基于FLAC 3D的五沟煤矿松散含水层注浆改造数值模拟

2023-08-09孟佳乐杨本水

湖北理工学院学报 2023年4期

孟佳乐,杨本水

(安徽建筑大学土木工程学院,安徽合肥 230601)

煤炭工业是我国国民经济的支柱产业。由于有些地方煤炭资源基本开采殆尽,因此开展松散含水层改造技术研究十分必要[1-4]。费宇等[5]在薄基岩以及顶板为粘土的前提下对煤层开采覆岩破坏进行了研究,研究发现基岩同粘土破坏具有不同步性,并解释了支承压力大小的周期加权现象。胡彦博[6]使用BOTDR系统监测工作面底板动态变化,发现监测结果和矿井实测结果基本一致,表明BOTDR监测地下岩体活动效果良好,为今后研究矿井围岩破坏提供了新的技术手段。本文通过FLAC 3D数值模拟软件模拟注浆前后10煤层覆岩破坏的演变规律,根据结果判断注浆改造是否减缓覆岩破坏[7-8]。计算分析注浆改造成本和注浆后带来的经济和社会效益,判断该工程推广的可行性。

1 工程概况及水文地质条件

1.1 矿井概况

五沟煤矿坐落于安徽淮北濉溪县,北邻袁店一矿,东、南、西3面为煤层露头,与界沟煤矿以李家断层为界,南北长约4.5 km,东西宽3～5 km,面积约21.65 km2。由探查结果可知,五沟煤矿井田可采煤层产生年代根据地质年代表被划分为古生代的二叠纪(系 P),可分为8个煤层,分别为31、51、52、71、72、81、82、10煤层。根据地质条件判断五沟矿井主要可采煤层有72、81、82、10煤4个煤层,累计可采总厚度高达10.7 m,平均厚度分别为1.83、2.55、2.57、3.86 m,属于中厚～厚煤层,其中10煤层属于浅部煤层也是目前主采煤层,易采的工作面区域已基本殆尽。

1.2 水文地质条件

10煤顶底板砂岩含水层,以静储量居多,但体积较小且易于疏干;“四含”补给条件较差,含水性弱～中等;太灰岩溶发育不均匀,水动力条件上部较好、下部较差,含水性弱～中等;虽然奥灰岩溶较发育,但距10煤较远,正常情况没有影响。“四含”:q=0.001717～0.1352 L/(s·m),顶底板砂岩含水层:q=0.006414～0.0099 L/(s·m),太原组灰岩含水层:q=0.003～0.15 L/(s·m ),奥陶系灰岩含水层:q=0.0008～0.0507 L/(s·m)。在10煤层的开发工程中,受松散层四水洪涝灾害的影响程度为一般,受煤层开采顶、底板砂岩水洪涝灾害的影响程度为一般,受底板太灰水洪涝灾害的影响程度为一般,受断层水洪涝灾害的影响程度为一般,受老空水、封闭不良层钻孔水洪涝灾害的影响程度为一般。

五沟煤矿10煤顶板基岩主要由泥质胶结的砂岩和泥岩构成,其物理力学参数见表1。通过岩石力学试验,可求出岩石的力学强度。根据岩石强度,可将岩体分为软质、中硬和硬质3种类型。通过计算硬质岩石占某区段的百分比判断该区段煤层顶板岩体岩性类型,本文根据煤层上30 m厚度覆岩中硬质岩石占比进行判断。

表1 五沟煤矿10煤覆岩物理力学参数

2 二采区西翼区段突水溃砂风险评价

二采区西翼区的“四含”与地表水距离较远,且中间分布较多隔水层,因此无水力联系。但“四含”承压水水头压力达 1.5 MPa,下部基岩层厚度薄,开采过程易发生突水溃砂事故。颗粒分析试验表明,“四含”颗粒组成以砂砾组和砾粒组为主,砂颗粒较多,级配性较差,渗透和赋水性较好。成分分析试验表明,“四含”化学成分中二氧化硅含量最高,平均含量为67%,二氧化硅是构成石英矿物的主要化学成分,从而也验证了颗粒分析结果。通过抽水实验和达西定律计算出该区段“四含”渗透系数K=1.62～3.17 cm/s,属于微透水～弱透水性;单位涌水量q=0.005～0.03078 L/(s·m),富水性属于弱富水性。综上可知,二采区西翼区段“四含”同其它含水层水力联系较差,富水性属弱富水性,但该层颗粒级配较差,松散度较高,渗透性较好,下伏基岩薄,开采过程中容易通过垮落带发生突水溃砂事故。

3 FLAC 3D软件模拟分析

3.1 数值模拟

根据工程实际概况,采用二采区西翼基岩最薄(20 m)的J6-8钻孔为模拟原型。为了使模型简化,模型中的土层和岩层都视为均匀连续介质,模型选取地层中部分高度,并且初次计算使用自重应力场为原始应力场,在模型顶部施加均布应力,从而补偿上覆岩土体的自重荷载[9-10]。

3.2 模型建立

模型几何尺寸为250 m×200 m×70 m。由于煤层平均倾角较小α=5°,对研究注浆前后覆岩移动破坏规律影响不大,因此模型中忽略煤层倾角,岩层倾角近似水平。FLAC 3D数值计算模型如图1所示,模型顶部施加的上覆地层补偿荷载,通过岩体自重应力计算,施加4.6 MPa的垂直补偿应力,模型中岩层的水平应力通过岩体的泊松效应计算得出。

图1 FLAC 3D数值计算模型

对二采区西翼区域现场钻孔所得的岩样进行室内力学参数试验,确定其物理力学参数,再综合各钻孔试验结果,对岩层岩性力学参数做出适当地调整和修正[10-11]。二采区西翼煤层开采垮落带发育问题的岩体物理力学参数见表2,节理面力学参数见表3。

表2 岩体物理力学参数

表3 节理面力学参数

3.3 数值模拟方案

根据矿井生产技术条件,模拟10煤在综放开采(采高4.5 m)条件下的覆岩破坏规律。边界条件设定以后,模拟开挖采用分段开挖,分4次开挖,每次25 m。工作面长度为100 m,开挖长度为100 m,x走向两侧留设50 m煤柱,y走向留设75 m煤柱。通过对开挖模拟后得到的位移、应力以及塑性区云图进行对比分析,验证注浆改造的有效性。

3.4 覆岩应力场对比

随着岩体中煤层的采空区增大,覆岩的应力也随之增大。由于岩体结构的抗拉强度很低,当采空区上方覆岩的应力大于其抗拉强度时,该区域岩石就会发生垮落。因此,要分析注浆前后煤层开挖时垂直应力的变化情况。注浆改造前后随工作面推进竖直应力云图如图2所示。

(a) 注浆前推进50 m (b) 注浆前推进100 m (c) 注浆后推进50 m (d) 注浆后推进100 m

3.5 覆岩位移场对比

煤炭的开采会导致煤层顶底板的应力状态发生变化,因此煤层顶底板的位移场随之发生了改变。为了分析岩层注浆前后位移场的变化,利用软件模拟工作面推进过程中位移场变化特征。注浆改造前后随工作面推进竖直位移云图如图3所示。由图3可知,采空区上方的直接顶下沉淀量达到最大,并且随着工作面的推进,顶板的位移也不断增大,而且煤层底板也发生了向上隆起的位移,这种现象叫低鼓现象。这与应力变化相对应,随着煤层的开采,采空区增大,顶板弯曲下沉,底板荷载解除,上凸隆起。

(a) 注浆前推进50 m (b) 注浆前推进100 m (c) 注浆后推进50 m (d) 注浆后推进100 m

对比前后位移场的变化可知,最大位移注浆后比注浆前显著减小,这是因为位移量的大小与基岩厚度相关,基岩越厚,最大位移越小。结果表明,对“四含”注浆效果显著,“四含”达到了结石效果,从松散体变成岩类石体。

3.6 覆岩塑性区对比

煤层或者巷道的采空区导致上覆岩体结构破坏,包括弹性和塑性破坏2种类型。岩层岩体在变形的第一阶段一般为弹性破坏,随着应力增大逐渐呈现塑性,因为弹塑性破坏通常为岩层岩体的破坏。通过数值模拟软件对模型进行有限差分法和时步的迭代计算,可直观看出工作面掘进过程中上覆岩体结构塑性破坏发育的演变规律。注浆改造前后随工作面推进塑性破坏云图如图4所示。

(a) 注浆前推进50 m (b) 注浆前推进100 m (c) 注浆后推进50 m (d) 注浆后推进100 m

由图4可知,随着工作面持续推进,煤层上覆岩塑性破坏不断增加,工作面推进50 m时,顶部覆岩破坏开始形成马鞍形状,中间低,两头高。同应力场和位移场相呼应,严重破坏发生在位移和应力较大处。对比注浆前后可以发现,工作面推进75、100 m时,由于“四含”为松散体组成,强度较低并且下伏基岩厚度较薄,只有20 m,导致覆岩破坏直接穿过“三隔”和“四含”,发生了剪切破坏。注浆后的“四含”结构强度增强,从松散质砂变成“类砂岩”一样的结构体,有效地承担部分荷载,减轻基岩破坏程度。