煤炭開(kāi)采面圍巖滲透性分布規(guī)律研究

王劍敏

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)云崗礦，山西 大同 037000）

引言

煤巖體的力學(xué)平衡和開(kāi)采面圍巖的水力學(xué)特性會(huì)隨著煤炭的開(kāi)采而發(fā)生改變，進(jìn)而導(dǎo)致巖層變形，以及圍巖滲透性機(jī)制發(fā)生改變。因此，研究煤炭開(kāi)采面中頂?shù)装鍑鷰r滲透性分布規(guī)律，是目前煤炭開(kāi)采防治水領(lǐng)域迫切需要攻克的問(wèn)題。

采動(dòng)巖層的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及瞬時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)是復(fù)雜且未知的，因此在研究開(kāi)采面圍巖滲透性分布規(guī)律方向時(shí)，起步探索會(huì)遇到瓶頸。但是，由于數(shù)值計(jì)算仿真方法可以模擬和探索工作面采煤時(shí)巖層變形和地下水流動(dòng)情況，因此能夠觀察到煤炭開(kāi)采過(guò)程中巖體的未知狀態(tài)，并由此總結(jié)出規(guī)律[1]。所以，本文以某礦井典型開(kāi)采面為研究對(duì)象，基于有限差分法，建立了應(yīng)力-應(yīng)變-滲透性的三維耦合模型，進(jìn)而得到了采動(dòng)圍巖應(yīng)力場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)的分布情況，在此基礎(chǔ)上，對(duì)開(kāi)采面圍巖滲透系數(shù)場(chǎng)分布情況進(jìn)行對(duì)比評(píng)價(jià)，最后獲得了圍巖滲透性分布規(guī)律。

1 圍巖滲透性分布的數(shù)值模型

為了探索煤礦開(kāi)采面巖體滲透性分布規(guī)律，應(yīng)用FLAC3D 數(shù)值仿真軟件，對(duì)某礦區(qū)長(zhǎng)壁綜采工作面回采進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算。首先，建立三維模型（圖1）。模型大?。ㄩL(zhǎng)×寬×高）為400m×500m×180m。其次，確定其邊界條件：頂面不施加約束，底面約束垂直向的位移，其余各面約束水平向位移。選用Mohr-Coulumb來(lái)模擬圍巖本構(gòu)模型[1]，該模型包括96 000 個(gè)單元，103 090 個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖1 三維數(shù)值計(jì)算模型（單位：m）

2 開(kāi)采面巖體應(yīng)力-應(yīng)變-滲透模型

巖石滲透性表現(xiàn)為應(yīng)變的函數(shù)[2-3（]見(jiàn)圖2），OA段為微裂隙閉合過(guò)程，AB 段為彈性變形階段，在這兩階段巖石的原生孔隙和裂隙經(jīng)常處于壓實(shí)狀態(tài)，進(jìn)而隨著應(yīng)力的提升巖石滲透率呈由大到小的變化；當(dāng)跨入塑性變形階段（BC 段）時(shí)，巖石超越彈性極限，逐步發(fā)生微破裂現(xiàn)象，此時(shí)巖石滲透率提高；當(dāng)應(yīng)力一直提升到極限強(qiáng)度D 點(diǎn)時(shí)，巖石發(fā)生破壞形成貫通裂隙，巖石的滲透率快速提升至最大滲透率；當(dāng)巖石超越峰值應(yīng)力后，巖石轉(zhuǎn)為應(yīng)變軟化階段DE 段，并且應(yīng)力與應(yīng)變成反比例變化；DE 至EF 表示巖石從應(yīng)變軟化轉(zhuǎn)變到殘余強(qiáng)度階段，在這個(gè)階段，應(yīng)力隨應(yīng)變的增加會(huì)趨向某一平穩(wěn)值。滲透系數(shù)K 的關(guān)系式為式（1）。

圖2 巖體應(yīng)力-應(yīng)變-滲透關(guān)系

式中：K0為初始滲透系數(shù)；Δμf為裂隙開(kāi)度改變量；b為裂隙開(kāi)度。

2.1 開(kāi)采面圍巖應(yīng)力場(chǎng)分布

采空區(qū)的出現(xiàn)既會(huì)改變空間內(nèi)巖體垂直應(yīng)力，也會(huì)改變其水平應(yīng)力狀態(tài)。由第134 頁(yè)圖3 可知，在開(kāi)采面前方，煤層頂?shù)装鍘r體垂直應(yīng)力存在前支承壓力區(qū)，包括原始應(yīng)力區(qū)、應(yīng)力緩慢提升區(qū)和應(yīng)力顯著提升區(qū)，開(kāi)采面后方存在卸壓區(qū)：距離開(kāi)采面向前90 m的位置，應(yīng)力保持穩(wěn)定；40 m～80 m 范圍內(nèi)，應(yīng)力緩慢升高；10 m～40 m 范圍內(nèi)，應(yīng)力隨采動(dòng)的劇烈沖擊快速增大，在距煤壁10 m處出現(xiàn)最大支承壓力峰值，大小為初始值的四分之一倍；而在開(kāi)采面后方采動(dòng)卸壓頂?shù)装鍛?yīng)力表現(xiàn)為持續(xù)減小狀態(tài)，直至產(chǎn)生最小應(yīng)力值。

圖3 開(kāi)采面推進(jìn)200 m 時(shí)圍巖應(yīng)力場(chǎng)分布圖（單位：MPa）

2.2 開(kāi)采面圍巖應(yīng)變場(chǎng)分布

從圖4 可以看出，在回采面前方較淺處，上覆巖層開(kāi)采時(shí)常會(huì)發(fā)生易受影響且明顯的拉伸變形，而在回采面后方，開(kāi)采時(shí)垮落帶和剪碎帶常會(huì)發(fā)生易受影響且較明顯的拉伸變形；同時(shí)，在回采面的支承壓力區(qū)范圍內(nèi)，開(kāi)采時(shí)常會(huì)存在易受影響且明顯的垂直壓縮變形；但是對(duì)于水平壓縮變形，既存在于支承壓力區(qū)內(nèi)，還會(huì)產(chǎn)生于整體移動(dòng)帶內(nèi)。當(dāng)回采面處于推進(jìn)狀態(tài)時(shí)，易受采動(dòng)影響的頂?shù)装鍘r體層應(yīng)變變化過(guò)程包括：采前壓縮—采后拉伸—重新壓縮，上述三種應(yīng)變狀態(tài)會(huì)跟隨開(kāi)采面的推進(jìn)而反復(fù)呈現(xiàn)。

圖4 開(kāi)采層頂部60 m 處巖層水平剖面應(yīng)變圖

3 開(kāi)采面圍巖滲透性分布規(guī)律

開(kāi)采后的煤層在不同方向上的圍巖滲透性存在一定的區(qū)別，與垂直方向滲透性相比，圍巖水平方向滲透性的提升區(qū)間和上升高度要高出許多。開(kāi)采空間的正上方和對(duì)應(yīng)下方為圍巖水平方向滲透性的增加范圍，它的分布形狀為橢圓形，該上升區(qū)域的最大高度存在于開(kāi)采空間中部的正上方。在開(kāi)采空間的正上方和對(duì)應(yīng)下方還包含垂直方向滲透性的提升范圍，同時(shí)，在開(kāi)采區(qū)邊界的斜上方和對(duì)應(yīng)下方30 m 處也存在垂直方向滲透性，其分布形狀為馬鞍形。與水平方向滲透性相比，垂直方向滲透性提升范圍的最大高度較低，常存在于開(kāi)采空間兩側(cè)界線的斜上方，但是開(kāi)采空間中間覆巖滲透性提升高度較小。當(dāng)煤層開(kāi)采區(qū)與有水層處于主側(cè)相連時(shí)，采動(dòng)巖體水平滲透性波動(dòng)會(huì)造成地下水的流動(dòng)；而當(dāng)煤層開(kāi)采區(qū)與有水層處于上下布置時(shí)，采動(dòng)巖體垂直滲透性波動(dòng)會(huì)主導(dǎo)控制地下水的流動(dòng)，由此可以得到通過(guò)判斷圍巖滲透性的分布規(guī)律可為煤炭挖掘地下水保護(hù)和煤礦防治水提供預(yù)警和理論支撐。

4 滲透性分布對(duì)比評(píng)價(jià)分析

根據(jù)滲透性對(duì)比實(shí)驗(yàn)可了解到水平和垂直兩種滲透性分布評(píng)價(jià)體系出現(xiàn)差別的底層原因，滲透性的提升空間存在區(qū)別。由應(yīng)力-滲透系數(shù)關(guān)系得到的滲透性提升范圍僅僅存在于回采面后方的冒裂帶內(nèi)；而依據(jù)應(yīng)變-滲透系數(shù)關(guān)系得到的滲透性提升范圍既存在于回采面后方的冒裂帶內(nèi)，還位于剪碎帶內(nèi)和回采面向前深度小于100 m 的淺部。

由于巖石的滲透系數(shù)常表現(xiàn)為變量，其會(huì)跟隨巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化而改變。同時(shí)在應(yīng)力-應(yīng)變過(guò)程中可以發(fā)現(xiàn)巖石滲透系數(shù)的變化規(guī)律為：彈性變形時(shí)，軸向應(yīng)力的升高會(huì)壓緊裂縫，從而導(dǎo)致滲透系數(shù)會(huì)在應(yīng)力提升時(shí)而降低，因此該階段的應(yīng)力-滲透系數(shù)方程可以明確展現(xiàn)滲透系數(shù)的改變情況。當(dāng)巖石發(fā)生塑性變形時(shí)，軸向應(yīng)力的增加會(huì)提高滲透性的值，而重復(fù)套用應(yīng)力-滲透系數(shù)方程不會(huì)正確展現(xiàn)滲透系數(shù)的改變。

5 結(jié)論

1）煤炭開(kāi)采面圍巖滲透性提升區(qū)域要大于巖體破壞區(qū)域，相比垂直方向滲透性，圍巖水平方向滲透性的提升區(qū)間和上升高度比較高。圍巖水平方向滲透性的增加范圍形狀為橢圓形，該上升區(qū)域的最大高度存在于開(kāi)采空間中部的正上方。

2）垂直方向滲透性的提升范圍形狀為馬鞍形，在開(kāi)采區(qū)的正上、正下以及邊界的斜上下方存在垂直方向滲透性，相比水平方向滲透性，垂直方向滲透性提升范圍的最大高度較低，常存在于開(kāi)采空間兩側(cè)界線的斜上方。

3）開(kāi)采面圍巖滲透性與地質(zhì)情況和開(kāi)采距離有關(guān)，當(dāng)開(kāi)采面傾斜長(zhǎng)度和采高提升時(shí)，垂向滲透性提升區(qū)域的最大高度呈指數(shù)型遞增。