煤礦開(kāi)采中圍巖變形對(duì)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育的影響分析

王森林

（晉能控股集團(tuán)四臺(tái)礦， 山西 大同 037016）

隨著煤礦開(kāi)采自動(dòng)化程度及開(kāi)采量的不斷提高，開(kāi)采活動(dòng)對(duì)煤礦圍巖產(chǎn)生了較大的采動(dòng)作用，造成圍巖的變形[1]，使得巖體的平衡被打破，容易產(chǎn)生巖層的裂隙，造成導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育。導(dǎo)水裂隙帶的產(chǎn)生及發(fā)育，容易引起導(dǎo)水通道的擴(kuò)散[2]，造成煤礦工作面涌水量的增加，威脅煤礦的開(kāi)采安全。煤礦開(kāi)采過(guò)程中的工作面推進(jìn)對(duì)圍巖的變形造成影響，進(jìn)而影響導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育[3]，因此本文采用數(shù)值仿真分析的形式對(duì)導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育規(guī)律進(jìn)行分析，并對(duì)煤礦開(kāi)采過(guò)程中的水質(zhì)變化采取針對(duì)性舉措，從而提高煤礦開(kāi)采的安全性。

1 煤礦開(kāi)采圍巖變形分析數(shù)值模型的建立

針對(duì)煤礦開(kāi)采工作面推進(jìn)過(guò)程中圍巖的變形對(duì)導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育帶來(lái)的影響，采用數(shù)值模擬的方式進(jìn)行分析，通過(guò)對(duì)煤礦的地質(zhì)模型進(jìn)行概括，設(shè)定及分析其力學(xué)模型，從而對(duì)圍巖的變形及導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育進(jìn)行預(yù)測(cè)展示[4]，可對(duì)煤礦的開(kāi)采提供指導(dǎo)。FLAC3D軟件是用于煤層位移及塑性變形分布分析的軟件，通過(guò)顯式有限差分程序進(jìn)行計(jì)算，適用于對(duì)大變形問(wèn)題的分析[5]，通過(guò)描述圍巖的變形規(guī)律來(lái)對(duì)導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度進(jìn)行計(jì)算。

對(duì)煤礦開(kāi)采中的實(shí)際工況條件進(jìn)行分析，工作面的長(zhǎng)度為620 m，傾斜長(zhǎng)度為220 m，為消除邊界效應(yīng)的影響，在工作面的走向和傾斜方向上保留一定長(zhǎng)度的煤柱，建立進(jìn)行分析的工作面平面，尺寸為650 m×350 m[6]。采用FLAC3D建立工作面的地質(zhì)模型如圖1所示，其中，X 方向?yàn)楣ぷ髅娴拈L(zhǎng)度方向，Y 方向?yàn)閮A斜長(zhǎng)度，Z 方向?yàn)榉治瞿Ｐ偷母叨龋⒛Ｐ偷母叨葹?85 m。工作面的巖層區(qū)域主要由松散層、粉砂巖層、泥巖層及煤層等組成[7]，對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分處理，所得到工作面的模型共147 800 個(gè)單元。

圖1 工作面地質(zhì)網(wǎng)格劃分模型

對(duì)工作面的巖層區(qū)域進(jìn)行參數(shù)性質(zhì)設(shè)定，由于圍巖地質(zhì)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，地質(zhì)材料的屬性參數(shù)難以有效測(cè)定，因此對(duì)圍巖的組成進(jìn)行力學(xué)特性的測(cè)量，從而求得各項(xiàng)參數(shù)來(lái)進(jìn)行求解[8]。通過(guò)對(duì)模型進(jìn)行節(jié)點(diǎn)速度及位移的約束，可實(shí)現(xiàn)對(duì)模型的設(shè)定及加載。依據(jù)煤礦開(kāi)采過(guò)程中的實(shí)際工況，模型的山體坡面為自有面，其位移不受限制，在模型四周及底部的面上，限制其位移和速度為零[9]。在分析過(guò)程中，用摩爾強(qiáng)度對(duì)脆性及塑性巖層的剪切破壞進(jìn)行分析，本次分析中模型中的砂巖層及泥巖層等屬于彈塑性的材料，采用Mohr-Coulomb 屈服準(zhǔn)則對(duì)巖層的變形進(jìn)行分析，從而對(duì)巖層變形進(jìn)行精確地預(yù)測(cè)[10]。

模型分析過(guò)程中的初始應(yīng)力對(duì)巖層的變形具有重要的影響，在工作面的重力作用下建立初始的應(yīng)力分布，對(duì)煤層工作面進(jìn)行開(kāi)挖掘進(jìn)。圍巖在未開(kāi)采時(shí)應(yīng)力保持平衡，將模型在初始應(yīng)力作用下產(chǎn)生的初始位移進(jìn)行復(fù)位，在初始平衡狀態(tài)下進(jìn)行工作面的開(kāi)采，設(shè)定開(kāi)采的步距為20 m，開(kāi)采長(zhǎng)度為450 m[11]，對(duì)開(kāi)采過(guò)程中圍巖的應(yīng)力、位移及塑性變形區(qū)進(jìn)行仿真計(jì)算，以便對(duì)導(dǎo)水裂隙帶的高度進(jìn)行分析。

2 煤礦開(kāi)采圍巖變形模擬結(jié)果分析

2.1 工作面圍巖應(yīng)力的變化分析

工作面的圍巖在未進(jìn)行開(kāi)采時(shí)處于應(yīng)力場(chǎng)的平衡狀態(tài)，隨著煤礦開(kāi)采的進(jìn)行，工作面的持續(xù)推進(jìn)對(duì)圍巖的應(yīng)力進(jìn)行重構(gòu)，使得圍巖的應(yīng)力不斷變化，當(dāng)圍巖的應(yīng)力不斷增加至大于巖層的強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)造成圍巖的破壞。對(duì)工作面推進(jìn)過(guò)程中的圍巖應(yīng)力進(jìn)行模擬分析，不同推進(jìn)長(zhǎng)度時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力分布不同[12]，以工作面推進(jìn)長(zhǎng)度為300 m 時(shí)為例，此時(shí)圍巖的應(yīng)力分布如圖2 所示。在工作面持續(xù)推進(jìn)的過(guò)程中，巷道頂板逐漸形成拋物線分布的拉應(yīng)力區(qū)域，頂板內(nèi)的垂向應(yīng)力逐漸增加。在工作面的開(kāi)切眼位置及后方存在一定的應(yīng)力集中現(xiàn)象，此處的應(yīng)力值最大。采空區(qū)的圍巖應(yīng)力存在明顯的降低，這是由于隨著煤層開(kāi)采過(guò)后，采空區(qū)上部的圍巖經(jīng)過(guò)卸壓過(guò)程，使得內(nèi)部的應(yīng)力釋放，并向未開(kāi)采的巖層形成轉(zhuǎn)移，從而在低應(yīng)力區(qū)域的外圍形成高應(yīng)力的拱形分布，圍巖的應(yīng)力保持平衡狀態(tài)，整體呈現(xiàn)中間低兩端高的應(yīng)力分布。

圖2 工作面推進(jìn)300 m 時(shí)圍巖的應(yīng)力（Pa）分布

2.2 工作面圍巖變形的變化分析

煤層開(kāi)采后，隨著工作面的不斷推進(jìn)，上覆圍巖隨之產(chǎn)生一定的變形，產(chǎn)生移動(dòng)變形破壞，造成導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育。對(duì)圍巖的變形進(jìn)行分析，工作面推進(jìn)到450 m 時(shí)的圍巖變形如圖3 所示。工作面在推進(jìn)過(guò)程中，在初始進(jìn)行開(kāi)采時(shí)，圍巖的變形在采空區(qū)上方呈閉合的狀態(tài)，隨著開(kāi)采過(guò)程的進(jìn)行，圍巖的變形逐漸變?yōu)椴环忾]的曲線形態(tài)。這是由于在煤層開(kāi)采后，頂板產(chǎn)生了相應(yīng)的向下變形，隨著工作面的持續(xù)推進(jìn)，圍巖的變形位移量不斷增加，煤層的直接頂也產(chǎn)生較大的下沉，在圖3 中的工作面推進(jìn)結(jié)束時(shí)，下沉量最大達(dá)到0.6 m，同時(shí)底板由于卸荷的存在也產(chǎn)生較大的底鼓變形，最大的變形量為0.1 m。在圍巖變形的過(guò)程中，對(duì)導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育造成一定的影響，由于導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育呈現(xiàn)塑性變形的狀態(tài)，對(duì)工作面的塑性變形區(qū)進(jìn)行進(jìn)一步的分析。

圖3 工作面推進(jìn)450 m 時(shí)圍巖的變形量（m）分布

2.3 工作面圍巖塑性區(qū)變形的變化分析

工作面開(kāi)采推進(jìn)過(guò)程中，會(huì)對(duì)圍巖產(chǎn)生拉伸及剪切的破壞，當(dāng)巖層受到的應(yīng)力超出屈服強(qiáng)度時(shí)，會(huì)產(chǎn)生塑性變形，從而形成導(dǎo)水裂隙帶的上限，而開(kāi)采過(guò)程中巖層受到的雙向應(yīng)力均超出抗拉強(qiáng)度時(shí)所產(chǎn)生大變形時(shí)的巖層高度，即為導(dǎo)水裂隙帶的下限。導(dǎo)水裂隙帶在上下限之間，當(dāng)產(chǎn)生的應(yīng)變較大時(shí)，相互之間產(chǎn)生連通，造成導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育。對(duì)工作面推進(jìn)過(guò)程中的塑性變形區(qū)進(jìn)行模擬，圍巖首先產(chǎn)生剪切破壞，然后剪切破壞會(huì)逐漸延伸，塑性區(qū)的高度不斷增加，經(jīng)模擬分析發(fā)現(xiàn)，工作面推進(jìn)到300 m 時(shí)塑性區(qū)的高度最大，此時(shí)的塑性區(qū)分布如圖4 所示。當(dāng)工作面繼續(xù)推進(jìn)時(shí)，塑性區(qū)的高度基本保持穩(wěn)定，說(shuō)明巖層的采動(dòng)作用釋放充分，導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度穩(wěn)定在57 m，不再隨工作面的推進(jìn)而增加。

圖4 工作面推進(jìn)300 m 時(shí)圍巖的塑性區(qū)分布

3 結(jié)語(yǔ)

在煤礦的開(kāi)采過(guò)程中，隨著工作面的推進(jìn)，會(huì)對(duì)圍巖的應(yīng)力及變形產(chǎn)生一定的影響，從而影響到導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育，對(duì)煤礦的安全產(chǎn)生影響。針對(duì)導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育規(guī)律進(jìn)行數(shù)值分析，結(jié)果表明，在工作面推進(jìn)到300 m 時(shí)，巖層經(jīng)過(guò)充分的采動(dòng)作用后，此時(shí)的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度最大為57 m；隨著工作面的繼續(xù)推進(jìn)，對(duì)巖層的變形及應(yīng)力作用進(jìn)一步增加，導(dǎo)水裂隙帶的高度保持穩(wěn)定。