覆巖含水層采動破壞機理流固耦合分析及保護措施研究

董立軍，張國紅，吳洪勝

(中海油新能源(準格爾)煤基能源有限公司，內蒙古 準格爾旗 010300)

原巖應力的力學平衡狀態在煤層開采過程中受到了破壞，使覆巖發生不同程度的變形、移動和破損，造成巖體的滲透性發生很大變化，從而導致礦井突水等安全事故。因此，研究采動條件下圍巖變形特征和圍巖滲透性的變化規律對于安全高效及保水開采具有重大理論意義。

文獻[1～4]研究并建立了“橫三區”“豎三帶”理論、關鍵層理論等覆巖變形破壞特征的相關理論。張金才等[5]論述了礦山巖體的采動破壞特征和巖體的滲流規律，探討了巖體滲流與應力的耦合機理。張后全、楊天鴻等[6]研究了煤層頂板的變形、破壞過程以及滲流場在整個巖體的運移過程及其突水前后滲流場的變化情況。隨著采礦工程技術的進步與計算機技術的發展，許多學者應用數值模擬方法對圍巖的變形損傷和突水機理進行了研究[7-11]。煤炭開采對地下含水層的破壞問題是一個應力場和滲流場相互作用問題[11-15]，本文以老三溝井田6煤工作面為例，采用巖石破裂過程流固耦合分析系統UDEC-Flow，研究覆巖含水層在采動條件下的破壞機理，對6煤覆巖含水層的保護進行了初步研究，為6煤開采時覆巖含水層保護提供理論指導。

1 工作面地質及水文地質概況

老三溝井田位于內蒙古準格爾煤田中部礦區最北端，總體構造形態為一向西微傾的單斜構造，絕大部分地區地層傾角在3°以下。首采6煤層(尚未開采)平均厚度約12 m，欲采用綜放采煤工藝，采3.5 m，放8.5 m，全部垮落法管理頂板，工作面布置長度240 m，平均埋深530 m，煤層頂、底板主要由粉砂巖、含碳泥巖、粗砂巖、砂礫巖組成。含水層巖性主要為砂、礫巖，隔水層巖性主要為泥巖。含水層均為孔隙潛水，且富水性不均一；隔水層分布較穩定，隔水性較好。井田范圍內大部被黃土覆蓋，水資源貧乏，地下水補給困難。

2 覆巖移動數值模擬研究

根據老三溝工作面的具體地質條件，建立走向方向的UDEC平面應變模型。模型的走向長度為1000m，高度為550m。模擬6煤層厚度為12m，平均埋深為530m，模擬煤層上方巖層到地表松散層，底板巖層厚度為20m。模型兩側邊界施加水平約束，可垂直移動；底部邊界施加水平和垂直約束；模型的上部邊界為自由邊界；左右面為隔水邊界。同時在6煤上30m和90m處設置監測點，監測空隙壓力和滲流速率的變化。計算模型中煤層及各巖層物理力學參數如表1所示。模型采用分步開挖，每次開挖的步距為5m，一共開挖250m。

表1 煤層及各巖層物理力學參數

2.1 模擬工作面走向開挖及結果分析

在工作面推進初期，直接頂隨采隨落，覆巖變形移動較小，巖體有輕微損傷，采空區周圍圍巖有裂隙，滲流量略大。

由圖1可知，當工作面推進到80 m時基本頂已經破斷，在工作面前方產生裂隙，產生滲流通道，其分布范圍主要在層間離層空隙、采空區后方、工作面前方煤壁處和巖層中部拉伸斷裂處，上覆砂巖含水層受到影響，開始下滲，工作面水量增大，但不會對生產造成太大影響。

當工作面推進到150m時，已經歷了多次周期來壓，關鍵層已經破斷，形成了穩定的砌體結構，采空區上覆巖層已經出現離層現象，從圖2中可以看出，隔水層受到采動影響，產生離層裂隙，形成了滲流通道，此時上方砂礫巖含水層空隙水沿著下方裂隙開始下滲，但由于下方巖層為泥巖隔水層，其滲透系數較低和遇水膨脹性，當遇水裂隙開始彌合，同時隨著工作面的推進，采空區的離層裂隙逐步被壓實，含水層不會對6煤開采工作面造成較大影響。

當工作面推進到250m時，雖然覆巖導水裂隙已經進入了隔水層，但由于隔水層的特殊性質，裂隙遇水彌合。含水層水位有所下降，但并未對6煤開采產生危險(圖3)。

從圖4中可看出，在6煤上方30 m處，空隙壓力隨著工作面的推進逐漸減小，在工作面推進到一定程度，空隙壓力不再變化。滲流速率隨著工作面的推進不斷增大，當增大到一定程度后，突然減小，由此可知開采6煤后上方30 m巖層完全處于垮落帶，當工作面推進至此監測點前方時，裂隙開始產生，水開始下滲，空隙水壓降低，流速增大，隨著工作面的推進，此處巖層垮落并壓實，空隙水被排干，空隙壓力和滲流速率趨于穩定。

圖1 工作面走向推進80 m

圖2 工作面走向推進150m

從圖5中可以看出當工作面未推進到此監測點處時，空隙壓力和滲流速度基本保持不變，說明6煤開采起初并未對此產生較大影響，隨著工作面的推進空隙水壓逐步增大，滲流速度也同時增大，其中空隙壓力增大到一定程度后不再變化，滲流速率則逐步減少并趨于穩定。由此可知，當工作面推至此監測點投影位置時，裂隙較發育，上方含水層順此處裂隙下滲，故此空隙水壓及速率均增長，隨著工作面推進，此點處在采空區，裂隙重新閉合，滲流速率減小。

2.2 模擬工作面傾向開采及結果分析

從圖6中可以看出在工作面傾向方向，垮落帶高度約為45m，裂隙帶高度約為85m。因此，隔水層、含水層處于裂隙帶范圍內，在兩側的回采巷道上方裂隙較發育，成為充水通道，此處滲流速率較大，部分水已經沿著充水通道進入隔水層裂隙當中，含水層水位有所下降。

從圖7中可以看出，在6煤開采初期，滲流速率和空隙壓力變化不大，隨著時間的推移，滲流速度逐步增大，隨后又逐步減小并恢復原來狀態，而空隙壓力則逐步增大到一定程度不再變化。

圖3 工作面走向推進250 m

圖4 6煤層上方30 m處滲流情況

圖5 6煤上方90m采空區中部滲流情況

圖6 傾向方向滲流分布

圖7 6煤上方90m處滲流情況

圖8 6煤上方30m處滲流情況

從圖8中可看出，在6煤開采后，隨著時間推移，滲流速度陡然增大后有減小，最后幾乎為零，而空隙壓力一直減小到零。由此說明此處空隙水受到采動影響，完全流失進入采空區。

3 覆巖含水層保護措施研究

老三溝礦井6煤(尚未開采)開采工藝為長壁綜放，數值模擬和物理模擬結果顯示，6煤開采后的導水裂隙帶高度為130m。以4號勘探線剖面為例，6煤頂板砂巖裂隙含水層、砂礫巖裂隙含水層及其之間的隔水層均位于導水裂隙帶內，受采動影響，含水層中發育的裂隙可能與采空區貫通，進而造成水位下降甚至水資源的流失(圖9)。

由于含水層的層位不一、含水特征不盡相同等特點，對于不同的含水層的保護難度也不同[15]。根據含水層與裂隙帶高度的不同，基于4號勘探線剖面，將老三溝井田砂礫巖含水層和砂巖含水層的保水開采難度分為：保水開采苛刻級和保水開采困難級。對應具體類別如表2所示。

依據文獻[16]，可行的保水開采技術應滿足：隔水層采動裂隙的快速愈合、減少隔水層的采動損傷程度及增加隔水層的采動保水能力。同時，結合上述覆巖含水層流固耦合分析，提出老三溝井田保護覆巖含水層的開采技術，將直接指導6煤開采。如表3所示。

圖9 4號勘探線剖面

表2 老三溝井田保水開采難度分級

難度等級對應含水層要求備注保水開采苛刻級6煤頂板砂巖裂隙含水層含水層及其下隔水層不受到采動破壞①意味著采高或等價采高將大幅縮小,且要求極其嚴格;②如能實現,其上含水層均可得到保護。保水開采困難級砂礫巖裂隙含水層保證其隔水層大部或全部位于裂隙帶之上應保證隔水層的隔水連續性

表3 老三溝井田保水開技術適用性

4 結論

1)沿工作面走向和傾向，分別運用數值模擬對工作面開采后覆巖流固耦合機理進行了分析。分析結果顯示，隨著工作面的推進，裂隙不斷向上發育，直接頂、基本頂的相繼破斷和垮落導致了導水裂隙的形成；同時隨著工作面的推進，先前生成的一些裂隙出現了閉合，而工作面附近產生新的裂隙，其演化過程可歸納為發展期、貫通期和壓實閉合期。

走向模擬結果顯示：在工作面推進初期，覆巖變形移動較小，采空區周圍圍巖有裂隙。當工作面推進到80 m時，產生滲流通道，其分布范圍主要在層間離層空隙、采空區后方、工作面前方煤壁處和巖層中部拉伸斷裂處，上覆砂巖含水層受到影響。當工作面推進到150m時，隔水層受到采動影響，產生離層裂隙，此時上方砂礫巖含水層空隙水沿著下方裂隙開始下滲，但由于下方的泥巖隔水層及離層裂隙逐步被壓實，對工作面開采影響較小。當工作面推進到250m時，雖然覆巖導水裂隙已經進入了隔水層，但由于隔水層的特殊性質，裂隙遇水彌合，并未對6煤開采產生危險。由6煤上30m處的空隙壓力和滲流速率的監測結果可知，開采6煤后上方30m巖層完全處于垮落帶，當工作面推進至此監測點前方時，空隙水壓降低，流速增大，隨著工作面的推進，此處巖層垮落并壓實，空隙壓力和滲流速率趨于穩定。由6煤上90m處的空隙壓力和滲流速率的監測結果可知，當工作面推至此監測點的投影位置時，空隙水壓及速率均增長，隨著工作面推進，此點處在采空區，裂隙重新閉合，滲流速率減小。

傾向模擬結果顯示：垮落帶高度約為45 m，裂隙帶高度約為85m。因此，隔水層、含水層處于裂隙帶范圍內，在兩側的回采巷道上方裂隙較發育，成為充水通道，此處滲流速率較大，部分水已經沿著充水通道進入隔水層裂隙當中，含水層水位有所下降。6煤上90m處的空隙壓力和滲流速率的監測結果顯示，在6煤開采初期，滲流速率和空隙壓力變化不大，隨著時間的推移，滲流速度逐步增大，隨后又逐步減小并恢復原來狀態，而空隙壓力則逐步增大到一定程度不再變化。6煤上30m處的空隙壓力和滲流速率的監測結果顯示，在6煤開采后，隨著時間推移，滲流速度陡然增大后有減小，最后幾乎為零，而空隙壓力一直減小到零。由此說明此處空隙水受到采動影響，完全流失進入采空區。

2)依據老三溝井田具體地質條件及數值模擬結果，將老三溝井田砂礫巖含水層和砂巖含水層的保水開采難度分為保水開采苛刻級和保水開采困難級，并提出了相應的保護措施。對于保水開采苛刻級，將采用加快工作面推進速度；局部注漿加固、局部降低采高、局部充填；部分開采或高質量充填開采法等開采技術。對于保水開采困難級，將采用加快工作面推進速度；注漿加固、降低采高、充填開采；部分開采或高質量充填開采法(必要時)等開采技術。

3)由于老三溝井田6煤尚未開采，此次對6煤覆巖含水層的保護作出的初步研究，目的是為將來的開采提供指導，同時該保護措施將會在6煤開采過程中得到進一步的提高與完善，對同類開采地質條件下的礦井開采提供了參考依據。

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