基于不同正斷層角度的上盤工作面突水數值模擬分析

劉晉予

(山西煤炭進出口集團 蒲縣豹子溝煤業有限公司,山西 臨汾 041204)

礦井水害嚴重影響著煤礦安全生產,給國家和人民帶來巨大的損失。對于含有斷層的工作面在開采過程中更易發生突水事故,研究表明,在諸多斷層種類中正斷層更易導水,而在正斷層中不同的斷層傾角對工作面突水的影響又有所不同,本文針對某礦41112工作面位于正斷層上盤這一情況,模擬不同斷層傾角條件下的工作面推進情況。研究不同斷層傾角對工作面突水的影響。

1 工作面概況

某礦41112工作面,煤層結構復雜,煤層厚度變化較小,煤層中間有夾石,夾石層小于2層,煤層厚度平均1.8 m,視密度1.33 t/m,煤層埋深約740 m,底板與四灰距離35 m,四灰的厚度約8 m。工作面偏北側為F21斷層,北高南低,落差8 m～12 m,平均傾角59.6°。

2 數值模擬

2.1 FLAC3D原理

FLAC3D的原理是拉格朗日差分法,這種方法擁有和有限元法一樣的優點,可以運用它來分析含有孔隙水壓力的流固耦合的問題,它擁有很強的滲流運算能力,可以模擬多孔介質中的流體運動,可以單獨運算流體模型,只考慮滲流作用,同時也可以進行流固耦合計算[1-3]。

2.2 模型建立

根據工作面的相關水文地質條件建立斷層傾角分別為30°、45°、60°,長、寬、高分別為160 m、120 m、100 m的三種模型，見圖1。力學邊界條件為下部邊界固定,設定埋深740 m,載荷均布在模型上部,上覆巖層的設定密度為2 600 kg/m3,水壓力邊界固定,底部含水層水壓設為7.5 MPa。含水層巖體飽和度設為1,工作面底板內初始水壓力是依據梯度水壓的變化進行定義,工作面回采后采空區成為滲流邊界,所以采空區邊界取固定的水壓力值為0。

工作面推進方向與斷層走向平行,在斷層的邊界處留設20 m的煤柱,模型的邊界留設20 m以防邊界效應,工作面寬60 m,一次采全高。從y=20 m處開始推進,分5步開挖,每次10 m,最后推進到y=80 m處結束。分別選取y=40 m、y=50 m、y=60 m、y=70 m、y=80 m時的塑性區、孔隙壓力的分布圖研究它們在推進過程中的變化規律。

圖1 不同斷層傾角時的模型Fig.1 Models at different fault dips

2.2.1 斷層傾角為30°的模型

1)塑性區分布規律。分析不同推進距離下的塑性區分布圖(見圖2)可知:在剛開始推進時,斷層帶已經出現了塑性破壞,這正印證了正斷層帶容易被破壞的特征;隨著推進繼續進行,在煤層頂板的塑性破壞區越來越大,留設的斷層煤巖柱塑性破壞區域也逐漸增大直至完全被破壞,底板巖層的塑性破壞變化速度不如頂板,但底板破壞區域和深度也有所增大,靠近斷層附近底板塑性區域有向著斷層破碎帶繼續延伸的趨勢,并且從底板塑性區整體來看,靠近斷層側塑性區范圍大于遠離斷層的另一側;當工作面推進結束時,煤層頂板、底板的塑性最大破壞深度分別達24 m、12 m。

圖2 不同推進距離下塑性區分布圖Fig.2 Distribution diagram of plastic zones at different advancing distances

2)孔隙壓力分布規律。分析不同推進距離下的孔隙壓力分布圖(見圖3)可知:在工作面剛開始推進時,處于斷層下盤的承壓水已經開始有沿著斷層裂隙向上導升的趨勢,斷層的上下盤導水帶尚未溝通;當工作面推進到y=50 m時,位于斷層上、下盤處的導水帶開始導通,繼續推進后下部的承壓水開始出現出現較為明顯的導升;當工作面推進到y=

70 m時,承壓水的導升趨勢開始減緩,此時承壓水區域及斷層含水區域有向工作面下方底板區域擴散擴大的趨勢;當工作面推進到y=80 m時,承壓水繼續導升且向煤層底板擴散范圍擴大。與圖2中的塑性區分布特征進行對比,分析原因,主要是工作面推進中,靠近斷層附近底板塑性區范圍及破壞深度增加,承壓水沿裂隙滲透。

圖3 不同推進距離下孔隙壓力分布圖Fig.3 Distribution diagram of pore pressure at different advancing distances

2.2.2 斷層傾角為45°的模型

1)塑性區分布規律。分析不同推進距離下的塑性區分布圖(見圖4)可知:工作面推進時,斷層帶發生塑形破壞;隨著工作面的推進,斷層帶和煤層頂板的塑性區范圍持續變大,而底板在工作面推進到y=50 m時塑形區范圍趨于穩定,破壞范圍不在發生顯著變化,而靠近斷層側底板的塑性區范圍比遠離斷層側明顯偏大。將煤層工作面推進結束時,煤層頂板、底板的塑性最大破壞深度達到24 m、10 m;隨推進距離增大,煤巖柱塑形破壞加大,且有與斷層接通的趨勢。

圖4 不同推進距離下塑性區分布圖Fig.4 Distribution diagram of plastic zones at different advancing distances

2)孔隙壓力分布規律。分析不同推進距離下的孔隙壓力分布圖(見圖5)可知:隨著工作面推進,斷層上、下盤的含水帶接通,并且接通范圍隨推進明顯增大;含水層水沿斷層帶向上導升,并且導升趨勢及高度明顯,當工作面推進到y=60 m時,導升已經接近煤層;工作面推進結束后,承壓水到達煤柱附近且有向煤柱滲透的趨勢,同時導升繼續升高的趨勢。如若此時煤柱因塑性破壞嚴重,極有可能使得斷層內水進入工作面引起突水。

圖5 不同推進距離下孔隙壓力分布圖Fig.5 Distribution diagram of pore pressure at different advancing distances

2.2.3 斷層傾角為60°的模型

1)塑性區分布規律。分析不同推進距離下的塑性區分布圖(見圖6)可知:從圖中可以看出,當工作面推進到y=40 m時,斷層帶整體發生塑形破壞;頂板的塑性區的范圍隨著繼續推進而增大,底板處的塑性破壞區域基本不變,但靠近斷層的范圍比遠離斷層的范圍大,隨著推進的進行,煤巖柱的塑形破壞程度變大,有和斷層相溝通的趨勢。工作面推進結束時時,煤層頂、底板的最大塑性破壞深度達到24 m、10 m。

圖6 不同推進距離下塑性區分布圖Fig.6 Distribution diagram of plastic zones at different advancing distances

2)孔隙壓力分布規律。分析不同推進距離下的孔隙壓力分布圖(見圖7)可知:隨工作面推進,斷層上、下盤的含水帶快速貫通,承壓水沿斷層帶導升速度十分明顯;工作面推進到y=50 m時,承壓水到達工作面附近且向煤層滲透,范圍比較明顯,且在下盤煤層出現滲透;推進結束時,承壓水繼續向上導升,且斷層上、下盤煤層區域滲透范圍有變大的趨勢。

圖7 不同推進距離下孔隙壓力分布圖Fig.7 Distribution diagram of pore pressure at different advancing distances

綜合不同斷層傾角的模擬結果分析可知,底板塑性破壞范圍及深度隨斷層傾角的增大有減小趨勢,其中靠近斷層側塑性區變化最為明顯,破壞深度由傾角30°時的12 m減小到60°時的10 m;斷層傾角為30°時,斷層邊界煤巖柱完全發生塑形破壞,而45°、60°時,煤巖柱塑形區變大,卻未完全破壞;隨斷層傾角增大,孔隙壓力從2 MPa增加到4 MPa,承壓水的導升高越明顯,從傾角30°時的5 m增大到60°時的12 m,增加率達140%,但30°時,承壓水在底板滲透范圍較大[4-5]。

3 結論

1)斷層傾角越小,底板及煤巖柱塑性破壞越嚴重,底板斷層及含水層越容易與底板塑性區導通引發突水。

2)斷層傾角越大,斷層越容易活化成為承壓水導升通路,且導升幅度不斷增加,此時斷層內水容易通過煤柱塑性區與工作面導通引起突水。

[1] 卜萬奎,茅獻彪.斷層傾角對斷層活化及底板突水的影響研究[J].巖石力學與工程學報,2009,28(2):386-394. BU Wankui,MAO Xianbiao.Research on Effect of Fault Dip on Fault Activation and Water Inursh of Coal Floor[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2009,28(2):386-394.

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[4] 張寧.采動條件下斷層組合突水數值模擬及防治研究[D].青島:山東科技大學,2015.

[5] 陳文國.工作面走向斷層突水模擬及防治研究[D].青島:山東科技大學,2016.