傾斜煤層采動(dòng)條件下覆巖移動(dòng)規(guī)律研究

陳正華，徐 洪，曾 亮，楊富軍

(1.自然資源部地質(zhì)災(zāi)害自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)創(chuàng)新中心，重慶 400042；2.重慶市地質(zhì)災(zāi)害自動(dòng)化監(jiān)測(cè)工程技術(shù)研究中心/重慶地質(zhì)礦產(chǎn)研究院，重慶 400042)

煤礦的開采以及巷道的開拓造成應(yīng)力場(chǎng)和地下水滲流場(chǎng)的改變，導(dǎo)致大量的礦井突水災(zāi)害日趨嚴(yán)重，同時(shí)隨著煤礦開采深度的增加和多煤層疊加開采等采礦地質(zhì)條件的日趨復(fù)雜，覆巖離層水害隨之出現(xiàn)。近年來眾多學(xué)者對(duì)各類煤礦覆巖移動(dòng)、離層形成機(jī)制作出研究[1-10]，成為礦井水害防治研究熱點(diǎn)，針對(duì)傾斜煤礦筆者曾對(duì)魚田堡煤礦礦井涌水量變化特征[11]及采動(dòng)條件下頂板巖溶地下水運(yùn)移規(guī)律[12]進(jìn)行研究，本文進(jìn)一步通過離散元程序UDEC進(jìn)行數(shù)值模擬，與前期收集資料及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)所取得的結(jié)論相互補(bǔ)充驗(yàn)證，以求直觀且有效的反映出傾斜煤層在開挖過程中上覆巖層的運(yùn)動(dòng)情況及運(yùn)動(dòng)造成的位移、裂縫分布情況，從而分析地下水的存儲(chǔ)空間。重點(diǎn)對(duì)長(zhǎng)興段巖溶含水層進(jìn)行數(shù)值模擬研究，根據(jù)裂縫分布分析地下水疏降及匯集的通道，為同類傾斜煤層采動(dòng)條件下水害防治提供參考。

1 礦區(qū)概況

魚田堡煤礦處于丘陵地帶，為構(gòu)造侵蝕地形和巖溶地形，年降雨量940.1～1 589.6 mm，主要集中在6、7月。礦區(qū)大部分為巖溶地區(qū)，在侵蝕基準(zhǔn)面+265 m 以上含水層含水性較強(qiáng)，巖溶發(fā)育，富水性好；侵蝕基準(zhǔn)面+265 m 以下含水性較弱，巖溶基本不發(fā)育，富水性差。

礦區(qū)整體為單斜構(gòu)造，沿東西向展布，東西走向長(zhǎng)約4 km，傾向北，傾角22°～45°，平均為32°。

2 數(shù)值模擬計(jì)算

2.1 模型建立

本次模擬范圍是以圖1(a)中-100 m～-350 m高程之間的地質(zhì)背景為基礎(chǔ)，建立圖1(b)二維模型，模型尺寸522.74 m×250 m，煤層傾角取32°，根據(jù)煤系及頂板柱狀圖地層厚度建立模型。

圖1 模擬范圍地質(zhì)背景

2.2 力學(xué)模型

為了更加適合巖土體的材料性質(zhì)，模型塊體單元采用摩爾庫(kù)倫塑性本構(gòu)，節(jié)理單元采用摩爾庫(kù)倫滑移本構(gòu)。

摩爾-庫(kù)倫模型的屈服函數(shù)，當(dāng)采用摩爾形式的表達(dá)為

τ-σtanφ-c=0

(1)

摩爾-庫(kù)倫模型的屈服函數(shù)，當(dāng)采用庫(kù)倫形式的表達(dá)為

(σ1-σ3)-(σ1+σ3)sinφ-2ccosφ=0

(2)

式中，σ為剪切面上的正應(yīng)力；τ為剪切面上的剪應(yīng)力；c為巖土類材料的粘聚力；φ為巖土類材料的摩擦角。

2.3 邊界條件及參數(shù)取值

模型采用位移控制邊界條件的方法，將模型左右兩邊在x方向上的速度設(shè)為0，模型的底部邊界y方向速度設(shè)置為0，上部界面施加向下應(yīng)力1.375×107Pa，施加重力加速度達(dá)到平衡狀態(tài)。

根據(jù)魚田堡煤礦巖性，主要計(jì)算參數(shù)見表1。

表1 udec數(shù)值模擬參數(shù)

2.4 模擬開采工況

巖體在開掘地下巷道之前是處于原始的應(yīng)力平衡狀態(tài)，巖石的原始應(yīng)力主要決定于上覆巖層的重量及其物理、力學(xué)性質(zhì)。地下開采工作破壞了巖體內(nèi)部原有的應(yīng)力場(chǎng)，使采空區(qū)周圍的巖石乃至地表發(fā)生移動(dòng)。本次模擬沿煤層傾向向下采掘，分為四個(gè)工況，每次開采長(zhǎng)度50 m，依次推進(jìn)：四個(gè)工況模型塊體垮落形態(tài)見圖2。

圖2 數(shù)值模型四個(gè)工況模型塊體垮落形態(tài)

3 位移模擬結(jié)果分析覆巖移動(dòng)規(guī)律

3.1 位移場(chǎng)分析

開采工況一y方向位移云圖見圖3(a)，當(dāng)掘進(jìn)50 m時(shí)，頂板中心y方向位移最大0.4～0.6 m，方向向下，且呈現(xiàn)出兩側(cè)位移小，中間位移大的對(duì)稱形態(tài)，此時(shí)頂板未垮落；底板y方向位移小于0.2 m，方向向上；兩側(cè)y方向位移小于0.2 m，方向向下。

開采工況二y方向位移云圖見圖3(b)，當(dāng)掘進(jìn)100 m時(shí)，頂板中心y方向位移最大3.5～4 m，方向向下，且呈現(xiàn)出兩側(cè)位移小，中間位移大的對(duì)稱形態(tài)，此時(shí)頂板垮落，底板y方向位移約0.5 m，方向向上；兩側(cè)y方向位移約0.5 m，方向向下。

開采工況三y方向位移云圖見圖3(c)，當(dāng)掘進(jìn)150 m時(shí)，頂板中心y方向位移最大3～4 m，方向向下，且呈現(xiàn)出兩側(cè)位移小，中間位移大的對(duì)稱形態(tài)，此時(shí)頂板垮落，底板y方向位移小于1 m，方向向上；兩側(cè)y方向位移小于1 m，方向向下。

開采工況四y方向位移云圖見圖3(d)，當(dāng)掘進(jìn)200 m時(shí)，頂板中心y方向位移最大4 m，方向向下，呈現(xiàn)兩側(cè)位移小，中間位移大，并出現(xiàn)兩個(gè)峰值，此時(shí)頂板垮落；底板y方向位移小于1 m，方向向上；兩側(cè)y方向位移小于1 m，方向向下。

圖3 數(shù)值模型四個(gè)工況y方向位移場(chǎng)

3.2 覆巖移動(dòng)規(guī)律

對(duì)比四個(gè)工況的y方向位移模擬總結(jié)覆巖移動(dòng)規(guī)律：

(1)煤層頂板在采掘活動(dòng)后向下移動(dòng)，大致呈現(xiàn)出中間位移大，兩側(cè)位移小的對(duì)稱條帶形態(tài)。當(dāng)掘進(jìn)到50 m工況一時(shí)，頂板位移小未垮落，進(jìn)一步掘進(jìn)到100 m工況二時(shí)，頂板y方向位移突然增大說明頂板垮落；當(dāng)掘進(jìn)到200 m工況時(shí)，y方向位移出現(xiàn)兩個(gè)峰值，說明當(dāng)掘進(jìn)到一定長(zhǎng)度后，垮落的頂板灰?guī)r一定距離形成拱。

(2)煤層底板在采掘活動(dòng)中會(huì)產(chǎn)生向上的位移，也形成條帶狀，位置偏向采掘方向。

(3)采掘煤層兩側(cè)也出現(xiàn)向下的位移，大小與煤層底板位移大小接近，方向相反。

4 裂縫模擬結(jié)果分析離層發(fā)育規(guī)律

4.1 裂縫模擬分析

圖4(a)為工況一采掘50 m時(shí)剖面上裂縫分布圖，圖上紫紅色為裂縫位置，可見頂板未垮落，裂縫只出現(xiàn)在采掘面。

圖4(b)為工況二采掘100 m時(shí)剖面上裂縫分布圖，此時(shí)頂板垮落，紫紅色裂縫顯示覆巖中形成平行層面的離層，主要分布在長(zhǎng)興一段和龍?zhí)督M，以兩者接觸面附近居多。圖5(a)為圖4(b)紅色方框中的細(xì)節(jié)圖，能夠明顯看到此工況下長(zhǎng)興一段與龍?zhí)督M之間離層現(xiàn)象。

圖4(c)為工況三采掘150 m時(shí)剖面上裂縫分布圖，此時(shí)上半段頂板已垮落，紫紅色裂縫顯示覆巖中形成平行層面的離層狀況，原工況二出現(xiàn)的離層大部分已經(jīng)閉合，僅剩少量主要分布在長(zhǎng)興一段和龍?zhí)督M接觸面。圖5(b)為圖4(c)紅色方框中的細(xì)節(jié)圖，能夠明顯看到此工況下，下半段掘進(jìn)范圍頂板出現(xiàn)較大離層，將要垮落。

圖4(d)為工況四采掘200 m時(shí)剖面上裂縫分布圖，紫紅色裂縫顯示覆巖中形成平行層面的離層狀況，此時(shí)長(zhǎng)興一段出現(xiàn)大量離層，延伸長(zhǎng)、空間大。圖5(c)為圖4(d)紅色方框(上)中的細(xì)節(jié)圖，可見長(zhǎng)興一段的離層現(xiàn)象，以長(zhǎng)興一段和長(zhǎng)興二段界面軟硬巖間離層空間最大。圖5中將要垮落的頂板在工況四時(shí)已垮落，導(dǎo)致對(duì)應(yīng)上部覆巖位移加大，形成第二個(gè)位移峰值(圖3(d))。圖5(d)為圖4(d)紅色方框(下)中的細(xì)節(jié)圖，新采掘50 m頂板開始出現(xiàn)新離層，并逐漸發(fā)展，可以預(yù)見當(dāng)繼續(xù)向下開采煤層，頂板支撐不住垮落后，掘進(jìn)范圍上部覆巖位移加大，將形成第三個(gè)位移峰值。

圖4 數(shù)值模型四個(gè)工況裂縫分布情況

圖5 裂縫分布細(xì)節(jié)圖

4.2 離層發(fā)育規(guī)律分析

根據(jù)四個(gè)工況持續(xù)開采模擬結(jié)果推測(cè)，離層的發(fā)育規(guī)律如下：

(1)采掘初始頂板開始出現(xiàn)離層，繼續(xù)開采當(dāng)頂板垮落后覆巖軟硬巖接觸部分易出現(xiàn)平行層理離層現(xiàn)象；

(2)當(dāng)繼續(xù)向下采掘一定距離時(shí)，直接頂板新的離層出現(xiàn)，原來垮落地段覆巖離層不斷壓密，空間減小，大部分離層閉合；

(3)以此循環(huán)向前，離層產(chǎn)生、發(fā)展、閉合，主要離層部位始終位于新采掘工作面上方。

(4)隨著采掘距離增大，離層發(fā)育的高度有增大趨勢(shì)。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)UDEC模擬結(jié)果顯示煤層頂板覆巖在采掘活動(dòng)后向下移動(dòng)，大致呈現(xiàn)出中間位移大，兩側(cè)位移小的對(duì)稱條帶形態(tài)；煤層底板在采掘活動(dòng)中會(huì)產(chǎn)生向上的位移，形成條帶狀，位置偏向采掘方向；采掘煤層兩側(cè)出現(xiàn)向下的位移，大小與煤層底板位移大小接近，方向相反。

(2)煤層頂板覆巖離層的發(fā)育規(guī)律：采動(dòng)條件下當(dāng)頂板垮落后覆巖軟硬巖接觸部分易出現(xiàn)平行層理離層現(xiàn)象；當(dāng)繼續(xù)向下采掘一定距離時(shí)，直接頂板新的離層出現(xiàn)，原來垮落地段覆巖離層不斷壓密，空間減小，大部分離層閉合；以此循環(huán)向前，離層產(chǎn)生、發(fā)展、閉合，主要離層部位始終位于新采掘工作面上方。

(3)礦井涌水量臺(tái)帳歷史資料統(tǒng)計(jì)分析[11]說明礦井涌水量大小與采掘活動(dòng)密切相關(guān)，在主要采掘工作面上方頂板涌水量最大；連通試驗(yàn)[12]證實(shí)長(zhǎng)興段地下水大量向采掘工作面頂板涌水；UDEC數(shù)值模擬直觀展示了采動(dòng)條件下離層產(chǎn)生、發(fā)展、閉合，主要離層部位始終位于新采掘工作面上方。三者從現(xiàn)象到證實(shí)再到理論研究，從不同的角度說明頂板長(zhǎng)興段灰?guī)r含水層中地下水在采動(dòng)影響下向采掘工作面排泄的特點(diǎn)，最終疏降到最低采掘工作面，而上水平巷道以及同水平已結(jié)束開采巷道覆巖相對(duì)穩(wěn)定頂板長(zhǎng)興段灰?guī)r地下水排泄量非常有限，不是主要疏降途徑。