承壓水上煤層開采后底板破裂厚度的數值模擬

仇圣華苗海洋程洪良楊志錫張志敏楊永勝（.上海應用技術大學城市建設與安全工程學院,上海市奉賢區,048; .山東華寧礦業集團有限公司,山東省泰安市,7400）

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承壓水上煤層開采后底板破裂厚度的數值模擬

仇圣華1苗海洋1程洪良2楊志錫1張志敏2楊永勝1
（1.上海應用技術大學城市建設與安全工程學院,上海市奉賢區,201418; 2.山東華寧礦業集團有限公司,山東省泰安市,271400）

摘要山東寧陽縣伏山煤礦32603回采工作面位于富含承壓水的地層上部,根據井田內煤層賦存狀況與地質特點,通過對地層特征、斷層等分析,研究建立了區域地質模型,并進行有限元模擬計算,分析得出該區域內32603回采面煤層開采后底板破裂厚度值,且模擬計算結果與采用經驗公式計算所得值一致。研究表明:建立的區域地質模型合理,模擬計算結果可靠,為該礦井的安全生產提供了科學指導。

關鍵詞煤炭開采 承壓水 底板破裂厚度 地質模型 數值模擬

煤層底板突水是突發性災害事故,其破壞性及造成的損失極大,國內外學者對其進行了大量的研究,并提出了一系列回采工作面底板破裂突水理論,如將底板隔水層帶看作四周固支受均布載荷作用下的彈性薄板的“薄板結構”理論;在采動壓力和水壓的共同作用下,承壓水沿著底板隔水層的裂隙擴展、入侵、遞進的發展導升的“遞進導升”理論;底板是否發生突水關鍵在于是否具有突水通道的“強滲通道”理論等。但根據國內外大量煤礦回采工作面突水資料揭示,礦井開采發生的突水事故大多與斷裂構造及承壓水上采煤活動有關,尤其在上述兩地質條件共存的情況下,回采工作面面臨的突水風險更大。因此,研究分析煤層開采后該類回采工作面所在區域的底板破裂厚度狀況具有十分重要的意義。

1　工程概況

山東省泰安市寧陽縣伏山煤礦地質條件復雜,主采煤層為山西組3上和3下煤層,煤層平均厚度為3.6 m,下距山西組底界面10～25 m,距三灰39.51～43.20 m,平均為41.66 m。井田內斷層多為正斷層,如圖1所示,主要有F23、F24、F26、F52、F53和F13斷層,大多比較發育,對煤層開采極為不利。井田地層柱狀圖見圖2。

圖1　井田地質剖面圖

圖2　井田地層柱狀圖

淺部地層主要由砂質粘土、砂巖、砂礫石、紫色砂巖、含礫砂巖、礫巖、粘土巖等組成,各巖層厚度分布不平均,為西薄東厚。賦存于地質條件相對較好區域的部分煤炭資源即將開采完畢,賦存于承壓水上的大量煤層所處地質條件較差,受承壓奧灰水的嚴重威脅,該礦32603回采工作面底板隔水層厚度為9～18 m,其下為富含奧灰水的石灰巖層,水頭壓力為3.5～6.0 MPa。為了研究該礦能否安全回采這部分賦存于地質條件較差區域且受奧灰水嚴重威脅的煤炭資源（58號鉆探孔處）,本文采用數值模擬和經驗公式兩種計算方法,研究分析該區域煤層開采后底板破裂厚度值,以預測煤層開采的安全性。

2　有限元數值模擬模型的建立

2.1研究區域及邊界條件的確定

根據32603回采工作面所處區域的地質條件及研究需要,將地表至地下240 m范圍內的地層按其自重視為垂直方向的載荷施加在模型上表面。將模型左邊界定為距32603回采面回風巷300 m處,右邊界定為距32603回采面運輸巷200 m處,上邊界距回采面回風巷100 m,下邊界距回采面運輸巷200 m。

模型上邊界無約束,僅受上覆巖層自重載荷的作用,下邊界為位移約束,左右兩側邊界在豎直方向上自由,水平方向上為位移約束。

建立的研究區域模型如圖3所示。

圖3　研究區域數值模擬計算模型

2.2數值模擬參數的確定

根據區域地質勘探報告及室內力學實驗研究成果,研究區域地層主要力學參數見表1。

3　數值模擬計算及分析

3.1數值模擬計算分析

根據32603回采工作面所在區域的地質勘探資料及水文地質資料可知煤層底板隔水層結構比較復雜,水壓為6 MPa左右,承壓水水頭至煤層底面的距離（即底板隔水層厚度）大部分為18 m,局部為9 m,為了保證回采的安全性,數值模擬計算時將32603回采工作面煤層至下伏承壓奧灰水的距離設為18 m。根據該回采工作面所在區域煤層賦存特征、頂底板狀況、地層地質條件等情況,設計了模擬回采方案和工況。

表1　研究區域地層物理力學性態參數表

（1）一次采全高。工況一為回采工作面煤層底板隔水層下無承壓水,底板不采取加固措施,一次采全高;工況二為回采工作面煤層底板隔水層下有承壓水,且位于距回采煤層底面18 m處,水壓為6 MPa（以下有水壓處水壓值均取6 MPa）,底板采取加固措施,一次采全高。

（2）分層開采。工況三為分別模擬回采工作面煤層底板隔水層下無（有）承壓水兩種情況,底板不采取加固措施,分層開采,每次開采1.8 m。

（3）條帶開采。工況四為回采工作面煤層底板隔水層下無（有）承壓水,底板不采取加固措施,條帶開采,一次采全高;工況五為回采工作面煤層底板隔水層下無（有）承壓水,底板不采取加固措施,條帶分層開采,每次開采1.8 m。

（4）充填開采。工況六為回采工作面煤層底板隔水層下無（有）承壓水,底板不采取加固措施,一次采全高,充填回采;工況七為回采工作面煤層底板隔水層下無（有）承壓水,底板不采取加固措施,分層開采,每次開采1.8 m,充填回采;工況八為回采工作面煤層底板隔水層下無（有）承壓水,底板不采取加固措施,條帶開采,一次采全高,充填回采;工況九為回采工作面煤層底板隔水層下無（有）承壓水,底板不采取加固措施,條帶分層開采,每次開采1.8 m,充填回采。

模擬計算時,綜合考慮各因素影響程度,對部分地層彈性模量進行了適當的修正。

模擬計算結果及回采后各地層輪廓變形如圖4、圖5所示。從圖4中可以看出,工作面底板隔水層破裂最嚴重處位于工作面下方,略偏向傾斜方向;圖5為回采后各地層變形輪廓圖,從各地層的線條可以看出,回采后煤層附近上部地層向下塌陷,下部地層向上凸起,符合實際。

圖4　32603回采面煤層采后變形云圖

圖5　32603回采面煤層采后地層變形輪廓剖面圖

3.2理論計算分析

根據該井田附近回采工作面煤層底板破裂厚度的經驗計算公式:

式中:H——工作面平均采深,取350 m;

α——煤層傾角,取地層平均傾角,取20°,此處取弧度值;

L——工作面長度,取80 m;

F——巖石堅固性系數;

h——回采工作面煤層底板破裂厚度,m。

鑒于擬開采的煤層直接底板為砂質泥巖、粉砂巖、細砂巖,老底為灰白色中砂巖,巖石堅固性系數F取中等,取值為4,代入式（1）得h為11.64 m。

4　分析與結論

根據研究區域煤層賦存地質特征和水文地質條件,建立數值模擬模型,采用不同回采工藝對該區域煤層進行回采,并用有限元數值模擬計算方法對該煤層回采后的底板破裂厚度進行研究,得出如下結論:

（1）當32603回采工作面煤層底板隔水層厚度為18 m,且隔水層下無水壓作用時,底板采取加固措施,采用一次采全高、不充填回采方法,或底板不采取加固措施,采用一次采全高、充填方法回采該煤層時其底板最小破壞厚度約11.5 m。

（2）當32603回采工作面煤層底板隔水層厚度為18 m,底板隔水層下無水壓作用時,采用分層開采,底板采取加固措施時,無論采用充填還是不充填的開采方法回采該煤層時其底板最小破壞厚度略有減小。

（3）當32603回采工作面煤層底板隔水層厚度為18 m,且隔水層下有水壓作用時,采用分層開采方法回采煤層時,無論煤層底板是否采取加固措施,還是采用充填或不充填的開采方法,回采該煤層時其底板最小破壞厚度都有所增加,約為12 m。

（4）采用有限元數值模擬計算結果與采用經驗公式計算所得結果一致。無論采用哪種回采方案,該煤層回采工作面底板破裂厚度都超過了9 m的安全范圍（隔水層最薄處為9 m,其下就是高承壓奧灰水）,故開采該煤層時有較大的突水風險。研究結果為科學安全開采該區域煤層提供了重要指導。

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（責任編輯郭東芝）

Numerical simulation of floor fracture depth after seam mining above confined water

Qiu Shenghua1,Miao Haiyang1,Cheng Hongliang2,Yang Zhixi1, Zhang Zhimin2,Yang Yongsheng1
（1.College of Urban Construction and Safety Engineering,Shanghai Institute of Technology,Fengxian,Shanghai 201418,China; 2.Shandong Huaning Mining Group Co.,Ltd.,Taian,Shandong 271400,China）

AbstractNo.32603 working face of Fushan Coal Mine in Ningyang County of Shandong Province was above the stratum with lots of confined water,according to the occurrence condition and geological characteristics of the seam,the areal geologic model was studied and set up through the analysis of stratigraphic characteristics and faults,and finite element modelling computation was carried out.The floor fracture depth value in the No.32603 working face after seam mining was analyzed and achieved,and the modelling computation results were in accord with the calculation value of empirical formula.The results showed that the areal geologic model was reasonable and the modelling computation results was reliable,which provided scientific guidance for coal mine safety.

Key wordscoal mining,confined water,floor fracture depth,geologic model,numerical simulation

中圖分類號TD823

文獻標識碼A

作者簡介:仇圣華（1967－）,男,江蘇人,同濟大學博士學位,高級工程師,教授,現從事巖土及地下工程數值模擬與工程管理方面教學研究工作。