高壓含水層上工作面底板變形破壞特征研究

石 磊

（1.煤炭科學研究總院，北京 100013；2.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710054；3.陜西省煤礦水害防治技術重點實驗室，陜西 西安 710054）

隨著煤炭資源的日益消耗，深部煤層的開采已成為采礦行業發展的方向，但在深部煤層的開采過程中所面臨的水文地條件較淺埋煤層而言愈發多變和復雜，易受到高巖溶水壓的威脅[1]。在采動應力和水壓的協同作用下，工作面底板會遭到不同深度和不同程度的破壞，產生導水通道，當導水通道貫穿至高壓含水層時，突水風險大大提高[2-3]。水害不僅會給煤礦生產帶來巨大經濟損失和人身傷亡，而且會造成地下水資源的流失。因此，開展礦井高壓含水層上工作面底板的破壞特征和滲透特性的研究對煤礦安全生產和保護地下水資源具有重要工程意義和理論價值。

在煤礦水害防治方面，眾多專家學者對煤巖體的變形破壞特征和突水規律做了大量理論研究與工程實踐。錢鳴高等[4-5]學者通過分析采場底板的結構特征和破斷規律，提出了隔水“關鍵層”理論，將底板與承壓含水層之間強度最大、承載能力最高的巖層，稱為“底板關鍵層”，為方便應用，“底板關鍵層”可等效為薄板模型，其適用于彈塑性力學理論。朱術云等[6]根據礦山壓力顯現特征，建立了煤層底板應力分析計算模型，并應用彈性力學理論對工作面回采過程中相對固定位置剖面處的應力分布進行了計算求解。在此基礎上，孟祥瑞等[7]通過分析工作面前方支承壓力變化規律，建立了底板任意一點應力計算的彈性力學模型，結合莫爾-庫倫強度準則給出了煤層底板巖層破壞的判據，并通過現場實測驗證了理論分析和模型計算的合理性與準確性。此外，為探究小斷層影響下導水裂隙帶發育情況，黃炳香等[8]通過三維物理相似模擬實驗研究了工作面推進過程中近斷層區域巖體的破斷規律及斷層構造裂隙的發育特征。針對和順礦區的突水問題，王文等[9]將相似材料模擬與數值模擬相結合，分析了15號煤層采動覆巖的導水特征，并對頂板突水危險區進行了劃分。

以上學者從關鍵層理論和應力分布等角度研究了工作面底板的破壞特征，但在采礦工程中底板的變形破壞和突水往往是多因素協同作用的結果，變形與滲流之間相互影響[10-12]，其本質是流固耦合過程，而有效應力能夠更好地反映底板骨架的受力情況。為此，根據邢臺礦區某礦工作面的水文地質資料，應用流固耦合理論、彈塑性理論和有效應力原理，通過COMSOL Multiphysics數值模擬和現場壓水試驗來研究工作面推進距離和含水層水壓對底板應力分布和變形破壞特征的影響。

1 工作面概況

工作面位于礦井東翼一采區，平均煤厚5.09 m，設計走向長度約953 m，傾向寬度約73 m，兩側巷道寬度3.5 m，兩巷高差約20 m。北部通過煤柱與11915工作面相鄰，西部為東一采區運輸上山，東為東翼二采區軌道上山，南為實體煤。工作面距離奧灰含水層頂界面43.5 m，推算奧灰突水系數0.017～0.023。

根據地面三維地震資料，工作面共發育有斷層1條，落差6.5 m，陷落柱1個，補36孔已揭露，位于葛37孔西側，工作面下部，該陷落柱處在奧灰富水條帶內，地下原始平衡一旦破壞，不排除該陷落柱導水的可能性。工作面斷層構造發育情況見表1。

表1 工作面斷層構造發育情況Table 1 Fault structure development of working face

2 流固耦合理論分析

受采動應力和構造應力影響，原巖平衡態被打破，裂隙不斷擴展和貫通，從而形成導水通道，底板破壞帶的滲流特性隨導水通道的變化而變化。與此同時，由于滲流過程中水壓的改變，致使作用于底板骨架的應力重新分布，引起骨架變形與再破壞。因此，高壓含水層上回采工作面底板突水是一個典型的流固耦合過程。底板破壞帶固體骨架所受應力可用太沙基有效應力原理進行計算，而底板巖層屬于多孔介質，水在多孔介質中的流動過程符合Darcy滲流定律。

煤層底板初始受力階段處于彈性變形狀態，此時多孔介質滲流場與應力場耦合方程的應力場方程可表現為[13]：

式中：G為切變模量；v為多孔介質的排水泊松比；Fi、ui（i＝x，y，z）分別為體力和位移在i方向的分量；α為Biot系數，其值與壓縮性能有關；p為孔隙水壓。

聯立流體的質量守恒方程和Darcy定律，可得多孔介質滲流與應力耦合方程的滲流場方程為[14]：

式中：k為巖體的滲透系數；ρw為流體的密度；z為豎直坐標；Qs為體積源；Sα為儲水系數；u為位移；t為時間。

底板持續加載其應力狀態到達彈性極限，巖體發生剪切破壞，可用Drucker-Prager破強度準則進行描述：

式中：I1為應力第一不變量；J2為應力偏量第二不變量；α1、k1為常數；F*為巖石微元強度。

3 數值模擬分析

3.1 有限元數值計算模型

根據工作面的地質資料，建立的二維數值模擬模型如圖1。

圖1 數值模擬模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of numerical simulation model

模型尺寸為200 m×50 m，模型劃分為為1 050個單元。煤層傾角假定為水平，工作面沿煤層走向開采。模型左右邊界采用輥支承，上邊界施加垂直載荷σy=11.3 MPa以模擬模型上覆546 m左右的巖層。此外，下邊界施加垂直位移約束，底部邊界處滲流初始水壓力為3 MPa。

模型左右和上部邊界水壓為0，自模型左端20 m處開挖，第1步開挖30 m，此后每步開挖10 m，共計14步至工作面推進到150 m。模型中各巖層物理力學參數見表2。

表2 各巖層物理力學指標Table 2 Physical and mechanical indexes of each rock layer

3.2 工作面推進距離對應力分布的影響

隨著工作面推進距離的增加，底板的應力分布和孔隙的水壓分布均發生變化，推進距離為60、100 m時垂直應力分布分別如圖2和圖3。

圖2 推進距離為60 m時垂直應力分布Fig.2 Vertical stress distribution when the advancing distance is 60 m

圖3 推進距離為100 m時垂直應力分布Fig.3 Vertical stress distribution when the advancing distance is 100 m

從圖2、圖3可看出，工作面和開切眼附近出現明顯應力集中，拉應力產生于采空區。垂直應力隨著工作面的推進逐漸增加，其中，推進60 m時垂直應力的最大值為22.23 MPa，進尺100 m時垂直應力的最大值為36.72 MPa。但在工作面和開切眼處頂板的應力集中區域明顯大于底板，這就是滲流場對底板的暴露空間的作用，因此工作面的推進對頂板應力與底板應力影響不同。

取切眼頂底板處為監測點。監測點應力變化曲線如圖4。

圖4 監測點應力變化曲線Fig.4 Stress change curves of monitoring point

由圖4可以看出，隨著開采工作面推進，垂直應力逐漸變大。推進30 m時，頂板監測點的垂直應力為13.26 MPa，底板監測點的垂直應力為2.04 MPa；推進150 m時，頂板監測點的垂直應力為36.15 MPa，底板監測點的垂直應力為4.94 MPa。隨著工作面的推進，圍巖應力重新分布，造成應力高度集中。根據流固耦合理論可知底板受到滲流場的作用，產生了一定的弱化作用，形成不穩定因素。由此可得底板的應力環境受到推進距離和滲流場的雙重影響，所以優化開挖工序和做好支護設計對防止底板突水事故顯得尤為重要。

3.3 底板不同深度處孔隙水壓的變化規律

在不同地質條件下含水層水壓是不同的，而孔隙水壓也會隨底板深度的變化而改變。底板孔隙水壓如圖5。以工作面推進距離30 m為例，假設滲流過程只發生在模型底板中，設置1、2、3、4、5 MPa的恒定水壓力。由于摩擦阻力的影響，水在孔隙中滲流時會有能量損失，導致孔隙水壓隨含水層水壓和底板監測深度而變化，其變化規律如圖6。

圖5 底板孔隙水壓Fig.5 Bottom pore water pressure

圖6 孔隙水壓隨監測深度的變化曲線Fig.6 Change curves of pore water pressure with monitoring depth

由圖6可知，承壓水壓力為1 MPa時，底板中心的孔隙水壓力為0.44 MPa，縱深4 m處孔隙水壓力為0.51 MPa，壓差為0.07 MPa；承壓水壓力為3 MPa時，底板中心的孔隙水壓力為1.32 MPa，縱深4 m處孔隙水壓力為1.54 MPa，壓差為0.22 MPa；承壓水壓力為5 MPa時，底板中心的孔隙水壓力為2.20 MPa，縱深4 m處孔隙水壓力為2.56 MPa，壓差為0.36 MPa；由此可得，壓差越大，孔隙水壓梯度越大，體積應變增大，滲流流量增加，底板的有效應力減少，極易發生底板鼓起和底板突水的事故。

工作面推進過程中水壓和上覆巖層應力的改變，促使有效應力發生變化。有效應力與孔壓梯度的變化關系如圖7。有效應力為2.04 MPa時，孔壓梯度為0.018 8；有效應力為4.09 MPa時，孔壓梯度為0.075。有效應力對孔壓力梯度成正相關。分析其原因孔壓梯度表示滲流場流體流動的強弱，有效應力反映了煤巖體骨架變形程度。煤巖體的有效應力越大，其骨架變形程度越小；而煤巖體有效應力越小，其被滲流場弱化程度越大，流體流動所受障礙越大，即孔壓梯度越小。

圖7 孔壓梯度隨有效應力的變化曲線Fig.7 Change curve of pore pressure gradient with effective stress

3.4 底板破壞深度與工作面推進距離的關系

隨著工作面的持續推進，底板在含水層水壓的作用下，發生不同程度的變形和不同深度的破壞，豎向位移隨推進距離的變化曲線如圖8。

由圖8可知，1 MPa時，底板豎直位移的最大值為0.093 m，5 MPa時，底板豎直位移的最大值為0.49 m。二者產生位置幾乎相同，位于2 m左右，呈對稱分布。隨著承壓水壓力的增大，底板的位移不斷變大即底板凸起量的幾率變大。根據上面分析可知，流固耦合作用，水對底板巖層產生弱化作用。

圖8 豎向位移隨推進距離的變化曲線Fig.8 Variation curves of vertical displacement with advancing distance

承水壓2 MPa時，底板裂隙的擴展情況如圖9。工作面的推進致使底鼓現象加強。當工作面推進至30 m時礦壓開始顯現，底板內部的裂隙快速發育、貫通，擴展深度穩定至16.7 m左右。

圖9 底板裂隙擴展發展趨勢Fig.9 Development trend of floor crack expansion

4 底板原位壓水試驗

工作面回采后壓水試驗現場如圖10。

圖10 工作面回采后壓水試驗現場Fig.10 Working face post-mining water pressure test site

底板的水害防治要點是：探明底板充水水源、導水通道和水力補給等因素。開采擾動會導致底板生成裂隙，形成導水通道。目前，探測導水通道的技術主要有：聲波成像法、鉆孔窺視法、注水試驗法和雷達探測技術等，其中注水試驗法具有探測精度高和可靠性強的優點。

因此，為精確了解開采擾動對底板裂隙發育的影響，采用壓水儀器測試裝置，對工作面開采前后的底板破壞深度進行測試。根據該工作面回采來壓步距，現場初步設計4個俯向鉆孔，終孔端部距底板的高度是16、19、21 m。探測鉆孔布置示意圖如圖11。詳細的監測區域為-65～+130 m，即超前65 m和采空區后130 m，鉆孔漏失量監測結果如圖12。圖中：橫坐標為監測點與工作面的距離，“+”為工作面前方的監測點；“-”為工作面后方布置的監測點。

圖11 探測鉆孔布置示意圖Fig.11 Diagram of layout of probe borehole

圖12 鉆孔漏失量監測結果Fig.12 Monitoring results of borehole leakage

1）1#鉆孔流失量。1#鉆孔深較淺，其平均流量最大，表明礦壓對此處破壞影響嚴重。超前工作面-65～-10 m底板在上覆煤層的作用下承受較大的垂向應力，但是整體比較的完整。因此在超前工作面-65～-10 m孔的平均流量小，趨近于0。-10～10 m，鉆孔漏失量明顯增大，采空區后方10 m處漏失量達到1.4 m3/h，此處底板受到影響顯著，原生裂隙擴展貫通并形成二次裂隙。+10～+30 m上覆巖的下落產生了壓實作用，對底板裂隙的發展起到了阻礙作用，表現漏失量有小范圍的跌落。+30～+45 m量變大，且+37 m漏失量至于最大1.7 m3/h，表明此處裂隙的擴展程度最大。而后，漏失量下降，在觀測點60 m之后鉆孔漏失量穩定在1.2 m3/h。

2）2#、3#鉆孔漏失量。隨著工作面的推進，2#、3#鉆孔漏失流量基本沒有變動，平均流量在0.02～0.09 m3/h之間，原因是底板內部原生裂隙造成漏失現象的產生，也說明該位置處的巖體完成度較高。

現場利用注水試驗法探測得底板裂隙發育深度16 m左右，數值計算得出底板裂隙的發育深度16.5 m，數值計算與注水試驗的影響范圍一致，二者高度吻合。

5 結 語

1）隨著工作面開采距離的不斷增大，頂底板的應力集中性現象越發明顯，推進30 m時頂板和底板監測點的垂直應力為13.26、2.04 MPa，推進150 m時頂板和底板監測點的垂直應力為36.15、4.94 MPa。

2）底板孔隙水壓隨含水層水壓的增大而增大，其孔壓梯度與有效應力呈正相關關系。煤巖體有效應力越大，其骨架變形程度越小，形成穩定的導水通道。

3）對工作面開采前后的底板破壞深度進行測試，得出裂隙發育深度在16 m左右，在采空區后37 m漏失量最大值為1.7 m3/h，這與數值計算結果一致。