对拉工作面奥灰底板岩层破坏突水机理研究

王玉和 狄超然 张兴磊 王厚臣

(1.山东科技大学矿业与安全工程学院;2.新汶矿业集团有限责任公司协庄煤矿)

对拉工作面奥灰底板岩层破坏突水机理研究

王玉和1狄超然1张兴磊2王厚臣2

(1.山东科技大学矿业与安全工程学院;2.新汶矿业集团有限责任公司协庄煤矿)

矿井底板突水防治一直是新汶矿区煤炭生产中的重大技术理论课题。近年来煤矿经济效益持续下降，为节约开采成本，对拉工作面以其明显优势成为煤矿的合适选择。在综合考虑底板奥灰含水层的富水性、隔水层岩性组合与水压的情况下，对奥灰含水层上部对拉工作面采煤突水规律进行数学分析与FLAC3D数值模拟，分析单一因素对突水的影响关系以及与突水临界煤柱的关系，以期从应力场和渗流场不同角度对矿井的安全生产提供参考。

对拉工作面 FLAC3D突水防治 富水性 水压

随着矿井开采深度的加大，开采煤层所承受的奥灰含水层水压也越来越大，受底板突水的威胁也将更加严重。如何建立突水的判据是矿井防治水研究的核心问题。国内当前的底板突水机理及预测方法主要有突水系数法、“下三代”理论、原位张裂理论、零位破坏理论、薄板模型理论、关键层理论[1]。采场底突水是一个极复杂的问题，但就地下水赋存条件而言，又是一个确定性问题，并存在自身的基本规律。在整个地下水网络体系中，采场底板下的水网络系统只是其中的特例。本文仅对采场底板下的这种特殊网络进行深入研究。在煤炭采掘过程中，绝大部分的突水事故发生在回采工作面，而对拉工作面开采时在中巷位置处的反复破坏进一步诱导了原始底板破裂带向上发展，其中80%的突水事故是由于断层或隐伏断裂引起的。对回采工作面是否过断层进行比较论证突水影响因素，并运用FLAC3D软件进行数值模拟，从而归纳出底板突水的一般规律。

1 工作面水文地质

新汶向斜位于鲁西断块隆内，北翼受莲花山断裂破坏，向斜形态表现不明显，南自蒙山背斜古生界，北至莲花山断裂，底层走向自西而东由近东西方向转为北西向，地层向北倾斜。而试验所在煤矿位于莲花山和蒙山山脉两大分水岭之间，为半缓阶地形丘陵，呈东西带状分布。地形标高为158～230 m，井田西部地形平坦，东部起伏较大，总的趋势是西北部地势较低，东南部较高。煤系地层大部为冲积层所掩盖，只在溪沟中略有出露。奥陶系石灰岩广泛出露于井田南部区域，井田中南部有柴汶河纵贯东西。

在承压水体上61108工作面采用对拉工作面。该工作面走向长300 m，埋深为780 m，两侧工作面处于近水平状态，前采面宽100 m，后采面宽90 m，前采面超前开采10 m。煤层平均厚2.5 m，直接顶为硬度较高的页岩，老顶为致密的细砂岩，底板为含煤泥岩、条带状砂岩、页岩、含水较丰富的石灰岩，工作面推进过程中探出在砂岩中有隐伏断层和裂隙发育，底板有少量涌水，顶板无淋水。底板隔水层厚约40 m，水压力为5 MPa。根据“下三带”理论，承压水导升带是富水石灰岩，而底板导水破坏带是底板砂岩所含有的隐伏断层和裂隙带。鉴于针对对拉工作面开采理论研究的不充分，通过建立数学模型及采用数值模拟方法对底板破坏突水进行研究。

2 采场底板变形破坏规律

2.1 底板隔水层厚度计算

在无断层构造条件下，对拉工作面初次来压期间，采场底板突水实际上是老底板的破断问题。由于对拉工作面反复开拓和采动，原始的应力平衡状态被打破，在地应力达到新的平衡状态时，必然有应变能的释放，使岩体的结构发生变化。

含水层中的承压水对底板隔水层的影响主要表现为渗水软化和压裂扩容作用。渗水软化是指承压含水层对底板隔水层岩石的黏聚力和有效应力的削弱，同时在矿山压力的耦合作用下使底板的强度软化；而压裂作用是指在承压水的压力下使隔水层中的原始裂隙进一步加大，统称为隔水层的裂隙发育。采场底板突水与否主要取决于完整岩层带受承压水作用后所取得的平衡。完整岩层带对阻隔底板突水起着决定性的作用,是煤层底板中的关键层。在正常开采条件下,当长壁工作面煤层为近水平时,可假设底板完整岩层带为四边固支的矩形平板，板的上部作用有采动破坏层的重力(γ1h1)以及完整岩层带自身的重力(γ2h2),下部承受均布水压力P的作用,并将其所受的力等效为板上的面力,见图1。

图1 底板隔水层力学模型

对于长度lx,宽度ly,四边固支承受均匀载荷q作用的矩形薄板,可以采用Ritz法求解,假设板中面的挠曲函数为[2]：

(1)

式中，m，n=1，3，5，….

在m=n=1时，将m、n代入上式挠曲函数就可以满足精度要求,得到底板完整岩层带中任意一点的应力值,其中同一水平面上不同方向的2个最大主应力为

(2)

(3)

式中,q为四边固支承受均匀载荷，MPa；h2为底板完整岩层带厚度,m;v为泊松比；lx,ly为薄板长和宽,m。

由摩尔-库伦屈服条件的表达式可知，如果不考虑材料内摩擦角的影响，即令φ=0，利用第三强度理论准则和强度条件，只要材料的最大剪应力达到简单拉伸屈服剪应力时，材料就屈服，根据公式[3]：

(4)

式中，τmax为最大屈服强度，MPa。

连立式(2)～式(4)，即

(5)

由此可得隔水层厚度h2为

(6)

2.2 底板隔水层渗流稳定性

随着工作面的推进,底板原始隔水层遭到破坏，原始裂隙将在采动影响下继续发育，而隔水层阻水能力的影响可以采用采动渗流理论进行判定。煤层底板是有多层不同的岩层组成，取底板隔水层的第n层岩层分析其渗流性，用渗流系数k对顶底板渗流稳定性进行判定[4]。即

(7)

当k≥1时，表明底板已遭到严重破坏，隔水层失去隔水能力，煤层底板将会发生渗流突变；当k<1时，底板隔水层具有隔水能力，煤层底板不会发生突水事故。

2.3 底板应力场与渗透性的关系

地应力的增减会使岩层中的原始裂隙张开和闭合，导致岩体渗透性变化，岩层的渗透途径主要是裂隙，根据钻孔注水资料求出的岩层渗透系数和位移反分析求出的底板应力，可以求出渗透系数与预应力的关系。把岩层看做是各向同性渗流介质，那么与渗透系数相关的应该是三向正应力的平均应力σm[5],即

(8)

式中,σx，σy，σz为3个方向的应力值。

louis和Feuga根据大量破碎岩层各种深度中进行钻孔抽水试验的资料，总结出了应力状态对渗透系数影响的经验公式:

K=K0exp[-α(γt-p)] ,

(9)

式中,K0为当γt=p时的渗透系数；γt为覆盖岩层的容重，kN/m3；p为水压，MPa；α为系数。

该部所要研究的是采场底板岩层渗透性与应力的关系，把式(8)改写成如下形式：

K=K0exp[-α(σm-σn)] ,

(10)

式中,σm为某点三向应力的平均值，MPa；σn为n点的σm平均值，MPa。

3 对拉工作面中巷底板破坏数值模拟

3.1 流固耦合数值模型及边界条件

根据实际工作面情况制定模型，走向长300 m，倾向方向长300 m，高150 m，等效覆盖层厚65 m，底板隔水层厚40 m，底板含水层加压5 MPa。在底板56～72 m建立模拟隐伏小断层和裂隙发育，处于对拉工作面中巷底板下方。边界条件如下：

(1)模型四周施加水平方向的约束,模型底部为固定支承，顶部边界为自由面。

(2)煤层埋深为500 m，顶部覆盖层为25 m，根据p=γH,顶部施加10 MPa的压力。

(3)工作面分别长100 m和120 m，中巷开挖宽度为4 m，巷道高度为2.5 m。

(4)模型中固定水头为恒定承压水,固定水压边界，含水岩层饱和度为1，水压为5 MPa。

采用摩尔-库伦力学本构模型，共计13 881个单元和11 264个节点，三维数值模拟见图2。岩层物理力学参数见表1。

图2 三维岩层组合数值模拟

3.2 模拟开挖方案

对拉工作面中巷受反复采动影响会增加顶底板损害。因此，对中巷加强支护，中巷两侧工作面的错距定为10 m。根据模拟结果对富水区底板的破坏特征、应力分布及渗流分布进行研究，三级数值模拟模型见图3。将底板隔水层56～72 m的深度范围划分为四部分，中间建立一个隐伏的比较小的断层，也可以将其看作是底板的裂隙发育，模拟其对工作面推进过程中底板破坏的影响。而此断层不直接与煤层底板接触，采动过程主要受2个力的影响：煤层向下的超前支撑压力和底板含水层向上的水压力。

表1 岩层岩石物理力学参数

图3 三维数值计算模型

3.3 模拟结果分析

工作面推进不同距离的塑性变化见图4。

由图4(a)可以看出，工作面两侧的塑性区几乎是相同的，两侧顶底板塑性区此时没有明显的区别，而底板隐伏断层和裂隙发育则在上部向两侧扩张，因采空区采用自由垮落法，底板的塑性区受采动后的剪切力和张力影响处于膨胀区，但塑性区还没有与原始裂隙沟通，因此，在此阶段煤层底板不会有出水现象。

图4 工作面推进不同距离的塑性区变化

由图4(b)可以看出，右侧工作面底板塑性区向深部发展，隐伏断层两侧的塑性区向隔水层下部发展。中巷的右侧因受反复采动的影响，塑性区发展较快，随着工作面向前方推进，右侧工作面左侧底板的塑性区与隐伏断层右侧的塑性区很快会导通，如果隐伏层含水，工作面会少量出水。在隐伏断层处没有与底板含水层导通之前，煤层底板不会发生大的突水事故。因反复开采，中巷两侧底板的破坏相对较为严重。

由图4(c)可以看出，当工作面推进到60 m时，煤层直接底板塑性区已经与隐伏断层连接，底板塑性区继续向下部发展，而含水层上部岩层也出现了塑性区，说明上采空区底板呈膨胀状态，底板含水层向上的应力大于原始向下的应力，故出现了塑性区。

综上所述，随着工作面的推进，底板塑性区呈现沿底板裂隙或隐伏断层向下发展的趋势，而在采空区底板则受隔水层向上压力的作用，在含水层上方出现了少量的塑性区。在推进到30 m时，直接底板岩层与隐伏断层导通，如果断层含水，会有少量的水渗出底板，不会形成大的突水。从模拟结果看，在对拉工作面的中巷处反复采动，底板破坏较其他位置严重，且塑性区向下发展的速度也较其他位置快。随着工作面的向前推进，塑性区在采空区位置处底板受向上的膨胀力，而工作面煤壁前方则受超前顶板压力较为严重，底板破坏会较煤壁后方严重。从推进60 m模型的隔水层塑性区可以看出，隐伏断层周围破坏较为严重，而其他地方没有明显的变化，说明其他地方隔水功能依然存在，在这种情况下对断层上方、底板下方的岩层保护尤为重要。在工作面推采到一定长度后，底板隔水层被完全导通，突水事故就会产生。因此，对拉工作面底板隐伏断层或原始裂隙区是产生底板突水的关键因素。

4 结 语

对拉工作面开采时，中巷位置处因受两侧工作面的反复采动影响,底板破坏较为严重，向下发展的深度较其他位置大，速度也较快。在含隐伏断层或原始裂隙带发育较丰富的隔水层，底板的破坏会较无这些因素的位置严重许多，且煤层直接底板一旦与隐伏断层沟通,隔水层将失去隔水功能,将会出现底板出水甚至突水。水量将持续增加，而隐伏断层或原始裂隙与承压含水层导通突水将成为必然。针对这种突水提出几点建议：

(1)加强底板注浆，补充底板破坏带的空隙，对出水位置进行打钻，放水泄压。

(2)坚持有疑必探，对工作面底板进行富水区探测，圈出富水区和隐伏断层，并对隐患地区进行针对性治理。

[1] 左建平，陈忠辉，王怀文，等.深部煤矿采动诱发断层活动规律[J].煤炭学报，2009(3):305-309.

[2] Timosheko S P，Gere J M. Mechanics of Materials[M].New York:Van Nostrand Reinhold Company Ltd. 1972.

[3] 王金安.承压水体上采煤相似模拟实验[J].矿山压力与顶板管理,1990(3):56-59.

[4] 许延春,杨 扬.大埋深煤层底板破坏深度统计公式及适用性分析[J].煤炭科学技术，2013(9)：129-132.

[5] 李利平,李术才,石少帅,等.岩体突水通道形成过程中应力-渗流-损伤多场耦合机制[J].采矿与安全工程学报，2012(2)：9-12.

2014-08-14)

王玉和(1971—),男,副教授,266590 山东省青岛市黄岛区前湾港路579号。