煤層的采掘?qū)Φ刭|(zhì)異常體影響的數(shù)值分析

（安徽建筑大學，安徽 合肥 230000）

1 引言

地質(zhì)異常體是一種特殊的地質(zhì)構(gòu)造，主要分布在我國北部。其構(gòu)造的復(fù)雜性導(dǎo)致突水仍然具有很大的可預(yù)測性和不可控制性。目前對其處理方式多為采前注漿以及煤層的采掘時對其進行監(jiān)控。地質(zhì)異常體的滲透，由骨架結(jié)構(gòu)和骨架中的填充物決定。許多地質(zhì)異常體處于無法活動狀態(tài)，各種各樣的骨料把框架中的縫隙填滿。此時，固結(jié)程度和填土含水量是決定地質(zhì)異常入滲特征的重要因素。在采動影響下，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)裂隙容易發(fā)生失穩(wěn)，水流的滲流使其內(nèi)部填隙物流失，形成突水通道，奧陶系灰?guī)r水是為了引起水的侵入而連接在煤層地板上的。從沉降塔流入的水是最嚴重的類型的水災(zāi)，其特征是遲延和突然。目前，延遲突水機制的研究主要關(guān)于地板破壞的時間影響上，但是關(guān)于在礦業(yè)影響下斷層結(jié)構(gòu)的水傳導(dǎo)和水流入延遲機制的研究相對較少。但是，崩塌專欄的水轉(zhuǎn)換水路，通常由煤層地板和異常體構(gòu)成，有些異常體，甚至直接成為煤層和帶水層之間的水轉(zhuǎn)換水路。必須對地質(zhì)異常體有充分的認識，在了解認識的基礎(chǔ)上去盡量減小對煤層開挖的不利影響。

地質(zhì)異常體是隱伏巖溶的一種特殊類型，它是巖溶巖體因水溶性崩塌而形成的。通過對中國南部與北部主要礦區(qū)地質(zhì)異常體突水資料的分析，認為地質(zhì)異常體成為垂直突水通道有三個基本條件：①地質(zhì)異常體所在地段的巖溶含水層富水；②有一定的水頭壓力；③地質(zhì)異常體膠結(jié)不良，導(dǎo)水性好。在實際施工過程中，開挖工程接近強含水巖溶地質(zhì)異常體，含水巖溶地質(zhì)異常體出水孔不能得到強烈控制，或強含水巖溶地質(zhì)異常體的圍巖區(qū)被來回鉆孔破壞，在礦井流水侵蝕、地質(zhì)運動等因素的作用下，地質(zhì)異常體圍巖應(yīng)力變化，應(yīng)力集中區(qū)減小，突降應(yīng)力范圍增大，周圍的巖石傳導(dǎo)水的能力被強化，并且由于防止突水通道，限制的能力變?nèi)?。發(fā)現(xiàn)礦床效應(yīng)是地質(zhì)異常體突水事故的重要誘因。地質(zhì)異常體的本來平衡狀態(tài)在開采過程中被破壞，當關(guān)鍵層突破時形成水的突入。根據(jù)突入的理論分析，礦業(yè)過程中崩塌柱破壞的本質(zhì)是礦床應(yīng)力場和滲透場的相互作用。滲透壓引起巖石周圍崩塌柱的變形，挖掘的應(yīng)變也改變了滲透系數(shù)，導(dǎo)致滲透場和應(yīng)力場的結(jié)合。

巖體力學參數(shù)表 表1

工作面采動對地質(zhì)異常體的數(shù)值模擬

為了探明昌恒煤礦9102工作面其煤層周圍地質(zhì)異常體的含水、導(dǎo)水性，對其進行了具體的鉆孔取樣分析，探查成果表明：地質(zhì)異常體（地質(zhì)異常體）平面上呈不規(guī)則的橢圓形，長度約47m，短軸約19m，距離9102機巷最近距離14.5m；地質(zhì)異常體內(nèi)垮落物4/5為硅質(zhì)和泥質(zhì)，上部集中有鐵鎂鈣，越往下氧化鋁、氧化鎂、氧化硅和氧化鉀含量越多，氧化鈉、氧化鈣和三氧化二鐵的含量則越少，其內(nèi)部各種巖石膠合情況良好，嚴實緊密。成果探明X1地質(zhì)異常體含水性較差，柱體的鉆孔都沒有出現(xiàn)明顯的出水；4102工作面開采跨越地質(zhì)異常體時，工作面涌水量尚未出現(xiàn)明顯的增加，開采實踐表明X1地質(zhì)異常體的導(dǎo)水特性較差。

通過FLAC3D，結(jié)合9102工作面現(xiàn)場實際，利用計算機模型模擬研究9102工作面采動對地質(zhì)異常體的影響，工作面具體力學參數(shù)表見表1。

2 模型建立

根據(jù)現(xiàn)場工程實踐，對模型進行了一定程度的簡化，以獲得更為普遍的規(guī)律。模型的長度為300m(x方向)，每10m 有一條杠。寬度200m（y方向），高度155.5m（z方向）。模型共15800個網(wǎng)格，17732個節(jié)點。煤層順走向開挖，工作面寬度取100m。根據(jù)現(xiàn)場鉆孔資料，設(shè)置地質(zhì)異常體位于x=150m處，距離9102工作面14m，頂部冒落位于地表黃土層，底部到達含水層。

如圖1所示，本次數(shù)值分析地質(zhì)異常體直徑為32m，通過對模擬結(jié)果進行切片，對比工作面的再次開掘過程中采場、地質(zhì)異常體塑性區(qū)、應(yīng)力以及位移變化規(guī)律。

圖1 地質(zhì)異常體數(shù)值分析模型

3 模擬設(shè)計

根據(jù)工作面埋深，在模型上部施加5MPa的補償應(yīng)力，頂板在工作面推進過程中不受特殊支撐，而是根據(jù)實際情況允許自行下落。在混凝土巖體參數(shù)不變的條件下，設(shè)計了表2所示的開采方案。

工作面回采模擬方案 表2

地質(zhì)異常體在工作面回采時應(yīng)力峰值變化統(tǒng)計 表3

4 結(jié)果分析

4.1 應(yīng)力分析

首先對地質(zhì)異常體周圍應(yīng)力變化進行分析，如下圖2，為了更為直觀的了解，我們將其應(yīng)力峰值統(tǒng)計為表3。

圖2 開采過程中的應(yīng)力變化

對比分析可知：

①應(yīng)力集中情況因為地質(zhì)異常體的影響而得到改善；

②地質(zhì)異常體對回采的影響具體表現(xiàn)為兩個方面：一是工作面接近地質(zhì)異常體時，應(yīng)力峰值基本穩(wěn)定，但是峰值位置與工作面距離縮短；二是通過地質(zhì)異常體后峰值應(yīng)力明顯減小，但峰值應(yīng)力的位置和工作面的距離得到恢復(fù)，峰值應(yīng)力和距離呈現(xiàn)不協(xié)調(diào)現(xiàn)象。

4.2 位移分析

回采步續(xù)下地質(zhì)異常體位移云圖，見圖3。

對比分析可知；工作點回采過程中，地質(zhì)異常體的變形階段與破壞階段基本一致，特別是回采前后30m范圍內(nèi)，地質(zhì)異常體變形明顯，主要是由于巖體松散破碎，采動影響下巖體被壓縮，出現(xiàn)位移變化；地質(zhì)異常體范圍越大，回采造成的位移變化也越大。

圖3 回采過程中地質(zhì)異常體的位移變化

通過模擬，可得到以下規(guī)律：

①含地質(zhì)異常體條件下，隨工作面推進，需要重點關(guān)注工作面前后50m，此范圍內(nèi)工作面超前應(yīng)力峰值與距離表現(xiàn)為非協(xié)調(diào)變化，但是整體上應(yīng)力集中程度得到緩解。

②隨工作面推進，回采對地質(zhì)異常體的影響范圍主要為頂部至底板下方40m；工作面過地質(zhì)異常體后30m范圍內(nèi)，地質(zhì)異常體的破壞發(fā)展存在上下貫通的趨勢；工作面過地質(zhì)異常體前后30m范圍內(nèi)，地質(zhì)異常體存在位移明顯變化階段，地質(zhì)異常體范圍越大，回采造成的位移變化也越大。

4.3 再次的開掘過程中地質(zhì)異常體彈塑性變化

由以上文分析可知，煤層的采掘的前段工程對地質(zhì)異常體的影響不大，需要重點關(guān)注煤層的采掘距離地質(zhì)異常體近距離位置。地質(zhì)異常體圍巖塑性區(qū)如圖4。

圖4 再次的開掘過程中地質(zhì)異常體塑型區(qū)域變化

對比分析可知：

①工作面的再次開掘過程中，底板的破壞深度一般發(fā)展至20m；接近地質(zhì)異常體時，側(cè)向端頭部分最大達到30m，主要原因為一是由于端頭部分屬于應(yīng)力集中區(qū)，破壞程度較高；二是地質(zhì)異常體基本由散體組成，整體強度及完整性較低，對于底板破壞的發(fā)展起到促進作用。

②工作面回采對地質(zhì)異常體的影響范圍主要為頂部至底板下方40m，且地質(zhì)異常體直徑越大，影響范圍也越大，特別是工作面過地質(zhì)異常體后30m范圍內(nèi)，地質(zhì)異常體的破壞發(fā)展存在上下貫通的趨勢。如果想要對地質(zhì)異常體的破壞進行有效地控制，那么采取注漿加固措施就是可行的。

5 結(jié)語

由模擬所示的結(jié)果，可以得到煤層采動對地質(zhì)異常體的影響規(guī)律：

隨工作面推進，需要重點關(guān)注工作面接近地質(zhì)異常體前后20m，此范圍內(nèi)工作面超前應(yīng)力峰值與距離表現(xiàn)為非協(xié)調(diào)變化，應(yīng)力突然增大。工作面掘進越深，地質(zhì)異常體周圍圍巖位移不斷增大，在工作面過地質(zhì)異常體時，位移增大較為明顯，以及煤層的采掘擾動導(dǎo)致地質(zhì)異常體的破壞發(fā)展存在上下貫通的趨勢，但其尚未完全貫通。

綜上所述，地質(zhì)異常體環(huán)節(jié)工作面的應(yīng)力集中程度，開采前最好利用注漿加固技術(shù)進行防治，實際回采過程中，對工作面過地質(zhì)異常體前后20m需要加強現(xiàn)場監(jiān)控。