采動(dòng)動(dòng)載作用下圍巖破壞機(jī)理數(shù)值模擬研究及其工程應(yīng)用

趙 東 趙 康

（1.江西理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西 贛州 341000；2.平頂山天安煤業(yè)股份有限公司十礦，河南 平頂山 467013）

工作面開采后，煤層底板巖層的原始應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生破壞，采空區(qū)周圍應(yīng)力集中，底板應(yīng)力作用使底板巖層產(chǎn)生各種裂隙，裂隙部分巖層將喪失隔水能力。在底板帶壓開采條件下，煤層底板破壞將減小隔水層厚度，進(jìn)而降低底板隔水能力，增加底板突水危險(xiǎn)性。因此，準(zhǔn)確測出工作面底板采動(dòng)破壞深度是承壓水上采煤的一個(gè)重要的安全問題。

1 工作面基本概況

平煤股份十礦位于平頂山市東北部、平頂山煤田東部，距市區(qū)中心約6km，煤礦始建于 1958年8月，現(xiàn)核定生產(chǎn)能力為 330萬t/a。24100工作面位于十礦-320水平己四采區(qū)西翼第四區(qū)段，地面標(biāo)高+180m～ +275m，工作面標(biāo)高-622m～-664m，埋深-844m～-897m，走向長808m，傾斜寬130m，煤層傾角10°。24100工作面所承受的最大水壓達(dá)到1.67MPa，中間隔水層為砂質(zhì)泥巖夾薄層狀細(xì)砂巖。

2 數(shù)值模擬及工程應(yīng)用

2.1 數(shù)值模擬模型

本次研究對十礦24100工作面煤層進(jìn)行模擬開采，根據(jù)工作面煤層賦存特征，假定巖層為相對水平分布，巖體中的裂隙、斷層暫不考慮。在本模型中，坐標(biāo)系規(guī)定為：工作面走向?yàn)閅軸，走向長度取800m；工作面傾向?yàn)閄軸，模型傾向長度取220m；重力方向?yàn)閆軸，向上為正。根據(jù)采動(dòng)等因素影響范圍和計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬計(jì)算的特點(diǎn)，模型尺寸確定為800m×220m×361m，能同時(shí)滿足不同開采方式所需的數(shù)值模擬條件，整個(gè)模型共模擬16層，頂板7層，底板8層，計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 十礦24100采面頂?shù)装鍑鷰r變形破壞的模擬模型

數(shù)值模擬所需要的巖石力學(xué)參數(shù)以十礦地質(zhì)報(bào)告上的巖層物理力學(xué)參數(shù)為依據(jù)，涉及到的參數(shù)包括抗拉強(qiáng)度、體積模量、剪切模量、容重、摩擦角、粘聚力等。

在工作面采長為130m時(shí)，模擬開挖二1煤層，工作面沿走向以10m為一步長向前推進(jìn)，共模擬開挖36步，即共推進(jìn)360m。模擬隨著不斷開挖，煤層頂?shù)装鍑鷰r變形破壞情況，重點(diǎn)確定底板破壞深度。

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果

（1）底板巖體應(yīng)力

模擬結(jié)果表明：當(dāng)工作面推進(jìn)長度為30m時(shí)，沿工作面推進(jìn)方向底板巖層內(nèi)出現(xiàn)應(yīng)力集中，垂直應(yīng)力最大值達(dá)到14.25MPa。隨著工作面推進(jìn)，工作面前方煤壁下底板超前支撐壓力逐漸增大，推進(jìn)90m時(shí)，垂直應(yīng)力最大值為17.39MPa；推進(jìn)150m時(shí)，垂直應(yīng)力最大值為19.64MPa；推進(jìn)210m時(shí)，垂直應(yīng)力最大值為20.37MPa。當(dāng)工作面推進(jìn)超過270m后，垂直應(yīng)力增大到20.84MPa，并且趨于穩(wěn)定（表1、圖2）。即采動(dòng)過程中工作面底板巖體壓力隨工作面推進(jìn)距離的增加而增加，當(dāng)工作面推進(jìn)距離達(dá)到一定范圍時(shí)，底板巖體壓力趨于穩(wěn)定。

圖2 工作面底板巖體應(yīng)力隨回采推進(jìn)的變化云圖

（2）頂?shù)装迤茐母撸ㄉ睿┒?/p>

模擬結(jié)果表明，在工作面采長130m，采高4.0m的條件下，煤層頂?shù)装迤茐母撸ㄉ睿┒入S著工作面推進(jìn)而增加，推進(jìn)到一定距離時(shí)進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，同時(shí)破壞范圍隨著工作面推進(jìn)而擴(kuò)大。工作面推進(jìn)到170m時(shí)，底板破壞范圍達(dá)到最大18.1m，之后開挖至360m一直保持不變，說明底板破壞深度在工作面推進(jìn)到170m之后即進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)；工作面推進(jìn)到320m時(shí)，頂板破壞范圍達(dá)到最大57.3m，之后開挖至360m一直保持不變，說明頂板破壞高度在工作面推進(jìn)到320m之后即進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)（圖3）。

表1 工作面回采推進(jìn)過程中底板巖體應(yīng)力模擬結(jié)果

圖3 工作面回采過程中頂?shù)装鍑鷰r變形破壞范圍的變化

3 24100工作面采動(dòng)后底板巷的變形觀測

為全面了解24100工作面采動(dòng)后煤層底板地層變形破壞情況，并驗(yàn)證數(shù)值模擬所計(jì)算的底板破壞深度與實(shí)際是否符合，在24100底板巖巷布置了巷道變形巖移觀測站，自底板巷正巷口至底板巷切眼共布設(shè)20個(gè)觀測點(diǎn)，編號(hào)為1～20。其中，1～6號(hào)觀測點(diǎn)每15m等距離布設(shè)，6～10號(hào)觀測點(diǎn)每30m等距離布設(shè)，10～20號(hào)觀測點(diǎn)每50m等距離布設(shè)。24100機(jī)巷底板巷十字觀測站自2017年10月19日采面已回采30m時(shí)開始觀測，觀測間隔5～7d，截至2017年12月5日，24100采面已經(jīng)回采140m，共進(jìn)行了7次觀測。

圖4 24100機(jī)巷底板巷巖移觀測站點(diǎn)布置圖

通過對觀測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)，24100工作面的采動(dòng)對底板巷的收斂有明顯的影響，140m（目前采面切眼位置）以里的收斂明顯大于140m以外的收斂，并且巷高的收斂量和收斂率均明顯大于巷寬的收斂量和收斂率，巷高的最大收斂量是巷寬的最大收斂量的3.8倍，巷高的最大收斂率是巷寬的最大收斂率的6.3倍。巷高的最大收斂量、最小收斂量和巷寬的最大收斂量、最小收斂量位置相同，均位于1號(hào)觀測點(diǎn)和6號(hào)觀測點(diǎn)。根據(jù)24100機(jī)巷和底板巷實(shí)測剖面來看，底板巷的標(biāo)高比機(jī)巷的標(biāo)高低17～20m，數(shù)值模擬確定的工作面采動(dòng)底板破壞深度為19m，與觀測站的觀測結(jié)果以及現(xiàn)場底板巷的變形情況基本吻合。

4 工作面主要防治水措施

4.1 完善工作面排水系統(tǒng)

24100工作面機(jī)、風(fēng)巷水泵窩內(nèi)均安裝有兩臺(tái)水泵，水泵型號(hào)為100D-16×9，電機(jī)功率為37kW，單泵排水量為54m3/h，揚(yáng)程大于50m，分別與巷道內(nèi)的兩趟4寸排水管路相連接，利用水泵直接排入己四軌道排污管道內(nèi)，進(jìn)入己四采區(qū)水倉。

4.2 持續(xù)疏放灰?guī)r水

十礦共有12個(gè)灰?guī)r疏水孔在疏排寒武系灰?guī)r承壓水，總疏放量在90m3/h左右，年累計(jì)疏放量在78萬m3。為了有利于24100工作面的安全開采，應(yīng)繼續(xù)運(yùn)用物探手段查找富水異常區(qū)，布置疏放寒灰水鉆孔，提高疏放灰?guī)r水強(qiáng)度，降低水頭高度，實(shí)現(xiàn)工作面的不帶壓回采。

4.3 探查工作面內(nèi)部構(gòu)造

對24100工作面內(nèi)部進(jìn)行坑透物探，重點(diǎn)探查工作面內(nèi)部有無斷層等潛在的導(dǎo)水通道。同時(shí)在回采過程中要加強(qiáng)水文地質(zhì)巡查工作，尤其是工作面通過物探富水異常區(qū)以及斷裂構(gòu)造時(shí)要強(qiáng)化水文地質(zhì)調(diào)查，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有突水征兆，如底鼓、底板滲水等異常情況時(shí)要立即停止作業(yè)，采取必要措施確保工作面安全回采。

4.4 加強(qiáng)水害監(jiān)測監(jiān)控

加強(qiáng)水害的監(jiān)控和監(jiān)測，制定突發(fā)水害時(shí)的避險(xiǎn)和搶險(xiǎn)預(yù)案，保持排水通道的暢通，明確人員避災(zāi)路線。工作面回采期間，尤其是推進(jìn)至周期來壓位置和隱伏構(gòu)造帶位置時(shí)，地測科要派人跟班，發(fā)現(xiàn)水害預(yù)兆，及時(shí)處置。24100工作面屬于帶壓工作面，必須按照《煤礦防治水規(guī)定》及公司的有關(guān)防治水規(guī)定，制定工作面帶壓開采安全技術(shù)措施。

5 結(jié) 論

（1）當(dāng)工作面推進(jìn)長度超過270m后，垂直應(yīng)力增大到20.84MPa，并且趨于穩(wěn)定。即采動(dòng)過程中工作面底板巖體壓力隨工作面推進(jìn)距離的增加而增加，當(dāng)工作面推進(jìn)距離達(dá)到一定范圍時(shí)，底板巖體壓力趨于穩(wěn)定。

（2）利用FLAC3D軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，工作面推進(jìn)到170m時(shí)，底板破壞范圍達(dá)到最大18.1m，之后即進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)；工作面推進(jìn)到320m時(shí)，頂板破壞范圍達(dá)到最大57.3m，之后即進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。

（3）提出了完善采區(qū)及工作面排水系統(tǒng)、持續(xù)疏放灰?guī)r水、探查工作面內(nèi)部構(gòu)造、回采過程中加強(qiáng)水文地質(zhì)巡查工作等一系列具體的防治水措施，保證了工作面的安全開采。