緩傾斜近距離煤層群開采流固耦合相似模擬覆巖運移規(guī)律研究

晏 濤，易四海，夏向?qū)W

(華北科技學(xué)院，河北 三河 065201)

靈新煤礦位于寧夏回族自治區(qū)靈武市寧東鎮(zhèn)境內(nèi)，主要煤系地層為侏羅系中下統(tǒng)(J1-2y)延安組，其特點是含水層厚、多煤層、緩傾斜且賦存穩(wěn)定。現(xiàn)開采六采區(qū)，主要可采煤層自上而下分別為14#煤、15#煤和16#煤，各煤層間距在15m左右，14#煤上方18.4m、120.3m及176.4m處分別是K4、K3及K2含水層。由于兩相鄰可采煤層間距很近，上部煤層開采后會在殘留煤柱周圍形成應(yīng)力集中，使得下部煤層開采區(qū)域的頂板結(jié)構(gòu)和應(yīng)力環(huán)境發(fā)生變化[1]。在這種頂板條件下開采下部煤層，會導(dǎo)致覆巖重復(fù)破壞進而出現(xiàn)頂板異常垮落的現(xiàn)象。頂板異常垮落會形成連通工作面和含水層間的縱向?qū)严叮构ぷ髅娲嬖谕凰[患。為此，必須采取有效手段預(yù)防近距離煤層群開采過程中突水災(zāi)害的發(fā)生。

針對煤層群開采時上覆巖層運移規(guī)律，國內(nèi)學(xué)者開展了大量研究工作。黃慶享等[2]研究了淺埋近距離煤層重復(fù)采動下覆巖裂隙二次發(fā)育機理，構(gòu)建了裂隙擴張模型并給出了計算公式；馬海峰等[3]指出近距離煤層群疊加開采時位移量會出現(xiàn)疊加增長效應(yīng)，上部煤層的開采會緩和下部煤層開采時的礦山壓力；王創(chuàng)業(yè)等[4]研究了單煤層開采和重復(fù)采動下礦壓及裂隙演化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)重復(fù)采動下覆巖裂隙增多、來壓步距減短；楊國樞等[5]發(fā)現(xiàn)下部特厚煤層開采會導(dǎo)致直接頂向更遠處發(fā)展，形成“垮落帶疊加”的覆巖結(jié)構(gòu)；胡青峰等[6]研究了重復(fù)開采下覆巖垮落及離層規(guī)律，發(fā)現(xiàn)了重復(fù)開采會導(dǎo)致彎曲下沉帶上方出現(xiàn)新的導(dǎo)水裂隙帶。由于地質(zhì)條件和煤層發(fā)育的差異，很難用一套理論標準來總結(jié)近距離煤層群開采的覆巖運移規(guī)律。以靈新煤礦14#煤、15#煤、16#煤層為研究對象，采用理論分析、對比分析、流固耦合相似模擬等研究手段，研究緩傾斜近距離煤層群重復(fù)開采覆巖破壞規(guī)律和水動力演變規(guī)律，為工作面隔水煤柱的留設(shè)提供依據(jù)。

1 工程地質(zhì)條件

靈新煤礦位于磁窯堡向斜西翼，六采區(qū)開采下組14#、15#、16#煤，煤層采厚分別為2.78m、3.18m、4.28m，煤層間距分別為17.3m、11.3m，傾角約10°。每層煤開采兩個工作面，工作面采寬180m左右。煤層群頂板充水水源主要為延安組K2、K3、K4含水層。巖層主要力學(xué)性質(zhì)及厚度，見表1。

表1 巖層主要力學(xué)性質(zhì)及厚度表

2 流固耦合相似模擬材料研制

流固耦合相似材料的配制要求模型和原型對應(yīng)部分在材料的物理和力學(xué)性能上相似，才能將模型上觀測到的數(shù)據(jù)換算成原型上的求解數(shù)值[7]。

2.1 隔水層材料研制

1)骨料。為了滿足相似材料的力學(xué)性能要求，此次物理模擬實驗選擇河砂為骨料。河砂中SiO2含量不低于95%，選用粒度5～7目、12～18目、18～80目以粗。

2)膠結(jié)材料。固相相似模型通常選擇碳酸鈣、石膏作為膠結(jié)材料。

3)隔水添加劑。根據(jù)隔水層相似材料需要滿足高抗水性的要求，材料抗水性的實現(xiàn)主要是通過摻入添加劑來使結(jié)晶體的孔隙及溶解度發(fā)生改變，阻止水分子的侵入[8]。

2.2 含水層材料研制

巖石的滲透性取決于巖石的空隙度，而影響巖石空隙度的因素主要有顆粒大小、顆粒級配及顆粒形狀[9]。為滿足含水層力學(xué)性能要求，選用塊石(粒徑>10mm)、卵石(粒徑2mm)、粗砂(粒徑<1mm)按3∶3∶4、5∶3∶2、7∶2∶1、8∶1∶1、9∶1∶0五種配比進行級配，對級配好的巖樣做抗壓強度和滲透性測試，從而確定出與原型含水層性能相似的骨料配比。

通過現(xiàn)場實測可知：K2、K3、K4含水層抗壓強度分別為40.6MPa、37.2MPa、40.6MPa，滲透系數(shù)分別為0.0394m/d、0.0183m/d、0.0183m/d。根據(jù)抗壓強度和滲透系數(shù)相似比，確定K2含水層塊石∶卵石∶粗砂=7∶2∶1，骨料(塊石+卵石+粗沙)∶碳酸鈣∶石膏=7∶3∶7。K3和K4含水層塊石∶卵石∶粗砂=5∶3∶2，骨料(塊石+卵石+粗沙)∶碳酸鈣∶石膏=7∶3∶7。

3 流固耦合模型搭建

二維流固耦合相似模擬實驗臺長×寬×高=3.2m×0.25m×1.6m，根據(jù)實驗臺尺寸及礦井地質(zhì)資料，確定模型的幾何相似比為1∶250，并以此推導(dǎo)出其他參數(shù)。模型鋪設(shè)時采用的是逐層填筑夯實法[10]，最終確定模型累高為1.12m，對應(yīng)原型采深280m。

1)地層。對地層材料進行模擬時的材料配比參見表2，配比號代表著砂子∶石膏∶碳酸鈣。

表2 地層材料配比表

2)隔水層。隔水層為中砂巖和粉砂巖。將砂子、石膏和碳酸鈣按照表2的配比進行預(yù)先混合，然后在預(yù)混物中加入200℃高溫加熱過的石蠟和凡士林，借助石蠟和凡士林的合理搭配，能夠確保隔水層疏水的同時，具有一定的形變能力[11]。

3)含水層。含水層鋪設(shè)到第8、12層的細砂巖和第10層的中砂巖。含水層鋪設(shè)時需要預(yù)埋進水管，同時在進水管上每隔5cm打孔，水從模型的左側(cè)流入。

4 實驗結(jié)果與分析

模型工作面采取下行開采的方式[12，13]，開采順序為：L1614-L1615-L1616-L1814-L1815-L1816工作面，同現(xiàn)場的設(shè)計方案一致。

4.1 不留設(shè)隔水煤柱覆巖破壞規(guī)律

L1614、L1615、L1616工作面開采后覆巖運移破壞形態(tài)如圖1所示。實驗結(jié)果見表3。

圖1 L1614、L1615、L1616工作面開采后覆巖運移破壞形態(tài)

表3 L1614、L1615、L1616工作面開采后實驗結(jié)果

根據(jù)表3可知，隨著L1614、L1615、L1616工作面依次開采，上覆巖層破壞高度會逐步增加，從21.5m擴展到188m。L1614工作面開挖后，覆巖破壞帶發(fā)育至K4含水層內(nèi)，裂隙導(dǎo)通K4含水層，新增上、下山邊緣和采區(qū)中央3個涌水點。L1615、L1616工作面開采時，覆巖關(guān)鍵層破壞導(dǎo)致開采過程中上覆頂板發(fā)生重復(fù)破壞，荷載應(yīng)力集中而失穩(wěn)，造成裂隙導(dǎo)通至K3含水層。在L1615工作面上山邊緣新增3處涌水點，涌水點達到6處。在L1616工作面上山邊緣新增2處涌水點，涌水點達到8處。

4.2 留設(shè)隔水煤柱覆巖破壞規(guī)律

4.2.1 隔水煤柱留設(shè)

按《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱與壓煤開采規(guī)程》可知[14，15]：

式中，Hm為冒落帶高度，m；Hli為導(dǎo)水裂隙帶高度，m；∑M為累計采厚，m。

通過計算得到14#煤、15#煤、16#煤冒落帶最大高度分別為10.87m、11.57m、13.14m，導(dǎo)水裂隙帶最大高度分別為40.14m、42.20m、46.56m。

14#煤—15#煤、15#煤—16#煤煤層間距分別為17.3m和11.3m。根據(jù)《采礦工程設(shè)計手冊》，上下煤層的層間距小于下煤層開采后的導(dǎo)水裂隙帶高度時，下煤層的隔水煤柱應(yīng)根據(jù)采動塌陷角和煤層間距，從上煤層煤柱邊界向下推算[16，17]，如圖2所示。

L下=L上+(H下-H上)(cotγ+cotβ)

(3)

式中，L上為上部煤層隔水煤柱寬度，m；L下為下部煤層隔水煤柱寬度，m；H上為上部煤層水柱高度，m；H下為下部煤層水柱高度，m；γ為上山巖移塌陷角，(°)；β為下山巖移塌陷角，(°)。

圖2 多煤層隔水煤柱留設(shè)

通過現(xiàn)場調(diào)研可知，13#煤兩工作面間隔水煤柱寬約20m，13#煤、14#煤、15#煤、16#煤的水柱高度分別為6.12m、23.9m、44.38m、59.96m，上下山巖移塌陷角均為70度左右。分別對14#煤、15#煤和16#煤3個煤層的隔水煤柱進行計算，得到14#煤的隔水煤柱寬度為32.9m，15#煤的隔水煤柱寬度為47.9m，16#煤的隔水煤柱寬度為59.2m。

4.2.2 工作面開采

在L1814、L1815、L1816分別留設(shè)32.9m、47.9m和59.2m寬的隔水煤柱后，實驗結(jié)果見表4。

表4 L1814、L1815、L1816工作面開采后實驗結(jié)果表

根據(jù)表4可知，隨著L1814、L1815、L1816工作面依次開采，覆巖破壞高度從12.5m擴展到148m。覆巖破壞帶高度發(fā)育至K3含水層和K4含水層之間，裂縫只導(dǎo)通了K4含水層，但因上山采空區(qū)覆巖破壞，水源徑流路徑被破壞，三個工作面只在上山邊緣處出現(xiàn)少量涌水。

4.3 煤層群重復(fù)開采水動力演變規(guī)律

由于K4含水層距14#煤層很近，工作面隔水煤柱布設(shè)與否都會影響導(dǎo)水裂隙導(dǎo)通至K4含水層。K4含水層水壓很小，初始水壓為0.02MPa；K3含水層厚度達到36.4m，初始水壓為0.1MPa，是導(dǎo)致工作面突水發(fā)生的主要隱患。為此，在考慮隔水煤柱布設(shè)的基礎(chǔ)上，對L1814、L1815、L1816工作面上方K3含水層分階段加注水壓，每次水頭壓力增加0.1MPa，直至K3含水層與下方裂隙導(dǎo)通涌水。實驗過程如圖3所示，實驗結(jié)果見表5。

圖3 K3含水層分階段加注水壓實驗過程

表5 K3含水層分階段加注水壓實驗結(jié)果表

K3含水層加0.1MPa水壓(1倍初始水壓)時，離層巖層及下山方向豎直裂縫出現(xiàn)少量涌水。

K3含水層加0.2MPa水壓(2倍初始水壓)時，除離層巖層及下山方向豎直裂縫出現(xiàn)涌水外，下層離層裂隙開始出現(xiàn)涌水。

K3含水層加0.3MPa水壓(3倍初始水壓)時，下層離層裂隙開始出現(xiàn)大量涌水。推斷為發(fā)生離層水靜水壓涌突水，即K3含水層下方離層隨著注水壓力逐步上升，當(dāng)離層水靜水壓力值超過巖層的極限抗剪強度值時，將破壞其下位巖層的完整性，與導(dǎo)水裂縫帶連通，形成突水通道[18]。

5 結(jié) 語

初次對多含水層、緩傾斜、近距離這種極其復(fù)雜地質(zhì)條件下的煤層群開采覆巖破壞機理進行了研究，得出煤層重復(fù)采動會致使導(dǎo)水裂隙二次顯著發(fā)育；工作面布設(shè)隔水煤柱能減緩裂隙的發(fā)育程度；含水層水壓的異常增加會加速巖層間突水通道的形成。由于研究手段的局限性，只研究了煤層群開采覆巖破壞和涌水演化規(guī)律，下一步需借助應(yīng)力監(jiān)測和近景觀測技術(shù)對煤層群開采圍巖應(yīng)力及位移場演化規(guī)律進行研究。