基于FLAC3D 的煤礦頂板突水的模擬分析

侯意成

（山西長治郊區(qū)三元南耀小常煤業(yè)有限公司，山西 長治 046000）

0 引 言

國內大多數(shù)煤礦的地質和水文環(huán)境比較復雜，隨著煤礦的開采，開采的深度逐漸加深，由于地質和水患而引發(fā)的斷層、地陷、井下突水等危害，致使煤礦事故頻發(fā)，嚴重影響了煤礦的正常的開采。據(jù)統(tǒng)計，全國40%的煤礦受水患危害的影響，以小莊煤礦為研究對象，為了煤礦安全高效的生產(chǎn)，保證工人的人身安全，對礦井地質和水文的研究具有重大而深遠的意義[1-5]。

1 礦區(qū)地質水文情況

小莊煤礦位于長武縣內的孟村和安化的交界處的彬長礦區(qū)，小莊煤礦皺褶發(fā)育，在勘探的過程中，發(fā)現(xiàn)有10 條小落差的斷層，斷層傾角35°～74°，落差0～36m，延伸長度 270 ～1610m.導水性較差，未發(fā)現(xiàn)大斷層[6-8]。

1.1 小莊礦區(qū)水文環(huán)境

小莊煤礦位于中緯帶，屬于高原區(qū)，冬旱夏熱，年降雨量為561.4mm 小于年蒸發(fā)量1547mm，平均年降雨量隨地域而變化，川道小于北塬，北塬小于南塬。

1）含水層，根據(jù)勘探資料，自上而下，小莊煤礦的的含水層分為洪積層孔隙潛水含水層、裂隙潛水含水層、新近系砂卵礫含水層段、裂隙含水層、白堊系下統(tǒng)宜君組礫巖裂隙含水層、侏羅系中統(tǒng)直羅組砂巖裂隙含水層、侏羅系中統(tǒng)延安組煤層及其頂板砂巖含水層。

2）隔水層，根據(jù)勘探資料，自上而下，小莊煤礦的隔水層分為紅土隔水層段、華池組相對隔水層、安定組泥巖隔水層、富縣組隔水層。

3）充水因素，根據(jù)勘探及實際資料，小莊煤礦充水因素主要有降雨量、地表水、地下水、老窯積水等。

4）充水通道，根據(jù)勘探及實際資料，小莊煤礦充水通道主要有采動裂隙、斷層帶、封閉不嚴的鉆孔等。

2 小莊礦區(qū)含水層富水性分析

小莊煤礦原含水層為侏羅系延安組煤系裂隙和直羅組砂巖裂隙，其富水性都比較弱，對礦井的危害性不大，但隨著煤礦的開采，發(fā)育和形成了導水裂隙帶，有可能造成地下水和礦井涌（突）水的危害。

2.1 煤層頂板富水性分析

1）含水性，忽略次要因素的影響，理論上含水層越厚，單位體積的含水層的含水量就越大。

2）涌水量，在小莊煤礦礦區(qū)不同區(qū)域，鉆取5 處水文孔，抽水做試驗。由表1 可知，其涌水量為0.0994L/s·m～0.3127L/s·m，其含水層屬于富水性弱。

表1 水文孔試驗各參數(shù)值

3）滲透系數(shù)，滲透系數(shù)的主要影響因素為巖石的粒度成分、顆粒排列、充填情況、裂隙性質和發(fā)育程度等，次要因素為水的容重和粘度等，依據(jù)小莊煤礦5處水文孔的抽水試驗結果，做出含水層的滲透系數(shù)等值線如圖1 所示，其滲透系數(shù)為0.15m/s～0.65m/s。

圖1 小莊煤礦滲透系數(shù)等值線圖

2.2 煤層頂板富水性預測

表2 含水層分區(qū)劃分表

圖2 富水性分區(qū)圖

根據(jù)上述對小莊煤礦水文和地質的含水層厚度、單位涌水量及滲透系數(shù)分析，將井田內的含水層分為三個區(qū)域，分別為富水性較強區(qū)、富水性中等區(qū)、富水性較弱區(qū)，各參數(shù)如表2 所示，其具體位置示意圖如圖2 所示。

3 工作面采動性的FLAC3D 模擬分析

3.1 莫爾一庫侖屈服準則

煤層在開采的過程中，為了提高頂板冒裂安全性，必須保證導水裂隙帶高度不能觸及充水含水層，而開采煤層的厚度、覆巖的物理巖性、煤層開采傾角、采煤工藝、煤層頂板管理方法都能影響導水裂隙帶高度。本文查閱相關資料及文獻，根據(jù)莫爾一庫侖屈服準則判斷巖石是否被破壞，一般應力狀況下，當fs＞0時，巖石將會被剪切。

式中：σ1為最大應力，MPa；σ3為最小應力，MPa；c 為巖石粘結力，MPa；θ 為摩擦角，°。

3.2 模擬回采時過程的FLAC3D 分析

煤層在開采的過程中，破壞了巖石原始力學平衡態(tài)，使得巖石層發(fā)生變形、被剪切、位移。查閱相關文獻及資料，在開采緩傾斜中厚煤層過程中，使用長壁全部冒落法，當開采深度和開采高度比值大于40 時，巖石會破壞，出現(xiàn)從上而下的冒落帶、裂隙帶及彎曲下沉帶。

1）巖層初始應力狀態(tài)，以小莊煤礦4# 煤層的工作面為研究對象，該煤層主要為泥巖和炭質泥巖，偽頂零星分布著0.5mm 的炭質泥巖，直接頂主要為泥巖及薄煤層，老頂主要為砂質泥巖，局部區(qū)域有中細砂巖，底板主要為泥巖和炭質泥巖等。為了確保工作面回采安全，忽略次要影響因素，根據(jù)工作面勘探數(shù)據(jù)建立FLAC3D模型。

根據(jù)實際勘探結果和實際情況對各參數(shù)賦值，通過軟件計算生成應力場，得到各單元應力均大于10-6數(shù)量級，達到應力平衡的要求，各區(qū)應力如圖3 所示，該結果表明巖石結構比較穩(wěn)定，具備開挖條件。

圖3 各煤層初始應力云圖

2）工作面模擬開采，嚴格按照回采工藝，以采煤機掘進方向為X 軸正方向，設置200m 的采寬，回采深度600m，步距20m，分30 步完成回采整個回采過程。

當回采60m 時，老頂沒有產(chǎn)生塑性變形，但直接頂有1～3m 的破壞，使用FLAC3D軟件模擬得到最大應力圖，如圖4 所示。由圖4 可知，前后煤壁所受最大應力為23.5MPa，受煤層自重影響，當煤層某處采空后，兩側巖石會向采空處均勻地移動，其應力區(qū)也呈現(xiàn)U 型分布。

圖4 回采60m 時最大應力分布圖

當回采200m 時，直接頂和老頂全部破壞，有72m 的索性變形區(qū)，如圖5 所示，前后煤壁所受的最大應力為21.5MPa。

圖5 回采200m 時煤層索性變形區(qū)圖

當回采600m 時，直接頂、老頂、上覆基巖層全部被破壞，有176m 的冒落帶和裂隙帶，前后煤壁所受最大壓應力24.6MPa。采空區(qū)索性破壞呈對稱分布，地表因受拉應力作用，使得地面具有明顯有地陷下沉的趨勢，出現(xiàn)冒落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶等現(xiàn)象，如圖6 所示。

圖6 回采600 m 時最大應力分布圖

根據(jù)上述對工作面的模擬開采，當開采到60m時，頂板初次來壓；當開采到600m 時，冒裂帶高度最大176m，采裂比為13.5。

3.3 回采突水性預測

結合上述FLAC3D的模擬結果，應用三圖- 雙預測的研究理論，按照表2 的含水層的劃分方法，將小莊煤礦含水層危險性劃分為4 個級別的10 大區(qū)域，分別為危害性大區(qū)、危害性較大區(qū)、危害性中等區(qū)、危害性較小區(qū)，如圖7 所示。

圖7 含水層突水性預測分析表

4 結 論

通過分析小莊煤礦的水文地質情況，結合參考文獻及相關資料，應用FLAC3D軟件分析預測了礦區(qū)含水層突水危害性的大小，針對頂板突水，提出以下幾點防護措施：

1）水類方面，對地表水、地下水、降雨量、老窖積水等不同的水類，進行有針對性的防護措施。

2）技術方面，使用物探和鉆探的方法進行超前檢查和異常區(qū)驗證，研究其突水機理和方式，提出有效的防護措施。

3）含水層突水，針對礦區(qū)不同區(qū)域含水層突水危害性的強弱采取相應的防護措施，對于危害性大的區(qū)域要加強防護，并及時勘探，注意含水層水量的變化情況，做到有的放矢。