煤炭开采面围岩渗透性分布规律研究

王剑敏

（晋能控股煤业集团云岗矿，山西 大同 037000）

引言

煤岩体的力学平衡和开采面围岩的水力学特性会随着煤炭的开采而发生改变，进而导致岩层变形，以及围岩渗透性机制发生改变。因此，研究煤炭开采面中顶底板围岩渗透性分布规律，是目前煤炭开采防治水领域迫切需要攻克的问题。

采动岩层的内部结构以及瞬时的应力-应变状态是复杂且未知的，因此在研究开采面围岩渗透性分布规律方向时，起步探索会遇到瓶颈。但是，由于数值计算仿真方法可以模拟和探索工作面采煤时岩层变形和地下水流动情况，因此能够观察到煤炭开采过程中岩体的未知状态，并由此总结出规律[1]。所以，本文以某矿井典型开采面为研究对象，基于有限差分法，建立了应力-应变-渗透性的三维耦合模型，进而得到了采动围岩应力场和应变场的分布情况，在此基础上，对开采面围岩渗透系数场分布情况进行对比评价，最后获得了围岩渗透性分布规律。

1 围岩渗透性分布的数值模型

为了探索煤矿开采面岩体渗透性分布规律，应用FLAC3D 数值仿真软件，对某矿区长壁综采工作面回采进行了数值计算。首先，建立三维模型（图1）。模型大小（长×宽×高）为400m×500m×180m。其次，确定其边界条件：顶面不施加约束，底面约束垂直向的位移，其余各面约束水平向位移。选用Mohr-Coulumb来模拟围岩本构模型[1]，该模型包括96 000 个单元，103 090 个节点。

图1 三维数值计算模型（单位：m）

2 开采面岩体应力-应变-渗透模型

岩石渗透性表现为应变的函数[2-3（]见图2），OA段为微裂隙闭合过程，AB 段为弹性变形阶段，在这两阶段岩石的原生孔隙和裂隙经常处于压实状态，进而随着应力的提升岩石渗透率呈由大到小的变化；当跨入塑性变形阶段（BC 段）时，岩石超越弹性极限，逐步发生微破裂现象，此时岩石渗透率提高；当应力一直提升到极限强度D 点时，岩石发生破坏形成贯通裂隙，岩石的渗透率快速提升至最大渗透率；当岩石超越峰值应力后，岩石转为应变软化阶段DE 段，并且应力与应变成反比例变化；DE 至EF 表示岩石从应变软化转变到残余强度阶段，在这个阶段，应力随应变的增加会趋向某一平稳值。渗透系数K 的关系式为式（1）。

图2 岩体应力-应变-渗透关系

式中：K0为初始渗透系数；Δμf为裂隙开度改变量；b为裂隙开度。

2.1 开采面围岩应力场分布

采空区的出现既会改变空间内岩体垂直应力，也会改变其水平应力状态。由第134 页图3 可知，在开采面前方，煤层顶底板岩体垂直应力存在前支承压力区，包括原始应力区、应力缓慢提升区和应力显著提升区，开采面后方存在卸压区：距离开采面向前90 m的位置，应力保持稳定；40 m～80 m 范围内，应力缓慢升高；10 m～40 m 范围内，应力随采动的剧烈冲击快速增大，在距煤壁10 m处出现最大支承压力峰值，大小为初始值的四分之一倍；而在开采面后方采动卸压顶底板应力表现为持续减小状态，直至产生最小应力值。

图3 开采面推进200 m 时围岩应力场分布图（单位：MPa）

2.2 开采面围岩应变场分布

从图4 可以看出，在回采面前方较浅处，上覆岩层开采时常会发生易受影响且明显的拉伸变形，而在回采面后方，开采时垮落带和剪碎带常会发生易受影响且较明显的拉伸变形；同时，在回采面的支承压力区范围内，开采时常会存在易受影响且明显的垂直压缩变形；但是对于水平压缩变形，既存在于支承压力区内，还会产生于整体移动带内。当回采面处于推进状态时，易受采动影响的顶底板岩体层应变变化过程包括：采前压缩—采后拉伸—重新压缩，上述三种应变状态会跟随开采面的推进而反复呈现。

图4 开采层顶部60 m 处岩层水平剖面应变图

3 开采面围岩渗透性分布规律

开采后的煤层在不同方向上的围岩渗透性存在一定的区别，与垂直方向渗透性相比，围岩水平方向渗透性的提升区间和上升高度要高出许多。开采空间的正上方和对应下方为围岩水平方向渗透性的增加范围，它的分布形状为椭圆形，该上升区域的最大高度存在于开采空间中部的正上方。在开采空间的正上方和对应下方还包含垂直方向渗透性的提升范围，同时，在开采区边界的斜上方和对应下方30 m 处也存在垂直方向渗透性，其分布形状为马鞍形。与水平方向渗透性相比，垂直方向渗透性提升范围的最大高度较低，常存在于开采空间两侧界线的斜上方，但是开采空间中间覆岩渗透性提升高度较小。当煤层开采区与有水层处于主侧相连时，采动岩体水平渗透性波动会造成地下水的流动；而当煤层开采区与有水层处于上下布置时，采动岩体垂直渗透性波动会主导控制地下水的流动，由此可以得到通过判断围岩渗透性的分布规律可为煤炭挖掘地下水保护和煤矿防治水提供预警和理论支撑。

4 渗透性分布对比评价分析

根据渗透性对比实验可了解到水平和垂直两种渗透性分布评价体系出现差别的底层原因，渗透性的提升空间存在区别。由应力-渗透系数关系得到的渗透性提升范围仅仅存在于回采面后方的冒裂带内；而依据应变-渗透系数关系得到的渗透性提升范围既存在于回采面后方的冒裂带内，还位于剪碎带内和回采面向前深度小于100 m 的浅部。

由于岩石的渗透系数常表现为变量，其会跟随岩石内部结构的变化而改变。同时在应力-应变过程中可以发现岩石渗透系数的变化规律为：弹性变形时，轴向应力的升高会压紧裂缝，从而导致渗透系数会在应力提升时而降低，因此该阶段的应力-渗透系数方程可以明确展现渗透系数的改变情况。当岩石发生塑性变形时，轴向应力的增加会提高渗透性的值，而重复套用应力-渗透系数方程不会正确展现渗透系数的改变。

5 结论

1）煤炭开采面围岩渗透性提升区域要大于岩体破坏区域，相比垂直方向渗透性，围岩水平方向渗透性的提升区间和上升高度比较高。围岩水平方向渗透性的增加范围形状为椭圆形，该上升区域的最大高度存在于开采空间中部的正上方。

2）垂直方向渗透性的提升范围形状为马鞍形，在开采区的正上、正下以及边界的斜上下方存在垂直方向渗透性，相比水平方向渗透性，垂直方向渗透性提升范围的最大高度较低，常存在于开采空间两侧界线的斜上方。

3）开采面围岩渗透性与地质情况和开采距离有关，当开采面倾斜长度和采高提升时，垂向渗透性提升区域的最大高度呈指数型递增。