作面处应力集中现象较为严重，对煤壁开采的稳定性不利，给工作面防突工作增加了难题。

3.2.2工作面回采过程中采场塑性区变化

根据摩尔库伦理论，通过FLAC3D利用迭代法计算回采过程中采场变化特征，对比分析地质异常体处(地质异常体距离工作面最近的部位即X方向180 m处)在煤层开采过程中的塑性变化情况，以及对地质异常体进行注浆后再进行回采的塑性区变化情况。异常体处和注浆后异常体处在煤层开采过程中的塑性变化分别如图6和图7所示。

(a) 工作面推进80 m

(b) 工作面推进130 m

(d) 工作面推进230 m

(a) 工作面推进80 m

(b) 工作面推进130 m

(d) 工作面推进230 m

对比分析图6和图7，可得以下结论。

1)根据经验可知正常地质情况下，底板破坏深度约20～40 m左右。由图6可以发现，在工作面掘进过程中，由于有地质异常体的存在，煤层底板破坏深度约达50 m左右；随着工作面回采掘进，地质异常体的破坏逐渐发展成上下贯通的导水裂隙通道，在过异常体后30 m处(步续7之后)，异常体基本已经上下贯通，构成导水通道。

2)由图7可以看出，在对异常体进行注浆处理后再开采的情况下，煤层底板破坏深度约在30 m左右，与正常地质情况下的开采基本相同。对异常体的注浆加固处理，增大了此范围内的岩体力学参数，改变了原本松散的岩体结构，异常体部位随着开采掘进也未发生上下贯通破坏的情况。