顾北煤矿1542（3）工作面突水溃砂风险分析

2023-07-29胡厚琛宣以琼

四川轻化工大学学报(自然科学版) 2023年4期

胡厚琛，宣以琼

（安徽建筑大学土木工程学院，合肥 230000）

引言

溃砂是指水砂混合物通过导水裂隙进入煤层开采工作面，会引起矿井内事故，从而造成矿井内人员伤亡。随着煤层开采深度不断推进，垮落带和导水裂隙带的高度会不断上升[1]，覆岩变形和裂隙宽度会不断扩大[2-5]，煤层上方的水砂混合物极有可能穿过下部含水层而发生溃泄[6-10]。李峰等[11]、翟志伟等[12]发现钻孔窥视技术结合传统经验公式和数值模拟技术能有效提高导水裂隙带发育高度预测精度。李建文[13]在松散含水层液化流动的临界水力坡度推算基础上，利用承压含水层单井非稳定流抽水模型推导出实际水力坡度公式，提出了溃砂风险发生的临界判据。顾北煤矿1542（3）工作面为上覆的下部含水层，属于双层含水层。本文利用FLAC3D软件，对该工作面围岩应力、位移、塑性区变化进行数值模拟，用经验公式对垮落带和导水裂隙带高度以及水力坡度进行计算，从而对围岩破坏情况及溃砂风险进行安全评估，避免矿井内水害事故的发生，保证煤矿安全开采。

1 工作面地质及水文条件

1.1 工作面地质

顾北煤矿位于安徽省淮南市，南二区为主要采区，本文以该矿1542（3）工作面为主要研究对象。主采煤层为13-1 层，平均倾角为5°，煤层厚度为3.7~5.8 m，平均厚度为4.7 m，探测可开采煤储量为6.35×105t。顾北煤矿顺槽煤层底板的标高为-458.1~-433.3 m，回风顺槽煤层底板的标高为-462.1~-442.9 m，工作面安全煤岩柱为39.4~57.6 m。该工作面设计布置情况如图1所示。

1.2 水文地质条件

1542（3）工作面范围内基岩面落差为9.2 m，总体趋势自西南向东北逐渐降低。从1542（3）工作面的钻孔资料分析中发现：上覆新生界地层厚度平均为41.6 m；面内中部隔水层平均厚度为46.8 m，厚度相对较大，结构稳定，岩性主要是砂质粘土和粘土，隔水性较好；下部含水层主要是砂质粘土，发育不完善且厚度较薄；下部隔水层以粘土和砂质粘土为主，具有一定的隔水作用。该工作面部分钻孔岩层情况如图2所示。

2 垮落带与导水裂隙带计算

随着煤层工作面开挖深度的不断推进，采空区和围岩的变形均会扩大。根据岩层破坏程度及应力分布特点，煤层工作面可划分为3 个区域：垮落带、导水裂隙带和弯曲下沉带。本节主要讨论垮落带和导水裂隙带对开采工作面的影响。垮落带是指上覆岩层在采空区己经垮落，在采场由支架暂时支撑，沿推进方向上的岩体不能始终保持力的相互传递的区域。导水裂隙带是沿推进方向上裂隙较发育，各岩层的裂隙深度扩展已接近该区域全部厚度的区域。准确地确定垮落带和导水裂隙带高度，对判断采矿期间是否会发生突水溃砂风险具有重要意义。

2.1 垮落带高度

根据实际钻孔取得的岩层样本，进行抗压强度试验，可将工作面上覆岩岩层定性为中硬覆岩至坚硬覆岩类。不同岩性的岩层垮落带高度计算公式见表1。表1 中M为采高，∑M为累计采厚。本文∑M取为4.6 m。

表1 垮落带高度经验公式[14-16]

由表1 可得，当覆岩为坚硬岩层时，垮落带高度为：

当覆岩为中硬岩层时，垮落带高度为：

2.2 导水裂隙带高度

不同岩性的岩层导水裂隙带高度计算经验公式见表2。

表2 导水裂隙带高度经验公式[14-16]

由表2可得，覆岩为坚硬岩层时，导水裂隙带高度为：

当覆岩为中硬岩层时，导水裂隙带高度为：

综合经验公式可知，顾北煤矿1542（3）工作面的导水裂隙带高度范围为36.37~70.07 m，垮落带高度范围为9.32~20.43 m。

3 数值模拟

3.1 建立模型

本次数值模拟所建立的模型几何尺寸为200 m×200 m×150 m，网格划分为40×40×50，如图3所示。煤岩倾角为5°，顶部埋深为280 m，平均容重为2.35×104N/m3，应力集中系数为1.2，初始地应力为8.13 MPa。各岩层物理力学参数见表3。根据工程实际情况模拟工作面分别推进40、80、120 m 及160 m 时围岩位移、应力、塑性区的变化情况。为了使数值模拟的结果符合实际开采的围岩破坏情况，对模型的边界设置相应的边界条件，X、Y方向固定两端边界，Z方向固定模型底部边界，模型顶部边界无约束，模型整体受重力荷载作用。

表3 各岩层物理力学参数

图3 地质模型图

3.2 竖向应力场变化规律

煤层开采时会出现采空区，岩层间原有的应力平衡就会被破坏。随着煤层开挖深度不断推进，岩体所受应力有可能超过自身承载极限，造成工作面顶板塌陷，引起矿井内发生重大事故。不同推进距离下围岩的竖向应力变化云图如图4 所示。由图4获得其不同推进距离最大竖向应力值见表4。从表4 可以看出，随着煤层开挖深度不断推进，工作面的竖向拉应力与压应力都在不断增大。因此，为防止部分岩层因断裂垮落而无法对上部荷载起支撑作用，需对工作面围岩进行支护。

表4 不同煤层推进距离围岩的最大竖向应力

图4 不同煤层推进距离围岩的竖向应力云图

3.3 竖向位移变化规律

应力变化会引起位移，进而会影响工作面的围岩变形程度，导致覆岩破碎和裂隙发育，水体极有可能通过裂隙进入矿井，引发突水溃砂事故。现利用FLAC3D软件进行数值模拟，对不同推进距离下围岩的位移进行分析，获得其位移变化情况。该工作面不同推进距离竖向位移变化云图如图5所示。根据图5 获得顶、底板最大竖向位移见表5。从表5 可以看出，工作面推进40、80、120 m及160 m时的顶板最大竖向位移分别为8.60、11.93、13.08 cm 及13.39 cm，底板最大竖向位移分别为11.83、23.50、41.75 cm 及58.45 cm。随着工作面的不断推进，围岩位移变化不断增大，因此在实际工程中，对煤层顶、底板施行一定的支护是非常有必要的。

表5 不同煤层推进距离围岩的最大竖向位移

图5 不同煤层推进距离围岩的竖向位移云图

3.4 塑性区变化规律

随着工作面开挖深度不断加大，覆岩破坏范围逐渐加大，覆岩塑性区分布云图如图6所示。从图6可见，工作面推进40 m 时，其破坏方式主要是拉伸破坏；工作面继续推进至80、120m 及160 m 时，其破坏方式主要是剪切破坏。当推进到一定深度时，拉伸破坏区域基本保持在一定的范围内。根据塑性区分布云图，判断垮落带高度为20 m，导水裂隙带高度为35 m。

3.5 模拟结果对比

经过数值模拟得到的垮落带高度为20 m，导水裂隙带高度为35 m；经验公式计算出的垮落带高度范围为9.32~20.43 m，导水裂隙带高度范围为36.37~70.07 m。数值模拟得到的导水裂隙带高度和垮落带高度均比经验公式预测的最大值低，故导水裂隙带大概率不会穿过下部含水层，因而岩层内部的砂砾得不到水力补给，就不会产生大规模的水砂混合物，从而不会带来突水溃砂风险。

4 水力坡度计算

存在孔隙的岩体会有水流动。当水体拥有较高的水头差时，其作用在固体颗粒上水平方向的力就会大于固体颗粒间的相互作用力，固体颗粒会被推动；同时水体还会对固体颗粒产生向上的浮力，以抵消重力，因此一些细小颗粒会在土体中流动，甚至导致溃砂的发生。水力坡度是衡量水力作用的重要指标之一，也是判断是否会发生溃砂风险的重要依据。

4.1 临界水力坡度计算

常用的临界水力坡度icr计算公式有以下4种[14-16]。

1）太沙基公式：

2）南京水利研究院公式：

3）王明年的水力坡度计算公式：

4）党发宁的水力坡度计算公式：

以上4 种公式中，γs为土粒重度；γw为水的重度；n为孔隙率；ξ为侧压系数，ξ=μ/(1 -μ) ，其中μ为泊松比，取0.25；φ为内摩擦角；γ'为土体浮重度；α为折减系数；θ为渗流方向角；c为土体粘聚力；R为影响半径。

根据岩层物理力学参数和工程地质资料，临界水力坡度计算参数见表6，不同临界水力坡度公式计算结果见表7。综合4种公式计算结果，取其平均值，得出临界水力坡度值为1.36。

表6 临界水力坡度公式参数

表7 不同临界水力坡度公式计算结果

4.2 实际水力坡度计算

实际水力坡度i计算公式如下[14-16]：

其中，K为渗透系数；H为含水层的水头高度。

通过实际水力坡度计算公式可得到距离涌水通道为r处含水层的水力坡度，即：

当r→rw（rw表示涌水通道截面为圆形时的半径）时，可得到涌水通道的水力坡度为：

在实际工程中，涌水通道是由含水层底板即上覆岩层上纵横交错的裂隙组成的。假定裂隙所过之处皆处于涌水通道井半径中，且裂隙在上覆岩层中的发展范围通过工作面尺寸及破裂角判断，那么可以把矩形涌水通道断面转化为圆形截面，矩形涌水通道的宽度B和长度L可根据工作面尺寸以及岩层破断角综合确定。

根据相邻工作面物探资料类比，取岩层破断角θ1=60°，取导水裂隙带高度Hli=35 m，在“红层”扩展的长度为2 ×Hli/tanθ1=40.42 m，其宽度B=280.42 m，长度L=140.42 m，rw2=BL/π=12 540.3 m2。影响半径，渗透系数K取0.0016 m/d，S取最大降深200 m。

实际水力坡度计算参数见表8。根据实际水力坡度计算公式[14-16]计算出实际水力坡度值为0.41。