老空區下煤炭資源開采覆巖導水裂隙發育規律數值模擬

張真寧 庹云升 周詩楠 王濤

摘?要：為防止近距離煤層開采導通上覆老空區而產生突水危機，利用FLAC數值模擬軟件對礦山煤層開采進行模擬，根據覆巖應力的分布、移動方向以及塑性區域的分布規律，分析比較了在C3煤層老空區下開采C4煤層過程中沿C4工作面兩端至C3老空區間的覆巖裂隙的發育情況。得出了C4開采之后，C3底板裂隙由6m繼續發育至26m，C4煤層上方頂板裂隙發育至16m，兩煤層之間并未導通。實驗證明：通過數值模擬的方法預測分析老空區下覆巖裂隙發育規律對之后的煤層開采以及礦山安全有較大的意義。

關鍵詞：老空區;數值模擬;覆巖裂隙發育

由于貴州獨特的喀斯特地質條件，造成生態環境薄弱，若在此地區進行高強度的煤炭開采，必然會加劇生態環境系統的惡化，使老空區下覆巖裂隙不斷發育，形成導水的通道從而造成水害事故，一旦發生這樣的水害事故，將會造成巨大的經濟損失以及人員傷亡，甚至會造成停產或關閉礦井的情況。

對于裂隙發育數值模擬，劉桂麗等人采用UDEC3.10數值模擬軟件，對煤礦開采工作后方幾十米范圍內的上覆巖裂隙的發育情況進行了分析[1];邵小平等人對積水區下裂隙發育特征進行了研究，推斷出三種情況[2];郭良，張春雷通過UDEC數值模擬軟件分析底板不同深度裂隙傾角分布規律，結果表明煤層開采后底板裂隙數量隨底板深度增加而減少，直至不再發育[3];張農等人通過實驗分析掘巷影響區不同時空條件的巷道巖體裂隙的發育過程，提出了控制泥質巷道圍巖防止滲流災害的技術[4];劉秀英通過實驗研究出采空區巖體裂隙分形的規律[5];劉增輝等人采用三維數值計算的方法分析比較了裂隙帶發育高度[6];宋紅軍等人利用RFPA2D分析軟件對采空區下煤層開采覆巖破壞進行模擬[7];題正義等人利用板殼理論、斷裂力學理論分別建立導水裂隙高度和底板破裂深度的力學模型[8]。針對老空區積水問題，崔軍艦通過試驗以及理論推理確定了老空區積水情況，并設計了科學合理的方法解除礦井水害[9];閆立君從理論角度對老空區頂板的涌水通道和采空區積水的影響因素進行了分析[10]。

上述研究成果主要通過數值模擬、理論推理以及模擬實驗等手段對覆巖裂隙發育規律均作出了有益的探究。本文借助于FLAC數值模擬軟件研究老空區下的覆巖結構演變的動態過程與裂隙發育規律，并制定合理的防治水方案，對確保礦井安全生產具有重大意義。

1 工程概況

遵義縣山盆鎮某煤礦位于遵義縣城區北西約60公里，該井田屬大婁山系堯龍山脈，為高原低中山地貌，其間發育有沖溝、洼地等，南西、北東兩端分別為桐梓河、混子河。地形起伏受區域內地質構造、地層巖性和地表河流控制，山體走向呈北東―南西向。根據礦區勘探報告，礦井淺部煤層露頭附近存在老窯采空區，老窯開采歷史較長，現已全關閉，大部分采空區內充滿水。C4煤層位于煤系地層中上部，開采深度為100m，煤層平均厚度約為2.2m，屬穩定煤層，大部分可采，C4煤層上覆46m為采空區，在開采過程中有可能受到上覆采空區的影響，一旦開采裂隙發育至采空區，有空引發突水危機，需要研究C4煤層開采過程中的裂隙發育高度。

2 數值模擬參數確定

2.1 模型范圍的確定

2.2 各巖層力學參數

各巖層力學參數見下表：

2.3 數值模擬結果分析

（1）上煤層開采后塑性區發育情況。

C3煤層開采后，C3煤層上方塑性區（頂板裂隙）發育至數值模擬模型頂部，超過28m，底板裂隙發育至6m;覆巖垂直應力在工作面兩端形成應力增高區，工作面上方為應力降低區，最大值發生在距工作面兩端約6m處，最大為30.2MP。

（2）下煤層開采后巖層裂隙發育情況。

下煤層C4煤層開采之后，對上覆C3煤層的底板裂隙發育較為影響，底板裂隙由6m繼續發育至26m，但并沒有與下方C4煤層導通;C4煤層上方頂板裂隙發育至16m，底板裂隙發育至8m，覆巖垂直應力的最大值發生在工作面兩端，最大值為36.7MP。

（3）數據比較。

由此可知，近距離煤層工作面開采后，覆巖垂直應力最大值均發生在工作面兩端，下煤層開采最大應力較上煤層稍有增加，且工作面覆巖下沉呈現下凹形狀，最大值發生在工作面中部。下煤層開采對上覆巖層頂底板裂隙發育均有促進作用，在C4煤層開采之后，C3煤層底板裂隙發育由6m繼續發育至26m，但C3和C4煤層并未形成貫通導水裂隙，說明在煤炭資源開采過程中，采空區覆巖裂隙的不斷發育會顯著破壞巖層的穩定狀態，如果近距離煤層距離較小，則容易形成貫通裂隙，造成上覆采空區的老空水涌入下煤層采空區，從而造成突水事故。

3 結論

（1）上煤層老空區中老窯水對下煤層開采造成突水危機，通過數值模擬研究對老空區下覆巖裂隙的發育情況進行判斷，為下煤層安全開采提供技術保障。

（2）通過數值模擬的結果得出這樣的規律：對兩煤層進行開挖之后，兩煤層的最大垂直應力均發生在工作面兩幫，最大下沉量均發生在工作面中部。

（3）通過數值模擬得出，C4煤層開采后，C4煤層上方頂板裂隙發育至16m，C3煤層下方底板裂隙繼續發育至26m，C4煤層的開采對于C3底板裂隙的發育有一定影響，但并未使上下兩煤層形成貫通導水裂隙，能夠有效防止老窯水突水危機。

參考文獻：

[1]劉桂麗，楊躍奎，撒占友.煤礦采空區上覆巖層裂隙發育數值模擬試驗[J].礦業研究與開發，2012，10（5）：76-80.

[2]邵小平，尉遲小騫，楊文化，李鑫杰.積水區下導水裂隙發育特征實驗研究[J].煤炭技術，2015，3（3）：92-94.

[3]郭良，張春雷.采空區底板不同深度巖體裂隙演化規律[J].煤礦安全，2019，2（2）：204-213.

[4]張農，許興亮，李桂臣.巷道圍巖裂隙演化規律及滲流災害控制[J].巖石力學與工程學報，2009，28（2）：331-335.

[5]劉秀英.采空區上覆巖體裂隙分形規律的實驗研究[J].太原科技大學學報，2009，30（5）：428-431.

[6]劉增輝，楊本水.利用數值模擬方法確定導水裂隙帶發育高度[J].礦業安全與環保，2006，33（5）：16-20.

[7]宋紅軍，賴立學.采空區下煤層開采覆巖破壞規律數值模擬[J].煤礦安全，2013，44（1）：35-38.

[8]題正義，張峰，秦洪巖，朱志潔.基于板殼和斷裂力學理論的上覆采空區積水危險性判定技術.[J].煤田地質與勘探，2019，47（1）：138-143.

[9]崔軍艦.采空區水害勘察與防治技術研究及應用[J].西部探礦工程，2019，9：183-186.

[10]閆立君.淺析井工礦井采空區的涌水通道和積水影響因素[J].能源與節能，2019，8：21-22.