馬堡礦15#煤帶壓開采數值模擬研究

王 澤

(山西宏廈第一建設有限責任公司, 山西 陽泉 045008)

長期以來，對于受底板水威脅的煤炭開采，主要采用兩種方法：深降強排以及帶壓開采。帶壓開采因其成本低、環境污染程度較小以及保水開采的可行性，是目前的主要開采方法。但帶壓開采具有一定的突水危險性，尤其是水文地質條件復雜、水壓較高的情況下，底板奧灰水威脅尤為嚴重[1-2]. 因此，探明礦區內地質條件、分析突水機理并準確預測突水危險性，是確保安全帶壓開采的關鍵。本文在綜合考慮各種影響底板破壞規律因素的基礎上，采用數值模擬的方法，通過FLAC3D軟件對采動影響下馬堡煤業15號煤底板的破壞規律及突水預測進行分析。

1 工程概況

馬堡煤業位于沁水煤田武鄉礦區，主要分布在汾河兩岸。據已有勘探試驗和礦井開采揭露等相關資料，馬堡煤業處在郭莊泉域巖溶地下水系統的下游強逕流區—排泄區一帶，地質條件較為復雜，含水層內裂隙較為發育，地下水補給、運移和富集條件較好，主要巖溶含水層富水性強，礦區巖溶水位標高大體與郭莊泉水位標高相近(516～512 m). 上、下組煤層底板皆位于巖溶水位之下，分別承受奧灰巖溶水水壓2.7～7.45 MPa和1.8～5.3 MPa，尤其是下組煤，其上覆有3層石炭系太原組的灰巖含水層(K2、K3、K4)，下覆有奧陶系中統高承壓含水層。馬堡煤業目前主要開采煤層由上而下有8#、9#、10#、15#四層，距下伏區域的奧陶系灰巖很近，下組煤的開采面臨著奧灰突水的嚴重威脅。

在巷道掘進初期，圍巖在彈性破壞以及塑性破壞共同作用下，應力不能得到及時釋放，隨著與工作面距離的增加，應力才會逐漸釋放，也就是說，巷道的變形量與工作面距離存在空間效應。因此，數值模擬時必須考慮圍巖與工作面的共同作用。巖層參數見表1.

表1 巖層參數表

2 數值模擬模型建立及參數選擇

根據馬堡煤業15#煤地質賦存條件，建立其數值分析模型，模型采用三維模型：模型頂部埋深為220 m，通過模型頂部加載5.7 MPa的垂直應力來代替。模型尺寸為180 m×240 m×70 m；地應力為σ1=σz=5.7 MPa，σ2=σx=6.84 MPa，σ3=σy=6.84 MPa，側壓力系數為λ=1.2；15號煤厚度為3.6 m，煤層及其他各巖層均簡化為水平，即傾角為0°，工作面推進步距取10 m，工作面推進距離達到30 m時一次充填模擬初次來壓，之后工作面每推進20 m進行一次充填模擬周期來壓。

利用水平固定邊界對模型的側面進行約束，垂直方向固定約束模型底部，模型頂部采用14.8 MPa的均布載荷代替上覆巖層的自重，而左右及下邊界可以根據所研究問題，想要反映的現象合理的調整大小。

3 數值模擬結果分析

對采場底板突水影響因素的研究可知，在采取特定的采煤方法時，底板的突水與否受開采空間的大小控制，而開采空間的大小主要體現在工作面斜長。因此，對不同工作面斜長情況下底板的破壞規律展開研究。采煤工作面斜長分別設置為160 m、110 m、60 m，一次性采全高3.6 m，對3種情況下15號煤底板破壞規律分別進行分析，同時也對帶壓開采的安全性做出評價。

1) 工作面斜長160 m時帶壓開采安全性評價。

根據數值模擬結果，在工作面斜長取160 m情況下工作面推進不同距離時的底板破壞規律見圖1. 15號煤底板采空區中部破壞深度及底板最大破壞深度隨工作面推進距離的變化曲線分別見圖2，3.

圖1 工作面斜長160 m時的底板破壞規律圖

圖2 采空區中部底板破壞深度變化曲線圖

圖3 15號煤底板最大破壞深度變化曲線圖

對比圖1，2，3，可以看出：

a) 在采空區中部位置處，當工作面推進50 m距離時其下底板破壞深度達到最大，達14 m；隨后每個周期推進步距時，底板破壞深度基本穩定在12 m. b) 在工作面前端位置處，其底板采動破壞深度最大，并隨著工作面的推進，底板破壞深度不斷增大。當工作面推進到110 m處之后達到最大值，達22 m. c) 工作面推進到50 m位置處時，奧陶系灰巖含水層上方的泥巖內開始出現塑性區，形成承壓水導升帶。隨著工作面推進，承壓水導升帶不斷向上擴展，采動破壞深度也不斷增大。在工作面推進到110 m左右時，承壓水導升帶與采動破壞帶貫通，15號煤底板喪失阻隔水能力，發生底板突水。因此，判斷15號煤帶壓開采安全性較低，有底板突水危險。

2) 工作面斜長110 m時帶壓開采安全性評價。

15號煤底板采空區中部破壞深度及底板最大破壞深度隨工作面推進距離的變化曲線圖分別見圖4，5.

圖4 采空區中部底板破壞深度變化曲線圖

對比圖4，5可以看出：

a) 工作面長度為110 m，在采空區中部位置處，當工作面推進70 m時其底板破壞深度達到最大，達11 m；隨后每個周期推進步距時，底板破壞深度基本穩定在9 m. b) 底板采動破壞深度在工作面前端位置處達到最大，并隨著工作面的推進底板破壞深度不斷增大。當工作面推進到130 m處破壞深度達20 m. c) 工作面推進到50 m位置處時，奧陶系灰巖含水層上方的泥巖內開始出現塑性區，形成承壓水導升帶；承壓水導升帶隨著工作面推進而不斷向上擴展貫通，采動破壞深度也不斷增大。在工作面繼續向前推進到130 m左右時，承壓水導升帶與采動破壞帶貫通，15號煤底板喪失阻隔水能力，發生底板突水。因此，判斷當工作面長度為110 m時開采15號煤安全性較低，有底板突水危險。

圖5 15號煤底板最大破壞深度變化曲線圖

3) 工作面斜長60 m時帶壓開采安全性評價。

在工作面斜長取60 m情況下工作面推進不同距離時的底板破壞規律見圖6. 15號煤底板采空區中部破壞深度及底板最大破壞深度隨工作面推進距離的變化曲線見圖7，8.

圖6 工作面斜長60 m時的底板破壞規律圖

圖7 采空區中部底板破壞深度變化曲線圖

圖8 15號煤底板最大破壞深度變化曲線圖

對比圖6，7，8可以看出：

a) 工作面長度為60 m時，在采空區中部位置處，當工作面推進70 m距離時其底板破壞深度達到最大，達7 m；隨后每個周期推進步距時，底板破壞深度基本穩定在6 m. b) 在工作面前端位置處，其底板采動破壞深度最大，并隨著工作面的推進底板破壞深度不斷增大，當工作面推進到110 m處之后達到最大值，破壞深度達13 m. c) 工作面推進到70 m位置處時，奧陶系灰巖含水層上方的泥巖內開始出現塑性區，形成承壓水導升帶，隨著工作面推進，承壓水導升帶范圍也不斷擴大，但承壓水導升帶僅在緊鄰含水層的泥巖內發育，并未向上部巖層內擴展。工作面長度為60 m時，底板承壓水導升帶與采動破壞帶并未貫通，15號煤底板仍保持阻隔水能力，因此判斷工作面回采時較為安全，無底板突水危險。

對比上述3種工作面斜長條件下底板破壞情況可以得出，工作面斜長對采動破壞深度有顯著影響。當工作面斜長為160 m與110 m時，底板均有突水危險存在；當工作面斜長為60 m時，無底板突水危險存在。因此，可通過采取控制工作面斜長的方法保證帶壓開采的安全性。

4 結 論

在綜合考慮影響底板破壞規律的多種因素的基礎上，結合現場工程地質條件，采用數值模擬的方法，研究了不同工作面斜長條件下馬堡煤業15號煤底板的破壞規律，并對帶壓開采的安全性進行了評價。研究結果表明：工作面斜長是影響底板采動破壞深度極為重要的一項因素，在一次性采全高的前提下，工作面斜長分別取160 m與110 m時開采15號煤產生的采動破壞帶均會與承壓水導升帶貫通，隔水層喪失阻隔水性能進而導致底板突水，而工作面斜長為60 m時則不會發生底板突水，因此可通過采取控制工作面斜長的方法提高帶壓開采的安全性。