石泉煤礦30105 工作面開采過X4 陷落柱模擬分析

徐洪濤

（山西石泉煤業有限責任公司，山西 長治 046200）

我國華北煤田廣泛發育的巖溶陷落柱構造通常以隱伏形式存在，其特殊的工程地質水文地質特征，嚴重威脅著煤炭資源安全高效開采[1-5]。由于陷落柱屬于隱伏垂向構造，其導致的突水災害具有隱蔽性、突發性且導通豐富巖溶地下水等特點，對煤礦安全生產、環境及當地人民生活危害極大[6-8]。陷落柱突水事故受諸多因素影響，既有自然因素也有開采因素，因此在煤層開采過程中，陷落柱的穩定性研究成為不可缺少部分[9-10]。因此，本文利用FRACOD模擬軟件，對30105 工作面在走向、傾向方向開采過程中陷落柱的穩定性及突水危險性進行研究。

1 30105 工作面概況

山西石泉煤礦30105 綜放工作面地面位于夏店鎮九龍村西側，井下位于301 采區南部，北面為301 采區大巷，南面為DF4 正斷層，西面為實煤區，東面為301 采區邊界與井田邊界，井田內奧灰水水位標高在+636.87～+651 m 之間。X4 陷落柱所在的30105 工作面煤層底板標高最小值為390 m，而X4 陷落柱對應煤層底板標高是390～580 m，因此，30105 工作面為受奧灰承壓水威脅的工作面，需要在30105 工作面開采期間對X4 陷落柱的穩定性進行分析。

2 模型創建

本文重點研究30105 工作面推進過程中X4 陷落柱附近導水裂隙演化過程、應力場和位移場分布規律。由圖1 可知，X4 陷落柱的隔水段在此煤層底板以下的厚度大于100 m。

圖1 30105 工作面研究區域劃分

基于上述工程背景，創建的30105 工作面走向開挖模型（AA`切面），創建的30105 工作面傾向開挖模型（BB`切面），同時模型包括陷落柱和奧陶系灰巖巖溶含水層。

3 模擬結果分析

3.1 30105 工作面走向方向模擬結果分析

（1）工作面開采距陷落柱30 m

圖2 為30105 工作面開采距陷落柱30 m 數值模擬結果，依次為陷落柱裂紋分布特征、垂直方向位移分布云圖、最大主應力分布云圖和FoS 破壞區分布圖。

圖2 30105 工作面開采距陷落柱30 m 數值模擬結果

由陷落柱裂紋分布特征可知，受工作面應力開采擾動的影響，在工作面頂底板處開始發生大裂紋，底板裂紋主要集中在底板破壞帶內，頂板出現大面積的裂紋。與此同時，陷落柱靠近工作面一側裂紋起裂并向巷道方向傳播。從圖中可以清晰地發現，陷落柱其他區域沒有出現裂紋的擴展和貫通，陷落柱整體保持完整性，受開采擾動，水流不會沿著裂隙而發生導升，不具有活化突水的可能性。

由垂直方向位移分布云圖可以看出，工作面附近圍巖位移的最大值產生于頂板處，形成了大面積的垮落。陷落柱隔水段在煤層上方區域出現了大面積的位移，說明局部區域內產生的應力集中超過了陷落柱的承載能力，產生局部的變形。從圖中可以發現，變形值較大的區域位于煤層上方，煤層下方底板巖層內的陷落柱并沒有受到大范圍的影響，含水層未產生大范圍的變形，說明底板完整巖層可起到有效阻隔作用，不具備發生突水的危險性。由最大主應力分布云圖和FoS 破壞區分布圖可以清楚地看出，開挖擾動主要影響采場圍巖，對陷落柱的影響比較小。綜合30105 工作面開采距陷落柱30 m數值模擬結果可以發現，30105 工作面在開采至陷落柱30 m距離時，陷落柱不具有活化突水的可能性。

（2）工作面穿過陷落柱

圖3 為30105 工作面穿過陷落柱數值模擬結果，依次為陷落柱裂紋分布特征、總位移分布云圖、最大主應力分布云圖和聲發射事件分布圖。

圖3 30105 工作面穿過陷落柱數值模擬結果

30105 工作面開采進入陷落柱后，局部區域內產生的應力集中超過了巖石的承載能力，造成陷落柱內部裂紋的起裂和擴展，陷落柱上方的巖體形成了大范圍的裂紋網，陷落柱主溶洞裂紋在原有裂紋上發生擴展，向工作面方向擴展。煤層底板30 m 左右范圍內的陷落柱裂紋發生擴展貫通，表明開采擾動僅影響底板30 m 范圍內巖層的阻水能力，下方含水層內高壓水沒有通道貫通裂隙導入工作面。由最大主應力分布云圖和聲發射事件分布圖可以看出，陷落柱在一定程度上受到工作面開采的影響，主要表現在陷落柱內部原生裂隙的區域性的聲發射事件的產生，沒有形成大范圍的事件疊加，因此，受開采影響范圍外的陷落柱整體保持完整性，水流不會沿著裂隙而發生導升，陷落柱活化突水可能性較小。

（3）工作面開采過陷落柱30 m

圖4 為30105 工作面采過陷落柱30 m 數值模擬結果，依次為陷落柱裂紋分布特征、總位移分布云圖、最大主應力分布云圖和聲發射事件分布圖。

圖4 30105 工作面開采過陷落柱30 m 數值模擬結果

30105 工作面開采過陷落柱30 m 后，煤層底板30 m 范圍以上的陷落柱應力集中造成陷落柱內部裂紋的起裂和擴展，該部分陷落柱形成了大范圍的裂紋網。由最大主應力分布云圖和聲發射事件分布圖可以看出，陷落柱內部原生裂隙的區域性的聲發射事件的產生，沒有形成大范圍的事件疊加，因此，受開采影響范圍外的陷落柱整體保持完整性，水流不會沿著裂隙而發生導升。

3.2 30105 工作面傾向方向模擬結果分析

圖5 為30105 工作面傾向方向穿過陷落柱數值模擬結果，依次為陷落柱裂紋分布特征、總位移分布云圖、最大主應力分布云圖和聲發射事件分布圖。

圖5 30105 工作面傾向方向模擬結果分析

由最大主應力分布云圖和聲發射事件分布圖可以看出，開挖擾動主要影響采場圍巖，陷落柱上部巖體繼續塌陷，煤層下方影響范圍35 m，小于煤層距離含水層的厚度，所以整體失穩范圍未波及含水層。采場圍巖和陷落柱正應力的變化較為復雜，裂紋的產生、擴展和貫通小范圍的出現在30105 工作面的下順槽上部，即開采進入陷落柱的區域。

綜合30105 工作面傾向方向數值模擬結果可以發現，工作面開采后隔水層上方陷落柱受開采擾動范圍在35 m，擾動范圍外陷落柱整體結構完整，裂隙不發育，同時，30105 底板以下隔水段厚度大于100 m，因此30105 工作面過X4 陷落柱開采不會發生突水事故。

4 結論

（1）對30105 工作面在走向方向上建立模型并利用FRACOD 模擬軟件進行數值分析。模擬結果表明：工作面開采距陷落柱30 m 時，在工作面開采擾動的影響下，工作面頂底板開始出現裂紋并開始擴展，工作面周圍巖層產生移動，但影響范圍有限，在工作面距陷落柱30 m 時，不具有活化突水的可能性；工作面穿過陷落柱時，陷落柱上方產生較大范圍的裂紋，底板30 m 左右范圍內的陷落柱裂紋發生擴展貫通，但受開采影響范圍外的陷落柱整體保持完整性，水流不會沿著裂隙而發生導升，陷落柱活化突水可能性較小；工作面過陷落柱30 m時，煤層底板30 m 范圍以上的陷落柱會因開采應力擾動產生大范圍的裂紋網，但開采影響范圍外的陷落柱整體性未受到破壞，所以發生陷落柱活化突水的可能性仍較小。

（2）對30105 工作面在傾向方向上建立模型并利用FRACOD 模擬軟件進行數值分析。模擬結果表明：在工作面傾向方向上，受開采擾動的影響，陷落柱上部巖體塌陷，煤層下方影響范圍在35 m，開采影響未波及到含水層，所以由開采擾動引起的圍巖失穩不會造成陷落柱的活化突水。