石泉煤礦30105 工作面開采過X4 陷落柱模擬分析

徐洪濤

（山西石泉煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 長(zhǎng)治 046200）

我國(guó)華北煤田廣泛發(fā)育的巖溶陷落柱構(gòu)造通常以隱伏形式存在，其特殊的工程地質(zhì)水文地質(zhì)特征，嚴(yán)重威脅著煤炭資源安全高效開采[1-5]。由于陷落柱屬于隱伏垂向構(gòu)造，其導(dǎo)致的突水災(zāi)害具有隱蔽性、突發(fā)性且導(dǎo)通豐富巖溶地下水等特點(diǎn)，對(duì)煤礦安全生產(chǎn)、環(huán)境及當(dāng)?shù)厝嗣裆钗：O大[6-8]。陷落柱突水事故受諸多因素影響，既有自然因素也有開采因素，因此在煤層開采過程中，陷落柱的穩(wěn)定性研究成為不可缺少部分[9-10]。因此，本文利用FRACOD模擬軟件，對(duì)30105 工作面在走向、傾向方向開采過程中陷落柱的穩(wěn)定性及突水危險(xiǎn)性進(jìn)行研究。

1 30105 工作面概況

山西石泉煤礦30105 綜放工作面地面位于夏店鎮(zhèn)九龍村西側(cè)，井下位于301 采區(qū)南部，北面為301 采區(qū)大巷，南面為DF4 正斷層，西面為實(shí)煤區(qū)，東面為301 采區(qū)邊界與井田邊界，井田內(nèi)奧灰水水位標(biāo)高在+636.87～+651 m 之間。X4 陷落柱所在的30105 工作面煤層底板標(biāo)高最小值為390 m，而X4 陷落柱對(duì)應(yīng)煤層底板標(biāo)高是390～580 m，因此，30105 工作面為受奧灰承壓水威脅的工作面，需要在30105 工作面開采期間對(duì)X4 陷落柱的穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

2 模型創(chuàng)建

本文重點(diǎn)研究30105 工作面推進(jìn)過程中X4 陷落柱附近導(dǎo)水裂隙演化過程、應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)分布規(guī)律。由圖1 可知，X4 陷落柱的隔水段在此煤層底板以下的厚度大于100 m。

圖1 30105 工作面研究區(qū)域劃分

基于上述工程背景，創(chuàng)建的30105 工作面走向開挖模型（AA`切面），創(chuàng)建的30105 工作面傾向開挖模型（BB`切面），同時(shí)模型包括陷落柱和奧陶系灰?guī)r巖溶含水層。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 30105 工作面走向方向模擬結(jié)果分析

（1）工作面開采距陷落柱30 m

圖2 為30105 工作面開采距陷落柱30 m 數(shù)值模擬結(jié)果，依次為陷落柱裂紋分布特征、垂直方向位移分布云圖、最大主應(yīng)力分布云圖和FoS 破壞區(qū)分布圖。

圖2 30105 工作面開采距陷落柱30 m 數(shù)值模擬結(jié)果

由陷落柱裂紋分布特征可知，受工作面應(yīng)力開采擾動(dòng)的影響，在工作面頂?shù)装逄庨_始發(fā)生大裂紋，底板裂紋主要集中在底板破壞帶內(nèi)，頂板出現(xiàn)大面積的裂紋。與此同時(shí)，陷落柱靠近工作面一側(cè)裂紋起裂并向巷道方向傳播。從圖中可以清晰地發(fā)現(xiàn)，陷落柱其他區(qū)域沒有出現(xiàn)裂紋的擴(kuò)展和貫通，陷落柱整體保持完整性，受開采擾動(dòng)，水流不會(huì)沿著裂隙而發(fā)生導(dǎo)升，不具有活化突水的可能性。

由垂直方向位移分布云圖可以看出，工作面附近圍巖位移的最大值產(chǎn)生于頂板處，形成了大面積的垮落。陷落柱隔水段在煤層上方區(qū)域出現(xiàn)了大面積的位移，說明局部區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)力集中超過了陷落柱的承載能力，產(chǎn)生局部的變形。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，變形值較大的區(qū)域位于煤層上方，煤層下方底板巖層內(nèi)的陷落柱并沒有受到大范圍的影響，含水層未產(chǎn)生大范圍的變形，說明底板完整巖層可起到有效阻隔作用，不具備發(fā)生突水的危險(xiǎn)性。由最大主應(yīng)力分布云圖和FoS 破壞區(qū)分布圖可以清楚地看出，開挖擾動(dòng)主要影響采場(chǎng)圍巖，對(duì)陷落柱的影響比較小。綜合30105 工作面開采距陷落柱30 m數(shù)值模擬結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，30105 工作面在開采至陷落柱30 m距離時(shí)，陷落柱不具有活化突水的可能性。

（2）工作面穿過陷落柱

圖3 為30105 工作面穿過陷落柱數(shù)值模擬結(jié)果，依次為陷落柱裂紋分布特征、總位移分布云圖、最大主應(yīng)力分布云圖和聲發(fā)射事件分布圖。

圖3 30105 工作面穿過陷落柱數(shù)值模擬結(jié)果

30105 工作面開采進(jìn)入陷落柱后，局部區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)力集中超過了巖石的承載能力，造成陷落柱內(nèi)部裂紋的起裂和擴(kuò)展，陷落柱上方的巖體形成了大范圍的裂紋網(wǎng)，陷落柱主溶洞裂紋在原有裂紋上發(fā)生擴(kuò)展，向工作面方向擴(kuò)展。煤層底板30 m 左右范圍內(nèi)的陷落柱裂紋發(fā)生擴(kuò)展貫通，表明開采擾動(dòng)僅影響底板30 m 范圍內(nèi)巖層的阻水能力，下方含水層內(nèi)高壓水沒有通道貫通裂隙導(dǎo)入工作面。由最大主應(yīng)力分布云圖和聲發(fā)射事件分布圖可以看出，陷落柱在一定程度上受到工作面開采的影響，主要表現(xiàn)在陷落柱內(nèi)部原生裂隙的區(qū)域性的聲發(fā)射事件的產(chǎn)生，沒有形成大范圍的事件疊加，因此，受開采影響范圍外的陷落柱整體保持完整性，水流不會(huì)沿著裂隙而發(fā)生導(dǎo)升，陷落柱活化突水可能性較小。

（3）工作面開采過陷落柱30 m

圖4 為30105 工作面采過陷落柱30 m 數(shù)值模擬結(jié)果，依次為陷落柱裂紋分布特征、總位移分布云圖、最大主應(yīng)力分布云圖和聲發(fā)射事件分布圖。

圖4 30105 工作面開采過陷落柱30 m 數(shù)值模擬結(jié)果

30105 工作面開采過陷落柱30 m 后，煤層底板30 m 范圍以上的陷落柱應(yīng)力集中造成陷落柱內(nèi)部裂紋的起裂和擴(kuò)展，該部分陷落柱形成了大范圍的裂紋網(wǎng)。由最大主應(yīng)力分布云圖和聲發(fā)射事件分布圖可以看出，陷落柱內(nèi)部原生裂隙的區(qū)域性的聲發(fā)射事件的產(chǎn)生，沒有形成大范圍的事件疊加，因此，受開采影響范圍外的陷落柱整體保持完整性，水流不會(huì)沿著裂隙而發(fā)生導(dǎo)升。

3.2 30105 工作面傾向方向模擬結(jié)果分析

圖5 為30105 工作面傾向方向穿過陷落柱數(shù)值模擬結(jié)果，依次為陷落柱裂紋分布特征、總位移分布云圖、最大主應(yīng)力分布云圖和聲發(fā)射事件分布圖。

圖5 30105 工作面傾向方向模擬結(jié)果分析

由最大主應(yīng)力分布云圖和聲發(fā)射事件分布圖可以看出，開挖擾動(dòng)主要影響采場(chǎng)圍巖，陷落柱上部巖體繼續(xù)塌陷，煤層下方影響范圍35 m，小于煤層距離含水層的厚度，所以整體失穩(wěn)范圍未波及含水層。采場(chǎng)圍巖和陷落柱正應(yīng)力的變化較為復(fù)雜，裂紋的產(chǎn)生、擴(kuò)展和貫通小范圍的出現(xiàn)在30105 工作面的下順槽上部，即開采進(jìn)入陷落柱的區(qū)域。

綜合30105 工作面傾向方向數(shù)值模擬結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，工作面開采后隔水層上方陷落柱受開采擾動(dòng)范圍在35 m，擾動(dòng)范圍外陷落柱整體結(jié)構(gòu)完整，裂隙不發(fā)育，同時(shí)，30105 底板以下隔水段厚度大于100 m，因此30105 工作面過X4 陷落柱開采不會(huì)發(fā)生突水事故。

4 結(jié)論

（1）對(duì)30105 工作面在走向方向上建立模型并利用FRACOD 模擬軟件進(jìn)行數(shù)值分析。模擬結(jié)果表明：工作面開采距陷落柱30 m 時(shí)，在工作面開采擾動(dòng)的影響下，工作面頂?shù)装彘_始出現(xiàn)裂紋并開始擴(kuò)展，工作面周圍巖層產(chǎn)生移動(dòng)，但影響范圍有限，在工作面距陷落柱30 m 時(shí)，不具有活化突水的可能性；工作面穿過陷落柱時(shí)，陷落柱上方產(chǎn)生較大范圍的裂紋，底板30 m 左右范圍內(nèi)的陷落柱裂紋發(fā)生擴(kuò)展貫通，但受開采影響范圍外的陷落柱整體保持完整性，水流不會(huì)沿著裂隙而發(fā)生導(dǎo)升，陷落柱活化突水可能性較??；工作面過陷落柱30 m時(shí)，煤層底板30 m 范圍以上的陷落柱會(huì)因開采應(yīng)力擾動(dòng)產(chǎn)生大范圍的裂紋網(wǎng)，但開采影響范圍外的陷落柱整體性未受到破壞，所以發(fā)生陷落柱活化突水的可能性仍較小。

（2）對(duì)30105 工作面在傾向方向上建立模型并利用FRACOD 模擬軟件進(jìn)行數(shù)值分析。模擬結(jié)果表明：在工作面傾向方向上，受開采擾動(dòng)的影響，陷落柱上部巖體塌陷，煤層下方影響范圍在35 m，開采影響未波及到含水層，所以由開采擾動(dòng)引起的圍巖失穩(wěn)不會(huì)造成陷落柱的活化突水。