基于FLAC3D的煤層底板奧灰突水危險性評價

黃 振

(河南理工大學資源環境學院，河南 焦作 454000)

煤礦開采很多都有底板突水的問題，開采的過程中底板巖溶承壓水可通過一系列的導水通道進入礦井，帶來一系列安全隱患，甚至會導致大量財產損失和人員傷亡。為了減少底板突水帶來的危害，就應當選用適當的方法評價煤層底板開采過程中的突水危險性。以山西組二1煤為主要采層的鶴煤九礦，位于鶴壁市鶴山區北部的鶴壁集鎮。奧灰含水層是二1煤底板導、富水性最強的巖溶裂隙含水層。九礦三、四水平是九礦現在和未來采掘工作的重點，但水文地質條件稍為復雜，首先三、四水平內局部斷層褶皺比較發育，它們相互交錯，呈現出一定的階梯狀，形成較為復雜的構造形態，對二1煤層有強烈的破壞作用；其次靠近小南海泉域的集中排泄口區；根據礦井物探資料，內部還有陷落柱和O2富水異常區。

1 九礦二1煤層奧灰水水壓

根據收集的九礦三、四水平以往鉆孔以及補勘的鉆孔資料，可以得到三、四水平鉆孔所在部位的煤層底板標高具體數值。由九礦及其臨近礦區打到灰巖的鉆孔數據顯示奧陶系灰巖水位在130 m～140 m，0502鉆孔奧灰水位標高為135.13 m，可以近似把此孔的水位標高作為當前奧灰水水位標高。此孔的水位標高減去煤層底板標高即可獲得水壓值，單位MPa。為了更好的反映三、四水平整體情況，這些鉆孔均勻的分布在整個三、四水平區域之間，見表1。

表1 不同鉆孔奧灰水壓計算表

2 底板采動破壞深度的FLAC3D數值模擬

煤層底板采動破壞的深度由很多種不同的影響因素控制，主要與煤層頂底板巖層的不同特性有關，這些因素作用的機制相當復雜，無法通過用理論公式或者經驗公式的計算獲得大致可靠的結果，而如今在工程地質學領域有較普遍應用的FLAC3D數值模擬軟件[1]有其獨到的閃光之處，FLAC3D軟件可以根據研究區的具體面積及模擬精度要求設定不同六面體網格單元的大小，以有限差分法程序不斷進行重復運算，直至滿足本身自帶的Mohr-Coulomb塑性本構關系和屈服準則，可以根據巖心力學性質實驗獲得的具體力學參數較為準確的量化底板的塑性破壞程度。

本次模擬充分考慮實際開采地層條件及巖石力學參數，主要模擬九礦三、四水平不同斜長工作面開采二1煤后，頂底板圍巖塑性變形破壞深度的規律，模型尺寸為500 m×600 m×320 m，根據九礦地層綜合柱狀圖，在鉛直方向上將模擬層概化為18層，包括二1煤(開挖層)、二1煤頂板模擬層7層，二1煤底板模擬層10層，模擬采深為500 m，工作面斜長為120 m,140 m和160 m，開挖時10 m一步共開挖250步，每一步都借助該軟件輸出頂底板破壞的結果，結果見圖1。

模擬結果顯示，工作面在推進到150 m左右時進入穩定狀態，采深H=500 m時，工作面斜長L=120 m,L=140 m和L=160 m對應的底板破壞深度最大值分別為17.32 m,19.27 m和21.13 m。從有利于安全的角度出發，破壞深度小時底板隔水層厚度大，相對底板破壞深度大時較為安全，因此選擇破壞深度最大的21.13 m作為底板最大破壞深度時，對實際開采工作更有安全保障。

3 突水系數法危險性評價

突水系數法[2-4]是我國一些老前輩在匈牙利專家們以往研究經驗的基礎上提出的，后來經過我們國家多位專家的多次改進與不斷修正，成為一個能判斷隔水層是否突水的依據，并在全國許多煤礦有廣泛應用。用突水系數法來進行煤層底板突水危險性分區時，僅僅只需要考慮兩個因素，計算過程相比之下較為簡單，能綜合反映水壓和有效隔水層厚度這兩個因素對煤層底板的綜合作用。其數學表達式如下：

(1)

其中，T為突水系數，MPa/m；P為底板隔水層承受的水壓，MPa；M為底板有效隔水層厚度，m。

將九礦三、四水平二1煤層底板奧灰水水壓除以有效隔水層厚度，就能得到各區對應的突水系數。二1煤層底板的有效隔水層厚度可近似利用該鉆孔揭露的隔水層總厚度減去底板采動破壞帶深度來定量描述，見表2。

表2 煤層底板有效隔水層厚度統計表

九礦三、四水平總體構造復雜程度為中等，根據《煤礦防治水規定》[5]的相關規定選用臨界突水系數0.06 MPa/m，將對應的區域進行突水危險性分區。當突水系數值介于0和0.06 MPa/m之間時，該區域為安全區；當突水系數值大于0.06 MPa/m時，該區域為突水危險區。將這些鉆孔點計算突水系數后借助于GIS軟件的插值分析功能即可得到九礦奧灰水突水危險性分區圖。

從圖2可以看出，整體而言，32采區北部、33采區東部和整個34采區為突水危險區，其他區域為突水相對安全區。

4 結語

借助FLAC3D數值模擬軟件可以較為真實的反映底板在開采過程中的實際破壞規律，對劃為突水危險區的區域應采取有效的措施如灌漿等對底板進行防護。