采場底板陷落柱滲流突水數值模擬

張川牛 狄超然 萬 芬

(1.山西壽陽段王煤業集團有限公司；2.武漢地大華睿地學技術有限公司)

巖溶陷落柱廣泛發育在我國華北地區，是一種特殊的隱伏型地質構造，其誘發的突水具有突發性、隱蔽性、突水量大等特點[1]，嚴重威脅煤礦安全生產。陷落柱作為一種強導水通道，常導致奧陶系灰巖突水事故，已經造成我國多次淹工作面和淹井災害。因此，研究陷落柱突水規律對預防煤礦突水事故的發生尤為重要[2]。

1 工作面概況

某礦31102西工作面埋深為658～690 m，工作面寬150 m，煤層厚1.5～5.2 m。工作面底板以泥巖、粉砂巖、細砂巖為主，距煤層底板90 m處為奧灰含水層，水壓為5～7 MPa。根據物探和鉆探結果，現已查明煤層底板有一小型陷落柱(1#)，陷落柱平均半徑為40 m，高約60 m，呈倒漏斗形，陷落柱頂端距煤層大約30 m。因此，沿工作面推進極有可能發生底板突水事故。

2 數值模型的建立

采用FLAC3D數值模擬軟件建立模型，尺寸為500 m×300 m×220 m，煤層厚5 m，模型底部為承壓水含水層，其上為隔水層，距煤層底板30 m處有一圓臺狀陷落柱，陷落柱頂部直徑為10 m，底部直徑為70 m，高60 m。數值計算模型見圖1。模型約束底部垂直方向的位移，約束左右兩邊水平方向的位移。原點定在模型底部中心位置，煤層走向為x方向。設煤層的埋藏深度為700 m，采用等效載荷代替底部壓力，取上覆巖層平均密度ρ=2 600 kg/m3。底部承壓水含水層壓力為固定值(6 MPa)。模型中各巖層的巖石物理力學參數見表1[3]。

圖1 三維數值模型(沿陷落柱軸線)

巖層名稱總厚度/m密度/(kg/m3)彈性模量/GPa泊松比內聚力/MPa抗拉強度/MPa內摩擦角/(°)滲透系數K/md-1細砂巖502630280.288.23.2300.20泥巖402500220.308.52.0320.15中砂巖402600260.308.32.2300.18粉砂巖452580280.258.73.3270.20煤層5120040.301.41.5280.15含水層403000180.115.75.1380.40陷落柱1700270.400.90.2311.00

3 測點布置

煤層底板布置5條測線，觀測線以觀測點的形式給出。測點沿x軸方向即煤層走向-70，-35，0，35，70 m均布；沿y軸方向-60～60 m均布5個測點；沿z軸方向為125 m高度，見圖2。沿陷落柱剖面周邊均勻布置9個測點，見圖3。

圖2 底板測線布置

圖3 陷落柱周邊測點布置

4 模擬過程

(1)工作面長度分別取140，120，100，80，60 m，從x=-100 m沿煤層走向推進，步距為10 m，采用全部垮落法管理頂板。

(2)工作面長度取100 m，從x=-100 m沿煤層走向推進，步距為10 m，回采后充填，開挖下一步時對上一步進行充填[4]。

5 工作面不同回采情況下模擬結果分析

5.1 工作面回采過程

圖4為開挖前孔隙壓力云圖。可以看出，開挖前，含水層承壓水導升高度為5 m，陷落柱周邊滲流寬度為7 m。隨著工作面的推進，煤層底板和陷落柱周邊塑性區范圍不斷加大，煤層底板塑性破壞向深部發育，底板受到張力和剪切力的作用(圖5)，對應左側力學狀態圖標，結合2章節模型建立時模塊大小(模塊高度為5 m)可知，當工作面開挖140 m時，煤層底板塑性破壞深度達35 m左右，陷落柱周邊破壞帶寬10 m左右，陷落柱周邊水壓由4.5 MPa減小到1.0 MPa，底板層壓水得以釋放，壓力明顯減小，表明底板塑性破壞帶和陷落柱周邊破壞帶發生對接，底板二次發育的節理構造形成導水通道，導致承壓水沿破壞帶向采空區涌入，引發工作面突水事故。

圖4 開挖前孔隙壓力云圖

圖5 開挖140 m處塑性區

5.2 不同寬度的工作面回采

對比工作面寬140和60 m 2種情況，底板受到張力和剪切力的作用如圖6中顏色變化，對應左側力學狀態圖標，結合2章節模型建立時模塊大小(模塊高度為5 m)可知：

(1)隨著140 m寬度工作面的推進，底板破壞深度加大；工作面開挖130 m處，最后塑性破壞深度穩定在35 m左右，大于底板距陷落柱頂部高度30 m，底板塑性區與陷落柱周邊破壞帶對接，很有可能導致突水事故發生。

(2)60 m寬度工作面開挖130 m處時，由于受超前支承壓力的影響，底板前方最大破壞深度達到20 m左右，小于底板距陷落柱頂部高度30 m,塑性破壞區未達到陷落柱的原始破壞區，工作面不會發生突水事故。

圖6 不同寬度的工作面開挖130 m處塑性區

因此，降低工作面寬度可以減小底板破壞深度，降低底板突水的可能性。然而，遇陷落柱時，也應根據現場情況合理布置工作面寬度。

5.3 充填后的工作面回采

采用充填開采法，隨著工作面推進，底板破壞深度穩定在5 m左右，如圖7所示，推進150和200 m 時都已經過陷落柱所在位置，但底板塑性破壞深度遠小于底板距陷落柱頂部的距離30 m。工作面接近陷落柱和遠離陷落柱時，底板塑性破壞深度并未增加，反而有減小趨勢，因此，不易導致突水事故發生。

圖7 工作面推進不同距離時充填開采塑性區

5.4 陷落柱破壞分析

圖8為陷落柱位移變化情況。從圖8(a)可以看出，隨著工作面推進，陷落柱頂部C1、C2、C3點在采動礦壓影響下向下移動且不斷加大，說明陷落柱頂部處在受壓階段。當工作面推進100 m左右時，在超前支承壓力下，測點向下移動達到最大值約23 mm，之后進入采后卸壓區，測點又改為向上移動，說明陷落柱頂部處在受拉膨脹階段[5]。從圖8(b)可以看出，隨工作面推進，C1點向x正方向移動，而B1、A1點向x負方向移動，C1、B1點相對位移不斷加大，最大約17 mm，說明陷落柱中上部左側周邊受剪應力影響較大，破壞較嚴重，可能引發滲流突水事故。

圖8 位移對比圖

6 結 論

(1)防止底板陷落柱突水的一個重要因素是工作面的寬度，通過對下伏陷落柱的不同工作面寬度模擬得出，降低工作面寬度可以減小底板破壞深度，降低底板突水的可能性。因此，在遇陷落柱時，應根據現場情況合理布置工作面寬度。

(2)防止底板陷落柱突水的另外一個重要因素是采煤方式。當采用充填開采法時，工作面底板的原始節理發育受二次破壞的影響較小，故破壞深度也相對較小。同時，工作面接近陷落柱和遠離陷落柱時，底板塑性破壞深度并未增加，反而有減小趨勢。因此，遇陷落柱時，采用充填開采法可有效防止突水事故發生。

(3)隨工作面推進，受采動影響，煤層底板隱伏陷落柱首先受超前支承壓力處在受壓區，而后進入采后卸壓區。陷落柱中上部靠近采煤工作面一側破壞嚴重，受剪應力影響較大。

(4)存在下伏陷落柱的工作面在回采過程中，采動破壞會造成煤層底板的裂隙二次發育，并進一步向深部導通原始裂隙，當底板塑性區與陷落柱周邊破壞區對接后，承壓水很可能滲流涌入采空區，誘發突水事故。因此，應提前采用物探、鉆探等技術確定陷落柱產狀和水壓大小等參數，采取合理的開采方案，以確保安全生產。

[1] 朱萬成,魏晨慧,張福壯,等.流固耦合模型用于陷落柱突水的數值模擬研究[J].地下空間與工程學報,2009(5):928-933.

[2] 王家臣,李見波.預測陷落柱突水災害的物理模型及理論判據[J].北京科技大學學報,2010(10):1243-1247.

[3] 賀志宏.雙柳煤礦陷落柱發育特征及突水機理研究[D].北京：中國礦業大學,2012.

[4] 尹尚先,武 強.煤層底板陷落柱突水模擬及機理分析[J].巖石力學與工程學報,2004(15):2551-2556.

[5] 尹尚先,武 強.陷落柱概化模式及突水力學判據[J].北京科技大學學報,2006(9):812-817.