18112 工作面覆巖導(dǎo)水裂隙發(fā)育和滲流規(guī)律模擬分析

田彥斌

（山西西山晉興能源有限責(zé)任公司斜溝煤礦，山西 興縣 033602）

1 工程概況

山西晉興能源有限公司斜溝煤礦位于呂梁山脈的西北端，礦井主要開采8#和13#煤層。8#煤層位于山西組下部，煤層平均厚度為4.87 m。煤層直接頂為泥巖，均厚為3.14 m；基本頂為中粗粒砂巖，均厚為9.9 m；直接底為細(xì)粒砂巖，均厚為3.4 m；基本底為中細(xì)粒砂巖，均厚為3.4 m。煤層地表主要為黃土丘陵、澗地和川臺(tái)地等，井田內(nèi)的地勢(shì)主要呈現(xiàn)為西北高、中部底的特征，井田范圍內(nèi)溝谷地形較多，具體地表地形如圖1。根據(jù)礦井地質(zhì)資料可知，井田范圍內(nèi)的溝谷主要為沖溝，長(zhǎng)度基本在1.0～7.3 m 范圍內(nèi)，寬度在5～57 m 范圍，深度在4～60 m 范圍。

18112 工作面位于8#煤層11 采區(qū)，工作面對(duì)應(yīng)的地表區(qū)域起伏較大，工作面頂板的主要含水層為砂巖裂隙水，且砂巖裂隙水又與地表水之間存在密切的聯(lián)系。井田范圍內(nèi)存在著三條河流，分別為湫水河、蔚汾河和嵐漪河。具體工作面布置形式及其與溝谷的位置關(guān)系如圖1。現(xiàn)為防止工作面回采期間導(dǎo)水裂隙帶與頂板砂巖裂隙水出現(xiàn)貫通，特進(jìn)行工作面回采期間導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育規(guī)律的分析。

圖1 18112 工作面布置位置及其與溝谷位置關(guān)系示意圖

2 覆巖裂隙發(fā)育規(guī)律

為充分分析18112 工作面回采過(guò)程中溝谷區(qū)域覆巖裂隙的發(fā)育規(guī)律，現(xiàn)采用RFPA 數(shù)值模擬軟件，結(jié)合工作面各項(xiàng)特征，建立長(zhǎng)×高=400 m×220 m的數(shù)值模型。模型從地表建立到13#煤層的底板，設(shè)置模型溝谷深度×寬度=60 m×25 m，并在工作面兩端各留設(shè)50 m 的保護(hù)煤柱，設(shè)置工作面每步開挖10 m，固定模型左右兩側(cè)水平方向的位移，模型底板水平和豎直方向的位置均固定[1-2]。具體數(shù)值模擬模型圖如圖2。

圖2 數(shù)值模擬模型示意圖

基于數(shù)值模擬結(jié)果，能夠得出工作面不同推進(jìn)長(zhǎng)度下溝谷區(qū)域覆巖裂隙帶的發(fā)育規(guī)律。現(xiàn)具體分析工作面回采60 m、80 m、120 m、150 m、200 m、250 m 時(shí)覆巖的損傷特征，覆巖損傷情況如圖3。

圖3 工作面回采不同長(zhǎng)度下覆巖損傷特征圖

分析圖3 可知，工作面回采初期，上覆巖層的發(fā)育范圍相對(duì)較小；當(dāng)工作面回采推進(jìn)80 m 后，工作面覆巖上方聲發(fā)射事件呈現(xiàn)出明顯增大的特征；在工作面推進(jìn)120 m 時(shí)，工作面已經(jīng)回采推進(jìn)至地面溝谷區(qū)域下坡的底部區(qū)域，采動(dòng)影響下覆巖的破壞范圍逐漸擴(kuò)展至溝谷的下坡段，此時(shí)巖層的損傷程度出現(xiàn)明顯加劇發(fā)育的特征，聲發(fā)射最密集的區(qū)域在工作面正上方直至地表的巖層內(nèi)，稱該區(qū)域?yàn)榱严兜某珊藚^(qū)，該區(qū)域內(nèi)縱向裂隙和離層裂隙顯著發(fā)育；當(dāng)工作面回采推進(jìn)150 m 時(shí)，工作面回采推進(jìn)至溝谷底部下部，覆巖主要發(fā)生壓破壞，上覆巖層聲發(fā)射事件數(shù)量大量增大；隨著工作面的進(jìn)一步推進(jìn)，在工作面進(jìn)行迎坡推進(jìn)作業(yè)時(shí)，覆巖間的錯(cuò)動(dòng)現(xiàn)象出現(xiàn)加劇發(fā)育現(xiàn)象，且覆巖內(nèi)裂隙的成核區(qū)域的現(xiàn)象發(fā)育較為明顯。

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，結(jié)合上述分析確定18112工作面回采作用下上覆巖層垮落帶發(fā)育高度為12 m，導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度為38 m。其中裂隙演化規(guī)律中的裂隙成核區(qū)為主要的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育區(qū)域，工作面推進(jìn)至溝谷底部下方時(shí)，擴(kuò)展的分支裂隙數(shù)顯著增大，導(dǎo)水裂隙帶較為發(fā)育，且在溝谷區(qū)域裂隙帶的下滲通道也較為發(fā)達(dá)。

3 工作面開采水流場(chǎng)分布規(guī)律

3.1 模型的建立

為保障18112 工作面回采期間的安全，基于上述數(shù)值模擬結(jié)果可知，工作面在回采推進(jìn)至溝谷區(qū)域時(shí)，在工作面推進(jìn)至溝谷底部時(shí)，回采動(dòng)壓對(duì)上覆巖層的動(dòng)壓影響已經(jīng)致使工作面頂板裂隙與地表之間貫通，此時(shí)溝谷區(qū)域的地表積水會(huì)順著裂隙滲入工作面，進(jìn)而導(dǎo)致突水事故的出現(xiàn)。故現(xiàn)為保障工作面安全回采，采用COMSOL 數(shù)值模擬軟件進(jìn)行工作面回采情況下裂隙水流場(chǎng)演化規(guī)律的模擬分析[3-4]。

根據(jù)18112 工作面的地質(zhì)條件，建立長(zhǎng)×高=400 m×220 m 的數(shù)值模型。數(shù)值模型中的裂隙分布依據(jù)RFPA 的模擬結(jié)果設(shè)置，設(shè)置模型中模型底部邊界和溝谷底部的水源區(qū)域?yàn)榱鲃?dòng)邊界，其余邊界為不流動(dòng)邊界，設(shè)置模型底部水頭壓力為0，在溝谷底部水源處設(shè)置水頭壓力，模型中各個(gè)分層的水頭壓力根據(jù)巖層高度進(jìn)行計(jì)算確定[5]，并結(jié)合頂?shù)装鍘r層特征進(jìn)行各巖層物理力學(xué)參數(shù)的賦值。基于斜溝煤礦地質(zhì)資料，結(jié)合雨季溝谷匯水情況統(tǒng)計(jì)結(jié)果，設(shè)置溝谷的水深5 m，水頭壓力0.05 MPa，模型建立完畢后進(jìn)行工作面回采作業(yè)下滲流場(chǎng)流速分布規(guī)律的分析。

3.2 模擬結(jié)果分析

（1）工作面回采時(shí)滲流場(chǎng)分布規(guī)律

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，得出工作面在不同推進(jìn)長(zhǎng)度下滲流場(chǎng)的分布規(guī)律。現(xiàn)具體對(duì)工作面推進(jìn)0 m、60 m、150 m、200 m、220 m 和280 m 時(shí)滲流場(chǎng)的分布進(jìn)行出圖，具體如圖4。

圖4 工作面推進(jìn)不同長(zhǎng)度下滲流場(chǎng)分布規(guī)律圖

分析圖4 可知，隨著工作面回采作業(yè)的進(jìn)行，工作面與溝谷之間的水平距離逐漸減小。在工作面推進(jìn)120 m 時(shí)，頂板巖層的損傷破壞區(qū)已經(jīng)發(fā)展至溝谷水源區(qū)域形成了導(dǎo)水通道，致使工作面上方的滲流速度急劇增大；隨著工作面在溝谷區(qū)域的進(jìn)一步推進(jìn)，覆巖導(dǎo)水裂隙帶進(jìn)一步發(fā)育，地表溝谷區(qū)域水源的滲流速度進(jìn)一步增大，在工作面回采推進(jìn)200 m 時(shí)，工作面上方滲流速度達(dá)到最大值為2.43×10-3m/s；隨后工作面以回采推過(guò)溝谷區(qū)域，隨著回采作業(yè)的進(jìn)行，覆巖內(nèi)水體滲流速度逐漸減小，且采空區(qū)中部的流速小于工作面區(qū)域附近的流速，這是由于工作面推進(jìn)過(guò)溝谷區(qū)域后，溝谷下方的導(dǎo)水裂隙會(huì)逐漸被壓實(shí)，進(jìn)而能夠阻止水的滲流。

（2）滲流量演化規(guī)律分析

同樣根據(jù)模擬結(jié)果能夠得出工作面不同回采長(zhǎng)度下覆巖頂板單位厚度水流量的變化規(guī)律如圖5。

分析圖5 可知，隨著工作面推進(jìn)與溝谷區(qū)域水平距離的減小，頂板單位厚度的滲流量逐漸增大。在工作面推進(jìn)120 m 時(shí)，工作面處于溝谷下坡的底部，頂板單位厚度的滲流量急劇增大，單位滲流量增大為7.41×10-5m3/s；在工作面推進(jìn)200 m 時(shí)，頂板單位厚度的滲流量進(jìn)一步增大，單位滲流量達(dá)到最大值，為1.37×10-4m3/s，此時(shí)工作面最易發(fā)生突水事故；當(dāng)工作面推進(jìn)250 m 后，即工作面推進(jìn)到溝谷上坡段的中部時(shí)，頂板單位的滲流水量明顯下降，其值為6.62×10-6m3/s；隨著工作面的推進(jìn)，頂板單位滲流水量會(huì)進(jìn)一步減小，此時(shí)工作面發(fā)生突水的危險(xiǎn)性大大降低。

圖5 工作面推進(jìn)不同長(zhǎng)度下頂板水流量柱狀圖

3.3 防治水建議

在工作面推進(jìn)120 m（工作面處于溝谷下坡的底部）～工作面推進(jìn)250 m（工作面處于到溝谷上坡段的中部）時(shí)，工作面存在著較大的突水危險(xiǎn)性。故在工作面回采至該區(qū)域時(shí)，應(yīng)提前采取超前注漿預(yù)堵水和地表水抽水相結(jié)合的防治水措施。

4 結(jié)論

根據(jù)18112 工作面地表溝谷區(qū)域的特征，采用數(shù)值模擬分析確定工作面上覆巖層垮落帶的發(fā)育高度為12 m，導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度為38 m，在溝谷下方工作面導(dǎo)水裂隙與地表相貫通；工作面回采至溝谷下坡的底部（推進(jìn)120 m）～溝谷上坡段的中部（推進(jìn)250 m）時(shí)，工作面存在著較大的突水危險(xiǎn)性，應(yīng)提前采取超前注漿預(yù)堵水和地表水抽水結(jié)合的防治水措施，以保障工作面的安全回采。