煤層頂板砂巖裂隙水滲流場(chǎng)數(shù)值模擬研究

高　俊，宋馬可

(1.福建省121地質(zhì)大隊(duì)，福建 龍巖 364000；2.安徽理工大學(xué) 地球與環(huán)境學(xué)院，安徽 淮南 232001)

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煤層頂板砂巖裂隙水滲流場(chǎng)數(shù)值模擬研究

高俊1，宋馬可2

(1.福建省121地質(zhì)大隊(duì)，福建 龍巖 364000；2.安徽理工大學(xué) 地球與環(huán)境學(xué)院，安徽 淮南 232001)

以顧橋礦南二采區(qū)11-2煤層開(kāi)采為例，通過(guò)分析其頂板砂巖賦存條件，利用FLAC3D軟件中應(yīng)力—滲流耦合模擬分析研究頂板砂巖裂隙水滲流場(chǎng)規(guī)律，從而判斷該煤層開(kāi)采對(duì)上覆煤層開(kāi)采的影響，以及頂板突水的可能性。模擬結(jié)果表明：煤層開(kāi)采過(guò)程中，如果在工作面開(kāi)采初始階段沒(méi)有發(fā)生頂板突水，那么在之后的開(kāi)采過(guò)程中，在開(kāi)切眼一側(cè)發(fā)生頂板突水的可能性很小，而在迎頭位置危險(xiǎn)性較大；且開(kāi)采11-2煤層對(duì)上覆煤層的安全開(kāi)采影響不大。

頂板砂巖；應(yīng)力滲流耦合；滲流場(chǎng)；頂板突水

我國(guó)煤礦水文地質(zhì)條件異常復(fù)雜，煤礦開(kāi)采過(guò)程中的水害事故制約著煤炭工業(yè)的發(fā)展。砂巖裂隙含水層往往以靜儲(chǔ)量的形式賦存于不同級(jí)別、不同規(guī)模的裂隙內(nèi)，一般不會(huì)造成災(zāi)害性的潰水事故。但是，砂巖裂隙水突水常常會(huì)對(duì)巷道掘進(jìn)和工作面回采造成影響，是影響生產(chǎn)效率與生產(chǎn)成本的重要因素。隨著煤層開(kāi)采深度的增加和開(kāi)采條件的日益復(fù)雜，頂板突水災(zāi)害發(fā)生的頻率和強(qiáng)度有所增加，頂板砂巖水害對(duì)生產(chǎn)的危害越來(lái)越大[1～3]。顧橋煤礦目前主采C組煤，11-2煤層頂板賦存有平均6.29 m 的砂巖裂隙含水層，該含水層是11-2煤層開(kāi)采的主要充水含水層。南二采區(qū)基本屬于單斜構(gòu)造，北臨670 m寬的構(gòu)造異常帶，加之11-2煤層頂板砂巖存在局部賦水區(qū)。同時(shí)，在機(jī)巷和風(fēng)巷掘進(jìn)過(guò)程中，也發(fā)生過(guò)淋滴水，最大水量達(dá)12 m3/h。由此可知南二采區(qū)11-2煤層頂板砂巖存在一定的賦水性，同時(shí)，砂巖裂隙含水層賦水規(guī)律較復(fù)雜，地下水主要儲(chǔ)存在裂隙網(wǎng)絡(luò)中，裂隙的發(fā)育特征決定著裂隙水的賦存特征和富水性[4～5]。為保證南二采區(qū)11-2煤層安全、高效開(kāi)采，利用FLAC3D軟件對(duì)11-2煤層頂板砂巖裂隙水的滲流場(chǎng)進(jìn)行研究[6～10]。

1　南二采區(qū)11-2煤層砂巖賦存

1.111-2煤層頂板巖層結(jié)構(gòu)分析

11-2煤層頂板由偽頂、直接頂與老頂組成，平均厚度分別為0.7 m、2.2 m、5.23 m。偽頂由炭質(zhì)泥巖、泥巖構(gòu)成，直接頂由泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖構(gòu)成，老頂由砂質(zhì)泥巖、粉細(xì)砂巖、中粗砂巖構(gòu)成，見(jiàn)表1。

表1　11-2煤層頂板組成及其巖性、厚度

采區(qū)內(nèi)11-2煤至13-1煤之間的巖層厚度為50.3～98.4 m之間，平均厚度為75.4 m，此次11-2煤層頂板巖層的結(jié)構(gòu)分析范圍為11-2煤至13-1煤之間的巖層。

1.211-2煤層頂板巖性組成與厚度變化特征

通過(guò)對(duì)11-2煤層頂板巖層的鉆孔揭露統(tǒng)計(jì)，其頂板巖性類(lèi)型主要有石英砂巖、中砂巖、細(xì)砂巖、粉砂巖、砂質(zhì)泥巖。通過(guò)對(duì)南二采區(qū)11-2～13-1煤層之間的巖性構(gòu)成情況統(tǒng)計(jì)和分析：11-2～13-1煤層間巖層主要由泥巖與砂巖組成，未見(jiàn)巖漿巖。砂、泥巖受沉積環(huán)境影響，其厚度分布不太穩(wěn)定。煤層頂板巖性多以砂泥巖互層的復(fù)合形式出現(xiàn)，如XLZK1鉆孔揭露巖層總厚度為70.35 m，其中砂巖類(lèi)、泥巖類(lèi)巖石厚度為52.92 m、16.43 m，分別占總厚的75.2%和23.4%；XLZK3鉆孔揭露巖層總厚度為73.09 m，其中砂巖類(lèi)與泥巖類(lèi)巖石厚度為25.45 m、47.64 m，分別占總厚的34.8%和65.2%。

2　11-2煤層頂板砂巖裂隙水滲流場(chǎng)模擬

2.1模型建立

為對(duì)采動(dòng)巖體滲流規(guī)律進(jìn)行研究，建立FLAC3D應(yīng)力-滲流耦合模型。根據(jù)本工程特點(diǎn)，結(jié)合鉆孔柱狀(圖1)，所建立的模型為100×100×70 m。按圍巖條件整個(gè)模型自煤層底板-煤層-頂板共取6個(gè)層位，模型垂向施加自重應(yīng)力，模型兩側(cè)面為達(dá)到水平應(yīng)力大小，除施加自重產(chǎn)生的側(cè)壓以外，還施加了具有一定梯度的水平應(yīng)力，以符合實(shí)際。模型邊界條件確定如下：

(1)模型前、后和左、右邊界施加水平方向約束；(2)模型底部為固定支承；(3)模型頂部為應(yīng)力邊界；(4)模型頂部加100 m的固定水頭，即恒定水源。模型圍巖本構(gòu)關(guān)系采用Mohr-Coulumb模型，并考慮采動(dòng)影響，即通過(guò)編譯FISH函數(shù)使巖體的滲透系數(shù)隨其體積變形量作相應(yīng)改變。采用立方裂隙巖體水力學(xué)模型，巖體由正交的三組裂隙所切割。水流主要沿著這三組裂隙流動(dòng)，忽略其他裂隙及巖石本身的滲水性，其中巖體力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2，具體的滲流模型如圖2所示。

圖1　模型柱狀

圖2　滲流計(jì)算模型

編號(hào)巖性厚度H(m)體積模量K(GPa)剪切模量G(GPa)密度ρ(kg/m3)粘聚力C(MPa)內(nèi)摩擦角φ(°)抗拉強(qiáng)度σ(MPa)1砂巖202.811.7624803.0230.002.362細(xì)砂巖1110.7810.3727809.9843.5518.613粉砂巖72.332.3125002.2030.003.814砂質(zhì)泥巖131.971.5525002.7431.551.145直接頂泥巖71.020.9925501.7430.150.436112煤層30.400.4814500.8020.000.057底部泥組93.621.3326004.5036.005.14

圖3　初始孔壓分布云圖

模型的力學(xué)邊界條件：上、下邊界施加σ1=10 MPa；左、右邊界施加σ2=10 MPa。滲流邊界條件：底部邊界施加P下=1.0 Mpa的固定水壓；頂部邊界施加0.3 Mpa固定水壓，設(shè)置梯度為0.01 Mpa，得到原始裂隙孔隙分布圖如圖3所示。

2.2模擬結(jié)果與分析

為符合開(kāi)采實(shí)際，模擬計(jì)算從形成原巖應(yīng)力場(chǎng)開(kāi)始，沿采煤工作面走向分步進(jìn)行。模擬過(guò)程中，先將開(kāi)挖空間的實(shí)單元變成空單元，再將對(duì)應(yīng)單元滲流參數(shù)也賦空值。同時(shí)隨著采空區(qū)垮落巖塊的堆積壓實(shí)，對(duì)其力學(xué)參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)賦值。根據(jù)該礦的現(xiàn)行采煤方法，模擬一次采全高，設(shè)計(jì)工作面走向長(zhǎng)度200 m，傾向長(zhǎng)度100 m，模擬采高70 m。對(duì)模型進(jìn)行50 m一步的分步開(kāi)挖，具體開(kāi)挖過(guò)程見(jiàn)圖4。

由圖4可以分析得出，工作面兩端頭圍巖的滲流速度大于中部圍巖的滲流速度，在距工作面兩端頭約10 m左右的范圍內(nèi)的滲流速度大；工作面煤壁附近圍巖滲流速度大于采空區(qū)內(nèi)未壓實(shí)垮落巖體的滲流速度。在初始階段巖體滲透性增加區(qū)域在頂板呈“M”形分布。隨著采長(zhǎng)的不斷擴(kuò)大，滲透區(qū)域有序向切眼外方及工作面前方擴(kuò)展。采空區(qū)中部被壓實(shí)，滲流銳減或消失，最終達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，且滲透能力只是初始滲透能力的幾分之一。也即，在煤層開(kāi)采工程中，只要在工作面開(kāi)采初始沒(méi)有發(fā)生頂板突水，那么在以后的開(kāi)采過(guò)程中，開(kāi)切眼一側(cè)發(fā)生頂板突水的可能性很小，應(yīng)該注意的是在迎頭位置危險(xiǎn)性較大。

a　50m

b　100m

c　150m

a　50m

b　100m

圖5為隨采面滲流場(chǎng)速度變化圖(Contour Of Z-Velocity)，其變化特征從推進(jìn)圖上可以大概的劃分為兩個(gè)階段。第一階段：工作面頂板裂隙逐漸擴(kuò)大，巖體滲透性能增大，至推進(jìn)約100 m(圖5(a)、(b))，采動(dòng)巖體的滲流速度達(dá)到最大，其中在采空區(qū)中上部滲流速度最大達(dá)到1.57 MPa，主要是因?yàn)槭艿嚼瓚?yīng)力的作用，此時(shí)采場(chǎng)最容易發(fā)生了頂板突水。第二階段：隨著工作面繼續(xù)推進(jìn)至150 m(圖5(c))，采動(dòng)巖體的滲流速度分布格局發(fā)生變化，由原來(lái)的中部最大向吧、兩端擴(kuò)展，此時(shí)中部滲流速度變小，值降為0.6～0.8 MPa，說(shuō)明該處由原來(lái)的受壓狀態(tài)經(jīng)頂板的跨落壓實(shí)變成了以壓應(yīng)力為主了；在兩端頭表現(xiàn)出1.78 MPa的集中區(qū)域。

c　150m

a　50m

b　100m

c　150m

圖6為隨采過(guò)程中應(yīng)力變化云圖。由圖可知最大應(yīng)力值集中在采空區(qū)的兩端，應(yīng)力值從2.18 MPa變化至2.42 MPa，有逐漸增大的趨勢(shì)，隨后基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。采空區(qū)中上部分布的應(yīng)力值較小，且在形態(tài)上呈現(xiàn)出“拱形”特征，基本呈對(duì)稱(chēng)分布，在云圖的最高位置即為破壞的最大區(qū)域。

3　結(jié)語(yǔ)

FLAC3D的滲流模擬計(jì)算表明，采動(dòng)巖體滲流通道的發(fā)展及其滲流矢量、滲流速度、孔隙壓力及導(dǎo)水邊界線的動(dòng)態(tài)變化明顯受煤層開(kāi)采的影響：

(1) 煤層在開(kāi)采工程中，工作面兩端頭易發(fā)生頂板突水，其次是采空區(qū)上下兩平巷側(cè)容易失穩(wěn)突水

(2) 采動(dòng)巖體的滲流量和孔隙壓力都經(jīng)歷了由小到大再變小的過(guò)程，說(shuō)明采空區(qū)及其上方覆巖的導(dǎo)水裂隙被逐漸壓實(shí)，失去了突水能力。

(3) 11-2煤層頂板距離13-1煤層底板平均為78 m，而滲流變化的最大高度范圍大約穩(wěn)定在頂板以上45 m左右；因此，11-2煤層的開(kāi)采對(duì)上覆煤層的安全開(kāi)采無(wú)太大影響。

[1]李德中，賴(lài)達(dá)金. 工作面頂板砂巖裂隙水綜合防治技術(shù)[J].煤炭科學(xué)技術(shù).2004, 32(3): 30-33.

[2]劉 浩, 戴芝禮. Ⅱ461工作面頂板砂巖裂隙水防治分析[J]. 煤炭科技.2006, (4): 49-51.

[3]洪荒. 礦井瞬變電磁法在煤層頂板砂巖裂隙水防治中的應(yīng)用[J]. 煤礦安全.50-52.

[4]夏森林, 孫興平. 顧橋礦頂板砂巖裂隙賦水性特征[J].中國(guó)煤炭學(xué)會(huì)礦井地質(zhì)專(zhuān)業(yè)委員會(huì)論文集.2008.

[5]江東明. 張集礦13煤層頂板砂巖裂隙水特征及防治[J]. 煤. 2013,44-47.

[6]胡 戈, 李文平, 劉啟蒙, 等. 綜放開(kāi)采過(guò)斷層頂板破壞規(guī)律數(shù)值模擬[J]. 能源技術(shù)與管理.2008, (1):1-3.

[7]趙延林. 裂隙巖體滲流-損傷-斷裂耦合理論及應(yīng)用研究[D].中南大學(xué).2009.

[8]肖 旸. 煤田火區(qū)煤巖體裂隙滲流的熱-流-固多場(chǎng)耦合力學(xué)特性研究[D].西安科技大學(xué). 2013.

[9]白國(guó)良. 基于FLAC3D的采動(dòng)巖體等效連續(xù)介質(zhì)流固耦合模型及應(yīng)用[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào).2010, 27(1):106-110.

[10]史偉亮, 燕 喬, 張 碩. 基于FLAC3D的圍堰邊坡穩(wěn)定流-固耦合分析[J].人民黃河.2012, 34(5):117-120.

The Numerical Simulation Research of Seepage Field of Roof Sandstone Crevice Water

GAOJun1，SONGMa-ke2

(1.No.121 geology team, Fujian, Longyan 364000, Fujian；2. School of Earth and Environment, Anhui University of Science and Technology, Huainan 232001, Anhui)

This paper takes the mining of 11-2 coal seam of southern two mining area in Guqiao mine as an example, analyzes occurrence conditions of its roof sandstone and uses the Stress- Seepage coupling simulation module of FLAC3D software to analyze the law of seepage field of roof sandstone crevice water, determines the impact of this coal mining on overlying coal mining and the possibility of roof water inrush.The simulation results show that: in the process of coal seam mining, If the roof water inrush did not happen in the initial stages of working face mining, in the later mining process, the possibility of the roof water inrush is small in the side of open-off cut ,but there is a greater risk in the front of working face; in addition, the mining of 11-2 coal seam has little effect on the safety mining of overlying coal seam.

Roof sandstone；stress-Seepage coupling；seepage field and roof water inrush

2016-02-01

高俊(1991-)，男，安徽安慶人，助理工程師，主要從事水文地質(zhì)與工程地質(zhì)工作。

P641.4

A

1004-1184(2016)04-0042-04