深埋煤层开采侧向高压奥灰水影响特征及煤柱留设研究

史永理

( 1.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710054；2.陕西省煤矿水害防治技术重点实验室，陕西 西安 710054)

随着煤矿开采深度的增加，水害威胁程度不断提高[1-2]。断层破坏了围岩的完整程度，加之采煤过程中围岩再次遭到破坏，使断层破碎带易演化为重要的导水通道[3-4]。嘉祥支断层为大型高倾角正断层，最大落差600 m，断层下盘奥灰含水层（水压达10 MPa）与上盘3 煤层对接。此外，3 煤开采可能引发嘉祥支断层活化，存在侧向奥灰水补给3 煤的可能。因此，亟需深入研究煤层开采过程中渗流场、应力场影响特征和断层防水煤柱留设优化计算，这对大型断裂两侧煤层安全开采具有重大指导意义。

1 研究区概况

新河煤矿嘉祥支断层以东延深区域主采3 煤底板等高线在-900～ -1280 m 之间，煤厚8 m。区内嘉祥支断层倾角68°～76°，落差0～600 m，在井田范围内发育4 个分支断层（图1）。嘉祥支断层下盘奥陶系灰岩与上盘3 煤层对接。

图1 矿井构造纲要图

2 深部煤层开采流-固耦合数值模拟研究

2.1 模型构建

基于新河煤矿深部区域地质及水文地质条件，按实际地层相对关系建立模型。构建模型长宽高分别为400 m、200 m、147 m 的大型流固耦合数值模型。模型底部及四周施加法向约束，上边界施加24.9 MPa 的法向均布荷载模拟上覆岩层自重（地面标高取+20 m，3 煤顶板标高为-1080 m，岩层容重取平均容重25 kN/m3）。

力学模型选用mohr-coulomb 模型，流体模型各向同性。模型边界均设为不透水边界，下盘奥灰含水层施加等梯度变化水压（8.88～10.35 MPa），3 煤底板对应的奥灰水压为10 MPa。模型计算采用的断层参数见表1。煤层为近水平煤层，厚度8 m，采全厚，在开采区的两侧各留有50 m 的边界，以避免边界应力产生不利影响。模拟采长180 m，自距离嘉祥支断层220 m 处往断层带方向推进。回采分6 个开挖步，共开挖180 m。

表1 研究区岩体力学参数统计表

2.2 数值模拟结果与分析

2.2.1 垂直应力变化规律

图2 为奥灰水压10 MPa 下开采煤层走向垂直应力云图。可以看出，工作面回采后，沿工作面走向上的煤层底板形成拱形垂直应力，随工作面推进，拱形的形变跨度越来越大。采空区两端煤壁前方顶底板有垂直应力集中区，且集中效应在切眼和停采线处前方底板处明显增加，当工作面推进180 m 后（图2-f），最大垂直应力达57.786 MPa。

图2 10 MPa 奥灰水压下开采岩体走向垂直应力云图

2.2.2 孔隙水压变化规律

图3 为10 MPa 奥灰水压下开采岩体走向孔隙水压力云图。可以看出，随着工作面不断推进，最大孔隙水压呈现逐步增大的趋势。下盘高压奥灰水穿越断层流入上盘工作面，补给量主要受3 煤顶板砂岩的渗透性、水力梯度变化大小、补给面积、岩石渗透性能、3 煤采动导水裂缝带发育高度等因素的控制。走向方向上开采6 个开挖步得到的渗流速度分别为：6.421 75×10-8m/s、1.093 7×10-7m/s、9.561 3×10-8m/s、8.329 3×10-8m/s、1.176 8×10-7m/s、9.971 0×10-8m/s。

图3 10 MPa 奥灰水压下开采岩体走向孔隙水压力云图

2.2.3 塑性区变化规律

图4 为10 MPa 奥灰水压作用下走向分步开采塑性区云图，结合垂直应力云图（图1）可知，3煤开采工作面推进30 m 时，煤层顶板呈现“马鞍形”塑性区，且只在工作面附近小范围内出现塑性破坏；当工作面推进60 m时，顶底板塑性区范围有所扩大，断层未发生破坏；当工作面分别推进90 m、120 m时，顶底板塑性破坏区范围进一步扩大，形成一定规模，断层此时依然未受到扰动，但覆岩垂直应力的“拱形”高度发生明显变化（图1（a）、1（b）），应力影响范围沿掘进方向扩展；工作面推进150 m时，应力拱进一步扩大，并对断层产生一定的扰动，断层及附近岩层内出现小范围塑性破坏，断层与煤层底板大范围塑性破坏区之间出现了小范围破坏区域，表明断层开始活化；工作面持续推进180 m，断层破坏与煤层底板塑性破坏区已经联通，此时断层活化程度进一步扩大，阻水能力基本丧失。通过对孔隙水压、渗流速度、塑性区变化规律的分析，综合确定断层煤柱留设宽度为100～130 m。

图4 10 MPa 奥灰水压下走向分步开采塑性区云图

3 断层煤柱宽度计算

延深区域奥灰与嘉祥支断层对盘3 煤层对接，因此嘉祥支断层煤柱宽度按含导水断层计算。3 煤位于嘉祥支断层的上盘，煤层伪倾向与断层真倾向相同，且断层真倾向方向上的煤层伪倾角小于断层维护带与断层法线最小夹角。综合分析，基于安全维护带距离构建嘉祥支断层上盘防水煤柱的计算公式：

式中：L为煤柱倾斜长度，m；H安为安全维护距离，即断层至维护带外缘的最小距离，m；β为断层维护带与断层法线最小夹角，取84.6°～84.8°；Hd为煤层底板矿压破坏深度，m；γ为断层维护带与水平面的最小夹角，取62.7°～69.6°。α为断层真倾向方向上的煤层伪倾角，取12.3°～26.8°；L投为煤柱水平投影，m。其中安全维护距离H安按式（3）计算：

式中：P为隔水煤（岩）体承受的水头压力，MPa，奥灰水位取+32.68 m，不同标高断煤交点处水头压力为9.14～10.42 MPa；V为极限突水系数，取0.1 MPa/m；K为误差系数，取10。

煤层底板矿压破坏深度Hd按式（4）计算：

按新河煤矿开采规划，工作面斜长D为86 m，计算底板破坏深度为12 m。

将采用的技术参数数值代入相应计算公式，结合数值模拟结果，得到如表2 所示的嘉祥支断层上盘不同标高断煤交点处的防水煤柱宽度。

表2 嘉祥支断层上盘防水煤柱计算结果表

4 结论

运用FLAC3D中流-固耦合模块对工作面开挖应力场及渗流场影响特征进行分析，提出了基于安全维护带的断层煤柱留设新方法。主要结论如下：

（1）数值模拟结果表明，工作面顶板垂直应力呈先增大后减小再增大的趋势，最大应力达57.786 MPa；孔隙水压力呈递增趋势，最大值为10.335 MPa；工作面上方塑性区域呈“马鞍形”逐渐增大。

（2）基于安全维护带的断层煤柱分段留设计算方法与数值模拟相结合，综合确定了嘉祥支断层上盘断层防水煤柱留设宽度。