基于FLAC 3D的五溝煤礦松散含水層注漿改造數(shù)值模擬

孟佳樂,楊本水

(安徽建筑大學 土木工程學院,安徽 合肥 230601)

煤炭工業(yè)是我國國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)。由于有些地方煤炭資源基本開采殆盡,因此開展松散含水層改造技術(shù)研究十分必要[1-4]。費宇等[5]在薄基巖以及頂板為粘土的前提下對煤層開采覆巖破壞進行了研究,研究發(fā)現(xiàn)基巖同粘土破壞具有不同步性,并解釋了支承壓力大小的周期加權(quán)現(xiàn)象。胡彥博[6]使用BOTDR系統(tǒng)監(jiān)測工作面底板動態(tài)變化,發(fā)現(xiàn)監(jiān)測結(jié)果和礦井實測結(jié)果基本一致,表明BOTDR監(jiān)測地下巖體活動效果良好,為今后研究礦井圍巖破壞提供了新的技術(shù)手段。本文通過FLAC 3D數(shù)值模擬軟件模擬注漿前后10煤層覆巖破壞的演變規(guī)律,根據(jù)結(jié)果判斷注漿改造是否減緩覆巖破壞[7-8]。計算分析注漿改造成本和注漿后帶來的經(jīng)濟和社會效益,判斷該工程推廣的可行性。

1 工程概況及水文地質(zhì)條件

1.1 礦井概況

五溝煤礦坐落于安徽淮北濉溪縣,北鄰袁店一礦,東、南、西3面為煤層露頭,與界溝煤礦以李家斷層為界,南北長約4.5 km,東西寬3～5 km,面積約21.65 km2。由探查結(jié)果可知,五溝煤礦井田可采煤層產(chǎn)生年代根據(jù)地質(zhì)年代表被劃分為古生代的二疊紀(系 P),可分為8個煤層,分別為31、51、52、71、72、81、82、10煤層。根據(jù)地質(zhì)條件判斷五溝礦井主要可采煤層有72、81、82、10煤4個煤層,累計可采總厚度高達10.7 m,平均厚度分別為1.83、2.55、2.57、3.86 m,屬于中厚～厚煤層,其中10煤層屬于淺部煤層也是目前主采煤層,易采的工作面區(qū)域已基本殆盡。

1.2 水文地質(zhì)條件

10煤頂?shù)装迳皫r含水層,以靜儲量居多,但體積較小且易于疏干;“四含”補給條件較差,含水性弱～中等;太灰?guī)r溶發(fā)育不均勻,水動力條件上部較好、下部較差,含水性弱～中等;雖然奧灰?guī)r溶較發(fā)育,但距10煤較遠,正常情況沒有影響?！八暮?q=0.001717～0.1352 L/(s·m),頂?shù)装迳皫r含水層:q=0.006414～0.0099 L/(s·m),太原組灰?guī)r含水層:q=0.003～0.15 L/(s·m ),奧陶系灰?guī)r含水層:q=0.0008～0.0507 L/(s·m)。在10煤層的開發(fā)工程中,受松散層四水洪澇災害的影響程度為一般,受煤層開采頂、底板砂巖水洪澇災害的影響程度為一般,受底板太灰水洪澇災害的影響程度為一般,受斷層水洪澇災害的影響程度為一般,受老空水、封閉不良層鉆孔水洪澇災害的影響程度為一般。

五溝煤礦10煤頂板基巖主要由泥質(zhì)膠結(jié)的砂巖和泥巖構(gòu)成,其物理力學參數(shù)見表1。通過巖石力學試驗,可求出巖石的力學強度。根據(jù)巖石強度,可將巖體分為軟質(zhì)、中硬和硬質(zhì)3種類型。通過計算硬質(zhì)巖石占某區(qū)段的百分比判斷該區(qū)段煤層頂板巖體巖性類型,本文根據(jù)煤層上30 m厚度覆巖中硬質(zhì)巖石占比進行判斷。

表1 五溝煤礦10煤覆巖物理力學參數(shù)

2 二采區(qū)西翼區(qū)段突水潰砂風險評價

二采區(qū)西翼區(qū)的“四含”與地表水距離較遠,且中間分布較多隔水層,因此無水力聯(lián)系。但“四含”承壓水水頭壓力達 1.5 MPa,下部基巖層厚度薄,開采過程易發(fā)生突水潰砂事故。顆粒分析試驗表明,“四含”顆粒組成以砂礫組和礫粒組為主,砂顆粒較多,級配性較差,滲透和賦水性較好。成分分析試驗表明,“四含”化學成分中二氧化硅含量最高,平均含量為67%,二氧化硅是構(gòu)成石英礦物的主要化學成分,從而也驗證了顆粒分析結(jié)果。通過抽水實驗和達西定律計算出該區(qū)段“四含”滲透系數(shù)K=1.62～3.17 cm/s,屬于微透水～弱透水性;單位涌水量q=0.005～0.03078 L/(s·m),富水性屬于弱富水性。綜上可知,二采區(qū)西翼區(qū)段“四含”同其它含水層水力聯(lián)系較差,富水性屬弱富水性,但該層顆粒級配較差,松散度較高,滲透性較好,下伏基巖薄,開采過程中容易通過垮落帶發(fā)生突水潰砂事故。

3 FLAC 3D軟件模擬分析

3.1 數(shù)值模擬

根據(jù)工程實際概況,采用二采區(qū)西翼基巖最薄(20 m)的J6-8鉆孔為模擬原型。為了使模型簡化,模型中的土層和巖層都視為均勻連續(xù)介質(zhì),模型選取地層中部分高度,并且初次計算使用自重應力場為原始應力場,在模型頂部施加均布應力,從而補償上覆巖土體的自重荷載[9-10]。

3.2 模型建立

模型幾何尺寸為250 m×200 m×70 m。由于煤層平均傾角較小α=5°,對研究注漿前后覆巖移動破壞規(guī)律影響不大,因此模型中忽略煤層傾角,巖層傾角近似水平。FLAC 3D數(shù)值計算模型如圖1所示,模型頂部施加的上覆地層補償荷載,通過巖體自重應力計算,施加4.6 MPa的垂直補償應力,模型中巖層的水平應力通過巖體的泊松效應計算得出。

圖1 FLAC 3D數(shù)值計算模型

對二采區(qū)西翼區(qū)域現(xiàn)場鉆孔所得的巖樣進行室內(nèi)力學參數(shù)試驗,確定其物理力學參數(shù),再綜合各鉆孔試驗結(jié)果,對巖層巖性力學參數(shù)做出適當?shù)卣{(diào)整和修正[10-11]。二采區(qū)西翼煤層開采垮落帶發(fā)育問題的巖體物理力學參數(shù)見表2,節(jié)理面力學參數(shù)見表3。

表2 巖體物理力學參數(shù)

表3 節(jié)理面力學參數(shù)

3.3 數(shù)值模擬方案

根據(jù)礦井生產(chǎn)技術(shù)條件,模擬10煤在綜放開采(采高4.5 m)條件下的覆巖破壞規(guī)律。邊界條件設(shè)定以后,模擬開挖采用分段開挖,分4次開挖,每次25 m。工作面長度為100 m,開挖長度為100 m,x走向兩側(cè)留設(shè)50 m煤柱,y走向留設(shè)75 m煤柱。通過對開挖模擬后得到的位移、應力以及塑性區(qū)云圖進行對比分析,驗證注漿改造的有效性。

3.4 覆巖應力場對比

隨著巖體中煤層的采空區(qū)增大,覆巖的應力也隨之增大。由于巖體結(jié)構(gòu)的抗拉強度很低,當采空區(qū)上方覆巖的應力大于其抗拉強度時,該區(qū)域巖石就會發(fā)生垮落。因此,要分析注漿前后煤層開挖時垂直應力的變化情況。注漿改造前后隨工作面推進豎直應力云圖如圖2所示。

(a) 注漿前推進50 m (b) 注漿前推進100 m (c) 注漿后推進50 m (d) 注漿后推進100 m

3.5 覆巖位移場對比

煤炭的開采會導致煤層頂?shù)装宓膽顟B(tài)發(fā)生變化,因此煤層頂?shù)装宓奈灰茍鲭S之發(fā)生了改變。為了分析巖層注漿前后位移場的變化,利用軟件模擬工作面推進過程中位移場變化特征。注漿改造前后隨工作面推進豎直位移云圖如圖3所示。由圖3可知,采空區(qū)上方的直接頂下沉淀量達到最大,并且隨著工作面的推進,頂板的位移也不斷增大,而且煤層底板也發(fā)生了向上隆起的位移,這種現(xiàn)象叫低鼓現(xiàn)象。這與應力變化相對應,隨著煤層的開采,采空區(qū)增大,頂板彎曲下沉,底板荷載解除,上凸隆起。

(a) 注漿前推進50 m (b) 注漿前推進100 m (c) 注漿后推進50 m (d) 注漿后推進100 m

對比前后位移場的變化可知,最大位移注漿后比注漿前顯著減小,這是因為位移量的大小與基巖厚度相關(guān),基巖越厚,最大位移越小。結(jié)果表明,對“四含”注漿效果顯著,“四含”達到了結(jié)石效果,從松散體變成巖類石體。

3.6 覆巖塑性區(qū)對比

煤層或者巷道的采空區(qū)導致上覆巖體結(jié)構(gòu)破壞,包括彈性和塑性破壞2種類型。巖層巖體在變形的第一階段一般為彈性破壞,隨著應力增大逐漸呈現(xiàn)塑性,因為彈塑性破壞通常為巖層巖體的破壞。通過數(shù)值模擬軟件對模型進行有限差分法和時步的迭代計算,可直觀看出工作面掘進過程中上覆巖體結(jié)構(gòu)塑性破壞發(fā)育的演變規(guī)律。注漿改造前后隨工作面推進塑性破壞云圖如圖4所示。

(a) 注漿前推進50 m (b) 注漿前推進100 m (c) 注漿后推進50 m (d) 注漿后推進100 m

由圖4可知,隨著工作面持續(xù)推進,煤層上覆巖塑性破壞不斷增加,工作面推進50 m時,頂部覆巖破壞開始形成馬鞍形狀,中間低,兩頭高。同應力場和位移場相呼應,嚴重破壞發(fā)生在位移和應力較大處。對比注漿前后可以發(fā)現(xiàn),工作面推進75、100 m時,由于“四含”為松散體組成,強度較低并且下伏基巖厚度較薄,只有20 m,導致覆巖破壞直接穿過“三隔”和“四含”,發(fā)生了剪切破壞。注漿后的“四含”結(jié)構(gòu)強度增強,從松散質(zhì)砂變成“類砂巖”一樣的結(jié)構(gòu)體,有效地承擔部分荷載,減輕基巖破壞程度。

4 結(jié)論

1)隨著模型煤層開挖,工作面煤壁和切眼處出現(xiàn)最大集中壓應力,采空區(qū)的頂板和底板出現(xiàn)最大集中拉應力,相應在采空區(qū)的頂板處位移最大,覆巖破壞最為嚴重。

2)注漿后各項指標均優(yōu)于未注漿,注漿后的“四含”密實度和強度較高,具有分擔上部荷載和應力的效果,減輕基巖破壞程度。

3)注漿后單位涌水量和滲透系數(shù)下降明顯,“四含”水體由Ⅱ類水體改造為Ⅲ類水體,“四含”中砂土同漿液膠結(jié)結(jié)石效果良好,砂土流動性變差,達到安全開采條件,同時可延長五溝煤礦的服務年限。