帶壓開采誘發(fā)煤層底板巖溶溶洞突水模擬研究

楊耀文 闞忠輝 解 建 劉世方

(1.皖北煤電恒源股份公司五溝煤礦,安徽省宿州市，234000；2.山東科技大學(xué)礦業(yè)與安全工程學(xué)院，山東省青島市，266590)

★ 煤礦安全 ★

帶壓開采誘發(fā)煤層底板巖溶溶洞突水模擬研究

楊耀文1闞忠輝2解 建1劉世方1

(1.皖北煤電恒源股份公司五溝煤礦,安徽省宿州市，234000；2.山東科技大學(xué)礦業(yè)與安全工程學(xué)院，山東省青島市，266590)

以五溝煤礦地質(zhì)條件為背景，采用三維有限差分?jǐn)?shù)值軟件FLAC3D的固液耦合模式，在煤層埋深、巖溶溶洞頂面與煤層間距不同時(shí)，對(duì)煤層帶壓開采過程中煤層底板及巖溶溶洞周圍巖體的應(yīng)力及塑性破壞變化規(guī)律進(jìn)行分析，結(jié)果表明:在其他工況條件相同時(shí)，煤層埋深越大，應(yīng)力集中程度越大，煤層底板及巖溶溶洞周圍巖體的塑性破壞越嚴(yán)重，越易發(fā)生突水事故；巖溶溶洞頂面與煤層間距越小，巖溶溶洞活化程度越高，越易發(fā)生突水事故，巖溶溶洞頂面與煤層間距對(duì)煤層底板及巖溶溶洞周圍的垂向集中應(yīng)力影響較小。

突水事故 煤層埋深 巖溶溶洞 帶壓開采 垂向集中應(yīng)力 數(shù)值模擬

巖溶陷落柱在我國(guó)華北石炭二疊紀(jì)煤田廣泛分布，在采動(dòng)等外部因素作用下，可能會(huì)造成陷落柱突水事故，由于陷落柱導(dǎo)水性不一、孤立隨機(jī)分布的狀況更是增加了防治突水的難度。近年來，國(guó)內(nèi)不少學(xué)者對(duì)陷落柱的成因、分布、探測(cè)、突水和防治等方面做了大量研究，為防治陷落柱突水工作提供了堅(jiān)實(shí)的理論依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)。巖溶溶洞作為巖溶陷落柱形成的早期階段，是經(jīng)地下水強(qiáng)烈溶蝕而形成的大量空洞，同樣存在誘發(fā)突水事故的隱患，而現(xiàn)階段對(duì)采動(dòng)影響造成巖溶溶洞誘發(fā)煤層底板突水機(jī)理的研究相對(duì)較少。

數(shù)值模擬作為一種研究方法，可以根據(jù)實(shí)際地質(zhì)條件，采用固液耦合模式，真實(shí)模擬出圍巖應(yīng)力場(chǎng)與滲流場(chǎng)在采掘擾動(dòng)下的耦合作用，本研究以五溝煤礦三采區(qū)地質(zhì)條件為背景，采用三維有限差分?jǐn)?shù)值軟件FLAC3D的固液耦合模式對(duì)煤層埋深、巖溶溶洞頂面與煤層間距不同時(shí)，對(duì)承壓水體上含巖溶溶洞煤層回采誘發(fā)底板突水的機(jī)理進(jìn)行數(shù)值模擬研究，為防治巖溶溶洞突水提供重要參考。

1 數(shù)值模型的建立

1.1 模型構(gòu)建

針對(duì)五溝煤礦的具體地質(zhì)資料，選取工作面推進(jìn)方向?yàn)閄軸，工作面傾斜方向?yàn)閅軸，模型的豎直方向?yàn)閆軸，考慮到邊界效應(yīng)、裂采比、煤層底板破壞深度及計(jì)算速度等因素，最終確定計(jì)算模型大小為300 m×4 m×66 m，模型共包括10782個(gè)單元以及18054個(gè)節(jié)點(diǎn)，計(jì)算模型如圖1所示。模型四周邊界均施加水平位移約束，底邊界均施加水平位移及垂直位移約束，上部邊界為應(yīng)力邊界，其數(shù)值大小由上覆巖層的重力決定。計(jì)算模型選取MOHR及FL_ISO模型，主要巖層的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

圖1 數(shù)值計(jì)算模型

表1 主要巖層的物理力學(xué)參數(shù)

1.2 計(jì)算方案

針對(duì)五溝煤礦三采區(qū)的地質(zhì)條件，采用三維有限差分?jǐn)?shù)值模擬軟件FLAC3D的固液耦合模式對(duì)煤層回采誘發(fā)底板巖體的損傷規(guī)律及突水的演化過程進(jìn)行數(shù)值模擬研究。巖溶溶洞誘發(fā)煤層底板突水與多種因素有關(guān)，本文重點(diǎn)研究了帶壓開采條件下，煤層埋深、巖溶溶洞頂面與煤層間距不同時(shí)，煤層開采完畢后底板應(yīng)力場(chǎng)及塑性破壞區(qū)的變化規(guī)律，以揭示工作面回采誘發(fā)底板突水的機(jī)理。

計(jì)算方案模擬分析8個(gè)計(jì)算工況，共兩類。其中，第一類為承壓水水壓為4 MPa及巖溶溶洞頂面與煤層間距為18 m保持不變的前提下，煤層埋深深度分別為432 m、532 m、632 m及732 m；第二類為煤層埋深深度為632 m及承壓水水壓為4 MPa保持不變的前提下，巖溶溶洞頂面與煤層間距分別為12 m、18 m、24 m及30 m。

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 煤層埋深對(duì)巖溶溶洞活化危險(xiǎn)性的影響

煤層埋深不同時(shí)(第一類工況)，煤層開采完畢后煤層底板及巖溶溶洞處的垂向應(yīng)力及塑性破壞分布情況如圖2和圖3所示。

圖2 煤層埋深不同時(shí)煤層底板及巖溶溶洞處最大垂向應(yīng)力變化曲線圖

從圖2中可以看出，隨煤層埋深的增大，因煤層開采而導(dǎo)致的應(yīng)力集中程度逐漸增大，但相對(duì)增加幅度隨煤層埋深增加而逐漸減弱，其相對(duì)增加幅度分別為14.14%、13.3%及11.2%，應(yīng)力越大越易造成煤層底板破壞及巖溶溶洞的“活化”，減小了底板有效隔水層厚度，降低了底板隔水層的阻水能力，形成導(dǎo)水通道，越易發(fā)生突水事故。從圖3中可以看出，煤層底板及巖溶溶洞周圍巖體的塑性破壞的范圍、深度及程度皆隨煤層埋深的增加而加大，隨煤層埋深增加，底板破壞范圍逐漸向深部增加，而巖溶溶洞隨煤層埋深增加，發(fā)育高度向上逐漸擴(kuò)展，直到煤層埋深到632 m時(shí)，兩者相互貫通，形成底板突水，其結(jié)果與應(yīng)力分布規(guī)律相吻合。

2.2 巖溶溶洞頂面與煤層間距對(duì)巖溶溶洞活化危險(xiǎn)性的影響

巖溶溶洞頂面與煤層間距不同時(shí)(第二類工況)，煤層開采過程中煤層底板及巖溶溶洞處的垂向應(yīng)力及塑性破壞分布情況如圖4和圖5所示。

從圖4中可以看出，巖溶溶洞頂面與煤層間距對(duì)煤層開采而導(dǎo)致的垂向集中應(yīng)力影響較小，其所對(duì)應(yīng)的相對(duì)增加幅度分別為0.27%、0.80%及0.53%。從圖5中可以看出，煤層底板的塑性破壞的范圍、深度及程度皆隨巖溶溶洞頂面與煤層間距的增加而減弱，同時(shí)巖溶溶洞周圍巖體的塑性破壞情況也隨其增加而減弱，其中當(dāng)兩者距離小于18 m時(shí)，兩者相互貫通，形成底板突水。

圖5 巖溶溶洞頂面與煤層間距不同時(shí)煤層底板及巖溶溶洞的塑性破壞

3 結(jié)論

(1)在其它工況條件相同時(shí)，煤層底板及巖溶溶洞處應(yīng)力集中程度和塑性破壞的范圍、深度及程度皆隨煤層埋深的增大而逐漸增大，兩者結(jié)果相符并互相驗(yàn)證，當(dāng)其它條件保持不變時(shí)，煤層埋深越大，巖溶溶洞活化程度越來越劇烈，引發(fā)突水事故的可能性也就越大，并得出在煤層底板水壓為4 MPa，巖溶溶洞與煤層底板間距為18 m，煤層埋深達(dá)到632 m以上時(shí)，采動(dòng)能夠誘發(fā)煤層底板巖溶溶洞突水事故。

(2)巖溶溶洞與煤層底板間距離對(duì)煤層開采而導(dǎo)致的垂向集中應(yīng)力影響較小，但煤層底板及巖溶溶洞周圍巖體的塑性破壞隨其增加而減弱，因此可根據(jù)不同的地質(zhì)條件，模擬分析出最佳控制距離，為較好地防治突水事故提供依據(jù)。

[1] 李永軍.淮南煤田巖溶陷落柱成因機(jī)制與特征研究[D].北京：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)，2006

[2] 張春雷.淮南煤田巖溶陷落柱(帶)特征及其形成機(jī)理[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2010

[3] 秦福鋒，劉柱，郭洪良.華北型煤田巖溶陷落柱綜合探測(cè)和分布規(guī)律特征[J].價(jià)值工程，2014(30)

[4] 楊武洋.煤礦陷落柱賦水特征的綜合物探探查原理與方法[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2013(1)

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(責(zé)任編輯 張艷華)

Numerical simulation research on coal seam floor karst cave water inrush induced by pressurized mining

Yang Yaowen1, Kan Zhonghui2, Xie Jian1, Liu Shifang1

(1. Wugou Mine, Anhui Hengyuan Coal-electricity Group Co., Ltd., Suzhou, Anhui 234000, China;2. College of Mining and Safety Engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao, Shandong 266590, China)

Based on geological condition of Wugou Mine, utilizing solid-liquid coupling mode of FLAC3D software to analyze stress and plastic failure change regularity of coal seam floor and karst carve surrounding rock during pressurized mining associated with different mining depth and distances between carve top face and coal seam. The results indicated that when the coal seam is deeper, the stress is more concentrated, plastic failure of coal seam floor and karst carve surrounding rock is more serious, and water inrush accident is more likely to happen; when the distance between carve top face and coal seam is smaller, activation extent of karst carve is higher, and water inrush accident is more likely to happen. The distance between carve top face and coal seam has little influence on vertical concentrated stress of coal seam floor and surroundings of karst carves.

water inrush accident, coal seam depth, karst carve, pressurized mining, certical concentrated stress, numerical simulation

國(guó)家自然基金項(xiàng)目(51379119，51109124，51509149，41472281)，教育部博士點(diǎn)新教師基金項(xiàng)目(20113718120009)，山東省高等學(xué)校優(yōu)秀骨干教師國(guó)際合作培養(yǎng)項(xiàng)目以及煤礦安全高效開采省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金(JYBSYS2014106)，“群星計(jì)劃”重點(diǎn)項(xiàng)目(qx2013102)

楊耀文，闞忠輝，解建等. 帶壓開采誘發(fā)煤層底板巖溶溶洞突水模擬研究[J]. 中國(guó)煤炭，2017，43(2):97-99，113. Yang Yaowen, Kan Zhonghui, Xie Jian,et.al. Numerical simulation research on coal seam floor karst cave water inrush induced by pressurized mining[J] .China Coal，2017，43(2): 97-99，113.

TD753

A

楊耀文(1969-)，男，吉林舒蘭人，高級(jí)工程師，1995年畢業(yè)于河北煤炭建工學(xué)院，現(xiàn)任皖北煤電恒源股份公司五溝煤礦總工程師。