0 引言
矿井回采工作面底板突水是一种比较复杂且受到多种因素影响的水文地质现象[1-2]。这些年以来,国内外许多专家学者以及煤矿从业人员对采动引起的回采工作面底板变形破坏、底板岩层的应力分布规律以及底板突水机理进行了一系列的研究[3-8],并且取得丰硕的研究成果。鲁海峰等[9]考虑水压作用依据弹性半空间理论的符拉芒和明德林解, 推导出采场底板的应力表达式, 分析了水压力对底板应力分布规律的影响;张士川等[10]通过物理相似模拟系统实现了模拟高水压和高应力作用下的底板岩体破裂演化过程,获得了底板突水致灾演化规律和内在机制;许延春等[11]以赵固一矿为背景,通过理论计算与离散元模拟对承压含水层的突水性做出评估。
这些理论大都是对缓倾斜与近水平煤层进行研究。目前,大倾角煤层的开采逐渐引起煤矿从业人员及有关专家学者的关注,为保障急倾斜煤层开采的安全绿色生产,必须加强对底板含有承压含水层时工作面面临底板突水问题的研究。本文借助数值模拟软件FLAC3D分析了不同推进长度时,急倾斜煤层工作面底板塑性区破坏和渗流矢量变化情况,旨在了解承压含水层上开采急倾斜煤层致使底板破坏与突水的规律,为煤矿安全生产提供参考。
1 工程概况
山东某矿31515工作面北起运输巷,南至回风巷,西到工作面,东到设计停采线。煤层为近水平煤层,走向长896.8~1 133.6 m,平均980.2 m;倾向长159.2~181.2 m,平均171.2 m。煤层厚度2.82~3.2 m,平均厚度3.01 m。
工作面直接顶板为泥岩,平均厚度为10 m,见水易泥化,易垮落;煤层底板为泥岩,平均厚度15 m,其下部为中砂岩,厚度为10 m,岩石硬度系数6~8。煤层下距徐灰仅51.29 m,徐灰岩平均厚度25 m,且溶裂隙较发育,富水性强,回采工作面底板易发生突水威胁。
2 31515工作面含水层的位置探测
图1
图1
瞬变电磁法探测(竖直方向)视电阻率断面
Fig.1
Transient electromagnetic detection (vertical) apparent resistivity profile
图2
图2
瞬变电磁法探测(面内底板45°方向)视电阻率断面
Fig.2
Transient electromagnetic (tem) detection (in-plane floor 45° direction) apparent resistivity section
3 FLAC3D模型模拟底板塑性破坏区
以31515工作面2号异常区范围较广,幅度较强,因此以2号异常区为基础建立模型。
模型x方向即沿煤层倾斜方向长300 m,y方向即沿煤层走向宽度为180 m,z方向即模型高度为150 m,煤层厚度3.5 m,急倾斜煤层倾角50°。模型采用分步开挖,开挖沿煤层的走向从 y=40 m处开始,一次采全高,每次挖进20 m,总共向前推进100 m。三维模型共划分117 000个单元,124 899个节点。模型的上表面受均布载荷上覆岩层自重的力,约束下表面垂直方向(z方向)的位移,前后左右四面约束水平方向的位移,工作面上端赋值水压为3.5 MPa,工作面下端头处含水层赋值为4.0 MPa。
随着工作面沿走向推进过程中所得塑性区图如图3所示。可以看出:受开采扰动和急倾斜工作面底板承压水的影响,急倾斜工作面底板岩层及承压含水层上表面岩层都出现了塑性破坏区;随着工作面的推进距离逐渐增大,急倾斜工作面的底板塑性破坏区范围不断扩大,当工作面推到80 m 左右时,工作面底板塑性破坏区深度达到峰值,最大破坏深度约为20 m,当工作面再继续向前推进时,工作面底板塑性破坏区范围基本保持不变;另外,与工作面上端头处底板岩层的塑性破坏区相比,工作面下端头处岩层底板的塑性破坏区深度较大,破坏区最深处距离底板的承压含水层较近,因此,工作面推进到一定距离后其下端头处底板岩层是突水危险发生的重点区域。
图3
图3
沿煤层倾斜方向底板塑性区随工作面推进时的变化云图
Fig.3
The changing cloud chart of the plastic zone along the slope of the coal seam with the working face
图4为工作面分步推进过程中所得底板渗流矢量云图。由分析可知:
1) 在工作面开始向前推进前,由于承压含水层中水的压力作用,含水层的上表面水就已经开始向上导升,承压水的上升高度约为5 m。随着煤层的不断开采及采空区的不断扩大,开采活动及含水层水压的共同影响致使底板承压水导升高度在持续上升。当回采工作面向前推进至80 m处位置时,底板承压水含水层向上的导升高度大约为15 m。
2) 随回采工作面的推进长度不断增加,工作面及采空区底板的压力卸载区域不断扩大,致使回采工作面底板岩层中的承压水导升高度及水的渗流矢量持续发生改变。当回采工作面推进开采至40 m位置处时,回采工作面倾斜方向上中下部底板岩层中的孔隙水压及渗流速度已经出现变化;当工作面开采至60 m处位置的时候,回采工作面靠近下端头的底板岩层中的渗流矢量变化明显要大于回采工作面的其他位置,这也说明采动影响的回采工作面靠近下端头的底板岩层中的岩石裂隙发育程度比其他位置处高,承压水在其中的渗流速度较大;当工作面开采至80 m处位置的时候,回采靠近下端头的底板岩层中水的渗流矢量变化进一步增大,此时底板承压含水层的水的孔隙压力使承压水可能突破了31515工作面急倾斜煤层工作面底板,使承压水导升带与底板采动破坏带有导通的趋势,工作面下侧区域将发生突水;当工作面继续向前推进到约100 m时,承压水与底板孔隙沟通,导致工作面底部区域的水涌入。因此,对于无构造缺陷的急倾斜煤层工作面而言,渗流失量的变化说明了塑性破坏形成的突水通道。
图4
图4
工作面分步推进过程中所得底板孔隙水压力及渗流矢量云图
Fig.4
Pore water pressure and vectorial cloud picture of the bottom plate during the step forward process of working face
4 结论
1) 煤层底板有2个异常区,区域内徐奥灰含水性相对较强,异常幅度明显。
2) 煤层底板岩层因为煤层的开采而失去原有煤层及上覆岩层的压力导致卸压,煤层底板破坏岩体在巷道及回采空间内形成底鼓,深层岩体则形成破坏性导水裂隙,底板岩层受到地应力、开采扰动和地下承压水的压力的共同作用,工作面底板岩体结构和水文地质结构中原来存在的比较薄弱的部分产生了变形、演变与破坏,然后慢慢的变成了新的连接性很强的渗流通道。
3) 在含水层探测结果上利用钻孔、水泵等将承压含水层的水抽放出来,使承压含水层的水位降低到标准位置,防止巷道掘进及回采工作时含水层的水直接进入巷道及工作面。
参考文献
赵官井田10煤层底板突水危险性评价
[J].
Evaluation of water inrush risk for No.10 coal seam floor of Zhaoguan mine field
[J].
基于模糊神经理论的深井煤层底板突水因素研究
[J].
Research on main influence factors of deep seam mining floor water-bursting based on combined fuzzy neural network
[J].
小纪汗煤矿11203工作面开采底板岩体破坏深度研究
[J].
Study of floor rock mass broken depth of 11203 working face mining of Xiaojihan coal mine
[J].
不同采动对含断层底板破坏影响数值模拟
[J].
Numerical simulation about the different mining effects on the failure of floor with fault
[J].
司马煤矿底板断层活化突水机理分析
[J].
Analysis on mechanism of fault activation and water inrush from floor fault in Sima Coal Mine
[J].
岩体循环加卸载力学特性对完整底板导水通道演化影响研究
[J].
Study on the influence of mechanical properties of rock mass cyclic loading and unloading on the evolution of the intact floor
[J].
承压水上采场底板应力场分布及隔水层破断机理
[J].
Stress field distribution of stope floor over confined water and failure mechanism of aquifuge
[J].
采动应力效应下的煤层底板裂隙演化规律研究
[J].
煤层底板突水的实质是采动应力诱发煤层底板裂隙失稳、扩展和贯通,形成突水通道,进而引发突水灾害。根据回采工作面前后支承压力分布规律,笔者建立了煤层底板应力计算模型,分析了随着回采工作面的推进煤层底板中的垂直应力和水平应力分布规律以及煤层底板的破坏形式;对煤层底板岩体进行了破坏分区,根据断裂力学理论给出了不同区域内,裂纹不同破坏模式下的张开位移表达式;采用震波检层技术验证了煤层底板采动裂隙动态的演化规律,有利于煤矿底板突水预测和突水防治措施的制订。
Research on evolution rules of coal seam floor crack under mining stress effect
[J].
水压影响下煤层底板采动破坏深度弹性力学解
[J].
Elasticity solution for failure depth of mining floor under water pressure
[J].
煤矿突水行为研究系列试验装置研发及应用
[J].
Development and application of the series of test device of coal mine water inrush behavior
[J].
赵固一矿底板灰岩含水层采动影响研究
[J].
Study of mining influence on floor limestone aquifers in Zhaogu No.1 mine
[J].
煤矿老空水瞬变电磁响应特征数值模拟
[J].
Numerical simulation of transient electromagnetic response characteristics of mine gob water
[J].
煤矿采空区探测中的瞬变电磁干扰压制
[J].煤田瞬变电磁探测常在人文干扰较强的煤矿周边进行工作,采集到的二次感应场信号大多噪声水平较高,难以开展处理解释工作。为消除野外数据中的电磁干扰,根据衰减曲线形态特征,利用曲线斜率的平均值及方差统计作为干扰判别机制,并参考邻近未受干扰的测点特性,可以快速简便地压制干扰,较好地恢复原始信号。使用该方法对理论数据与实测数据进行了处理解释,结果证明了方法的有效性。将该方法应用于煤矿采空区探测中,压制干扰后的曲线反演解释异常显示出与已知资料高度的一致性,得到了与实际相符的结果。
TEM interference suppression in exploration of the minim-out are in the coal mine
[J].
