18112 工作面覆巖導水裂隙發(fā)育和滲流規(guī)律模擬分析

田彥斌

（山西西山晉興能源有限責任公司斜溝煤礦，山西 興縣 033602）

1 工程概況

山西晉興能源有限公司斜溝煤礦位于呂梁山脈的西北端，礦井主要開采8#和13#煤層。8#煤層位于山西組下部，煤層平均厚度為4.87 m。煤層直接頂為泥巖，均厚為3.14 m；基本頂為中粗粒砂巖，均厚為9.9 m；直接底為細粒砂巖，均厚為3.4 m；基本底為中細粒砂巖，均厚為3.4 m。煤層地表主要為黃土丘陵、澗地和川臺地等，井田內(nèi)的地勢主要呈現(xiàn)為西北高、中部底的特征，井田范圍內(nèi)溝谷地形較多，具體地表地形如圖1。根據(jù)礦井地質(zhì)資料可知，井田范圍內(nèi)的溝谷主要為沖溝，長度基本在1.0～7.3 m 范圍內(nèi)，寬度在5～57 m 范圍，深度在4～60 m 范圍。

18112 工作面位于8#煤層11 采區(qū)，工作面對應的地表區(qū)域起伏較大，工作面頂板的主要含水層為砂巖裂隙水，且砂巖裂隙水又與地表水之間存在密切的聯(lián)系。井田范圍內(nèi)存在著三條河流，分別為湫水河、蔚汾河和嵐漪河。具體工作面布置形式及其與溝谷的位置關(guān)系如圖1?，F(xiàn)為防止工作面回采期間導水裂隙帶與頂板砂巖裂隙水出現(xiàn)貫通，特進行工作面回采期間導水裂隙帶發(fā)育規(guī)律的分析。

圖1 18112 工作面布置位置及其與溝谷位置關(guān)系示意圖

2 覆巖裂隙發(fā)育規(guī)律

為充分分析18112 工作面回采過程中溝谷區(qū)域覆巖裂隙的發(fā)育規(guī)律，現(xiàn)采用RFPA 數(shù)值模擬軟件，結(jié)合工作面各項特征，建立長×高=400 m×220 m的數(shù)值模型。模型從地表建立到13#煤層的底板，設置模型溝谷深度×寬度=60 m×25 m，并在工作面兩端各留設50 m 的保護煤柱，設置工作面每步開挖10 m，固定模型左右兩側(cè)水平方向的位移，模型底板水平和豎直方向的位置均固定[1-2]。具體數(shù)值模擬模型圖如圖2。

圖2 數(shù)值模擬模型示意圖

基于數(shù)值模擬結(jié)果，能夠得出工作面不同推進長度下溝谷區(qū)域覆巖裂隙帶的發(fā)育規(guī)律?，F(xiàn)具體分析工作面回采60 m、80 m、120 m、150 m、200 m、250 m 時覆巖的損傷特征，覆巖損傷情況如圖3。

圖3 工作面回采不同長度下覆巖損傷特征圖

分析圖3 可知，工作面回采初期，上覆巖層的發(fā)育范圍相對較??；當工作面回采推進80 m 后，工作面覆巖上方聲發(fā)射事件呈現(xiàn)出明顯增大的特征；在工作面推進120 m 時，工作面已經(jīng)回采推進至地面溝谷區(qū)域下坡的底部區(qū)域，采動影響下覆巖的破壞范圍逐漸擴展至溝谷的下坡段，此時巖層的損傷程度出現(xiàn)明顯加劇發(fā)育的特征，聲發(fā)射最密集的區(qū)域在工作面正上方直至地表的巖層內(nèi)，稱該區(qū)域為裂隙的成核區(qū)，該區(qū)域內(nèi)縱向裂隙和離層裂隙顯著發(fā)育；當工作面回采推進150 m 時，工作面回采推進至溝谷底部下部，覆巖主要發(fā)生壓破壞，上覆巖層聲發(fā)射事件數(shù)量大量增大；隨著工作面的進一步推進，在工作面進行迎坡推進作業(yè)時，覆巖間的錯動現(xiàn)象出現(xiàn)加劇發(fā)育現(xiàn)象，且覆巖內(nèi)裂隙的成核區(qū)域的現(xiàn)象發(fā)育較為明顯。

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，結(jié)合上述分析確定18112工作面回采作用下上覆巖層垮落帶發(fā)育高度為12 m，導水裂隙帶的發(fā)育高度為38 m。其中裂隙演化規(guī)律中的裂隙成核區(qū)為主要的導水裂隙帶發(fā)育區(qū)域，工作面推進至溝谷底部下方時，擴展的分支裂隙數(shù)顯著增大，導水裂隙帶較為發(fā)育，且在溝谷區(qū)域裂隙帶的下滲通道也較為發(fā)達。

3 工作面開采水流場分布規(guī)律

3.1 模型的建立

為保障18112 工作面回采期間的安全，基于上述數(shù)值模擬結(jié)果可知，工作面在回采推進至溝谷區(qū)域時，在工作面推進至溝谷底部時，回采動壓對上覆巖層的動壓影響已經(jīng)致使工作面頂板裂隙與地表之間貫通，此時溝谷區(qū)域的地表積水會順著裂隙滲入工作面，進而導致突水事故的出現(xiàn)。故現(xiàn)為保障工作面安全回采，采用COMSOL 數(shù)值模擬軟件進行工作面回采情況下裂隙水流場演化規(guī)律的模擬分析[3-4]。

根據(jù)18112 工作面的地質(zhì)條件，建立長×高=400 m×220 m 的數(shù)值模型。數(shù)值模型中的裂隙分布依據(jù)RFPA 的模擬結(jié)果設置，設置模型中模型底部邊界和溝谷底部的水源區(qū)域為流動邊界，其余邊界為不流動邊界，設置模型底部水頭壓力為0，在溝谷底部水源處設置水頭壓力，模型中各個分層的水頭壓力根據(jù)巖層高度進行計算確定[5]，并結(jié)合頂?shù)装鍘r層特征進行各巖層物理力學參數(shù)的賦值。基于斜溝煤礦地質(zhì)資料，結(jié)合雨季溝谷匯水情況統(tǒng)計結(jié)果，設置溝谷的水深5 m，水頭壓力0.05 MPa，模型建立完畢后進行工作面回采作業(yè)下滲流場流速分布規(guī)律的分析。

3.2 模擬結(jié)果分析

（1）工作面回采時滲流場分布規(guī)律

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，得出工作面在不同推進長度下滲流場的分布規(guī)律?，F(xiàn)具體對工作面推進0 m、60 m、150 m、200 m、220 m 和280 m 時滲流場的分布進行出圖，具體如圖4。

圖4 工作面推進不同長度下滲流場分布規(guī)律圖

分析圖4 可知，隨著工作面回采作業(yè)的進行，工作面與溝谷之間的水平距離逐漸減小。在工作面推進120 m 時，頂板巖層的損傷破壞區(qū)已經(jīng)發(fā)展至溝谷水源區(qū)域形成了導水通道，致使工作面上方的滲流速度急劇增大；隨著工作面在溝谷區(qū)域的進一步推進，覆巖導水裂隙帶進一步發(fā)育，地表溝谷區(qū)域水源的滲流速度進一步增大，在工作面回采推進200 m 時，工作面上方滲流速度達到最大值為2.43×10-3m/s；隨后工作面以回采推過溝谷區(qū)域，隨著回采作業(yè)的進行，覆巖內(nèi)水體滲流速度逐漸減小，且采空區(qū)中部的流速小于工作面區(qū)域附近的流速，這是由于工作面推進過溝谷區(qū)域后，溝谷下方的導水裂隙會逐漸被壓實，進而能夠阻止水的滲流。

（2）滲流量演化規(guī)律分析

同樣根據(jù)模擬結(jié)果能夠得出工作面不同回采長度下覆巖頂板單位厚度水流量的變化規(guī)律如圖5。

分析圖5 可知，隨著工作面推進與溝谷區(qū)域水平距離的減小，頂板單位厚度的滲流量逐漸增大。在工作面推進120 m 時，工作面處于溝谷下坡的底部，頂板單位厚度的滲流量急劇增大，單位滲流量增大為7.41×10-5m3/s；在工作面推進200 m 時，頂板單位厚度的滲流量進一步增大，單位滲流量達到最大值，為1.37×10-4m3/s，此時工作面最易發(fā)生突水事故；當工作面推進250 m 后，即工作面推進到溝谷上坡段的中部時，頂板單位的滲流水量明顯下降，其值為6.62×10-6m3/s；隨著工作面的推進，頂板單位滲流水量會進一步減小，此時工作面發(fā)生突水的危險性大大降低。

圖5 工作面推進不同長度下頂板水流量柱狀圖

3.3 防治水建議

在工作面推進120 m（工作面處于溝谷下坡的底部）～工作面推進250 m（工作面處于到溝谷上坡段的中部）時，工作面存在著較大的突水危險性。故在工作面回采至該區(qū)域時，應提前采取超前注漿預堵水和地表水抽水相結(jié)合的防治水措施。

4 結(jié)論

根據(jù)18112 工作面地表溝谷區(qū)域的特征，采用數(shù)值模擬分析確定工作面上覆巖層垮落帶的發(fā)育高度為12 m，導水裂隙帶的發(fā)育高度為38 m，在溝谷下方工作面導水裂隙與地表相貫通；工作面回采至溝谷下坡的底部（推進120 m）～溝谷上坡段的中部（推進250 m）時，工作面存在著較大的突水危險性，應提前采取超前注漿預堵水和地表水抽水結(jié)合的防治水措施，以保障工作面的安全回采。