采空區(qū)下近距離煤層開采覆巖導(dǎo)水裂隙發(fā)育規(guī)律模擬研究

周詩楠，庹云升，張真寧，王 濤

(貴州理工學(xué)院， 貴州 貴陽 550000)

1 引言

經(jīng)過多年的開采，貴州地煤田的第1層煤層已經(jīng)采完，部分礦區(qū)開始開采第2層煤層。由于兩層煤層的間距不大，在下煤層開采后，采動的影響空間會相互疊加，使得采動影響范圍擴大。不但會形成新的采動覆巖導(dǎo)水通道，而且原來已經(jīng)壓實穩(wěn)定的覆巖導(dǎo)水通道在一定地質(zhì)條件下有可能“復(fù)活”并再次發(fā)育，將使原本沒有受到破壞的地表水和地下水流失，還會造成生產(chǎn)損失和人員傷亡。

對于裂隙發(fā)育數(shù)值模擬，張明清等人，運用UDEC軟件對12309采面進行了仿真數(shù)值模擬實驗[1]；田靈濤等人采用現(xiàn)場沖洗液漏失量法和彩色鉆孔電視孔內(nèi)觀測法，并與理論分析相結(jié)合研究了察哈素煤礦上覆巖層“兩帶”高度[3]；李兵、賈男，采用經(jīng)驗公式和現(xiàn)場鉆孔窺視 2 種方式對采后頂板裂隙帶的裂隙發(fā)育富集區(qū)進行了綜合研究[4]；魏剛等人基于相似模擬實驗的方法和數(shù)字散斑的測試原理，而對保護層開采后的采動裂隙分布規(guī)律進行研究[5]；廖孟軻、王波; 通過實驗室相似性模擬驗證了初次破斷及周期破斷開采下的上覆巖層應(yīng)力及位移分布規(guī)律[2]；武泉林等人針對工作面上覆兩層硬厚巖層情況，運用相似模擬試驗的方法，研究了采動影響下裂隙演化及分布特征[6]；褚延湘、余明高等人提出: ①系統(tǒng)制定防滅火技術(shù)措施的必要性;②增阻控制漏風(fēng)技術(shù)措施; ③阻化劑的優(yōu)選實驗[7]；閆立君等人，進一步從理論角度對采空區(qū)頂?shù)装宓挠克ǖ篮筒煽諈^(qū)積水的影響因素進行了分析[8]；李僑等人要運用數(shù)值模擬、理論分析以及瞬變電磁現(xiàn)場實測3種研究手段[9]；張志祥、張永波等人，運用分形幾何理論研究采空區(qū)冒落帶、裂隙帶的巖體裂隙分形特征[10]。

關(guān)于兩層煤礦之間距離的這一問題，了解到有很多人在此之前就已經(jīng)考察過，并提出了由此會帶來的危害。在他們的基礎(chǔ)上利用相關(guān)數(shù)據(jù)在FALC數(shù)值模擬軟件上進行模擬，求出兩層煤礦之間的距離為多少時為一個最安全的值而不會再次發(fā)生積水危害事件。

2 工程概況

遵義縣山盆鎮(zhèn)李梓煤礦，屬高原低中山地貌，其間發(fā)育有沖溝、洼地等，南西、北東兩端分別為桐梓河、混子河。地形起伏受區(qū)域內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性和地表河流控制，山體走向呈北東―南西向。井田屬赤水河流域，西部、北西部發(fā)育有多條常年性溪溝，溪溝從南向北徑流，常年性補給源為泉水。根據(jù)礦區(qū)勘探報告，礦井淺部煤層露頭附近存在老窯采空區(qū)，老窯開采歷史較長，現(xiàn)已全關(guān)閉，大部分采空區(qū)內(nèi)充滿水。10煤層位于煤系地層中上部，開采深度為51 m，煤層平均厚度約為2 m，屬穩(wěn)定煤層，大部分可采，12煤層上覆34 m為采空區(qū)，在開采過程中有可能受到上覆采空區(qū)的影響，一旦開采裂隙發(fā)育至采空區(qū)，就有可能引發(fā)突水危機，則需要研究12煤層開采過程中的裂隙發(fā)育高度[11]。

3 模擬方案確定

模擬方案如表1所示。

表1 5種模擬方案

4 數(shù)值模擬模型建立

4.1 模型范圍的確定

模型范圍如圖1所示。

圖1 數(shù)值模擬建立的模型

4.2 各巖層力學(xué)參數(shù)

各巖層力學(xué)參數(shù)見表 2巖層力學(xué)參數(shù)。

4.3 數(shù)值模擬結(jié)果：

4.3.1 當(dāng)挖第一層煤層后的裂隙發(fā)育情況

當(dāng)挖第一層煤層后的裂隙發(fā)育情況如圖2所示。

4.3.2 當(dāng)挖第二層煤層后的裂隙發(fā)育情況

當(dāng)挖第二層煤層后的裂隙發(fā)育情況如圖3所示。

4.3.3 數(shù)據(jù)比較

5種方案的數(shù)據(jù)對比如表3所示。

由表3可知，當(dāng)兩煤層間距為10 m、20 m、30 m、40 m、50 m時，10煤層煤底板裂隙發(fā)育大約為6.0 m、5.8 m、5.5 m、5.0 m、4.8 m；12煤層煤頂裂隙發(fā)育大約為26.0 m、25.7 m、25.5 m、25.3 m、24.0 m;由此可知隨著兩層煤層之間間距的逐漸增大，10煤層煤底板裂隙發(fā)育逐漸變小，12煤層的煤頂裂隙發(fā)育也逐漸小，但是變化均不明顯。而當(dāng)煤層間距為10 m、20 m、30 m時會形成貫通裂隙，當(dāng)煤層間距為40 m、50 m時不會形成貫通裂隙。

表2 巖層力學(xué)參數(shù)

圖2 挖第一層煤層后的裂隙發(fā)育情況

圖3 挖第二層煤層后的裂隙發(fā)育情況

表3 5種方案的數(shù)據(jù)對比

5 結(jié)論

(1)通過對遵義縣山盆鎮(zhèn)李梓煤礦煤層開采進行的模擬實驗，，利用flac數(shù)值模擬對實驗結(jié)果進行了分析，得出了兩層煤層開采后其裂隙的發(fā)育程度，從而得出兩煤層間距最為安全的距離。

(2)通過數(shù)值模擬的結(jié)果得出這樣的規(guī)律：對兩煤層進行開挖之后，兩煤層的的裂隙發(fā)育程度均逐漸變小且變化不大，不足以造成太大波動。

(3)通過數(shù)值模擬得出在兩煤層間距小于40 m時不會形成貫通裂隙，大于40 m后就會形成貫通裂隙，由此可知當(dāng)兩煤層間距小于40 m時屬于安全范疇，不會造成突水事件。