基于数值模拟的煤层底板承压水害致灾机理研究与分析

2022-09-10

1. 引言

我国是煤炭资源大国，但是大多数矿产资源埋藏较深、分布较广、地质和水文条件较为复杂、水害安全事故时有发生，因此，对煤矿安全生产及矿工人身安全造成极大的影响。

近年来随着浅层煤炭资源的日渐枯竭及采矿技术的不断进步，新建矿井的开采深度不断提高、开采规模不断加大，煤层底板含水层结构破坏严重。由于在煤矿开采过程中人们对矿井水文地质条件认识的局限性，经常出现防治措施不到位及隐藏致灾因素探查不足。煤矿水害事故是由多种涌水机理和突水原因共同作用造成的，从致灾水源角度分析，主要有降水、地表水、地下水等[1]。

由于地下水源型水害，特别是煤层底板承压水害具有一定的隐蔽性，水害威胁大、致灾机理复杂，本文对煤层底板层压水害的致灾机理进行研究。

2. 底板岩层破坏规律分析

底板承压水致灾主要有以下几个因素，首先是底板承压含水层的富水性，其决定了突水量的大小;其次是含水层水压，水压是承压水致灾的关键因素;第三是底板岩性组合条件，不同的岩性组合，其隔水能力有较大差别，坚硬脆性的岩层易发生裂缝，形成突水，塑性岩层不易产生裂缝;第四是地质构造，特别是断裂构造引起突水事故;第五是矿山压力[2]。

底板承压水害主要表现为底板突水，即在一定条件下，底板隔水层在各项压力及扰动的作用下产生裂缝，从而造成底板突水。

开采前，煤层水平及垂直方向应力分别为：

其中，σv-垂直应力;σh-水平应力;γ-上覆岩层容重;H-岩体埋深;v-泊松比;Kt-构造应力系数。

随着开采的深入进行，井下岩层内应力平衡被破坏，导致其应力场被重布。采掘巷道在其走向上出现了压缩、膨胀和压实三个区[3]，并且随着采掘工作的推进，三个区交替出现，如图1所示。

根据弹性力学，将底板岩层简化为均质各向同性材料，由于受力点相对底板平面极小，因此，可视为无限平面上的集中力P，其在笛卡尔坐标系下的应力分解为：

将上述集中力p扩大到自由边界的均布载荷，可求得底板的最大主应力。采用摩尔库仑破坏准则，可以求得底板岩体的最大破坏深度。

其中，n-系数，一般取2～4;Rc-抗压强度;H-采掘面深度;γ-岩体容重，kg/m3;φ0-岩体内摩擦角。

3. 致灾机理的数值模拟

该工作面位于西部盘区，东西分别与35204、35206采空区相邻，东高西低走势，其倾角为0°～10°，长度870m，煤层厚3m，根据地质资料，整理其工作面力学参数。

本次数值模拟分析，取煤峪口矿某工作面为参数模型，将其煤层底板地质参数作为仿真参数，经过适当简化，运用FLAC软件进行仿真分析，

(1)模型建立

根据上述参数，建立模型长度400m，倾向235m，奥灰岩层以下为100m假想岩层，进行有限元网格划分，共有8650个单元，其有限元模型如图2所示。

(2)边界条件

将模型上表面为自由约束，四周为水平约束，下表面为全部约束条件;煤层埋深为230m，根据资料分别施加4.3MPa自重应力及周向1.1测压系数[4]。

(3)结果分析

根据前述随着采掘推进对岩层内应力的影响，对不同采掘长度的计算结果进行分析，其垂直应力随工作面推进变化曲线如图3所示。由图3及分析云图可以看出，两侧垂直应力随工作面推进而不断增加，当推进至一定深度后垂直应力趋于稳定。底板垂直应力呈现对称分布，在巷道壁内为应力增大区域，而在其下层假想岩层内为应力减小区，底板应力为“增大-减小-增大”的变化趋势。由于底板内应力的周期变化导致岩体结构破坏，造成底板突水[5]。

根据仿真分析，其垂直位移随工作面推进变化曲线如图4所示。

由上图可以看出，随着回采工作面的推进，底板垂直位移逐渐变大，且当推进至一定深度后，位移量趋于稳定。

由仿真分析云图截断可以得出，在推进至不同深度，最大位移均出现在采空区的中部，且随着离煤层距离的减小而位移量增大。因此，煤壁附近由于受到交变应力作用，容易产生缝隙，从而引起突水事故。

由上图可以看出，达到最大推进深度时，岩体塑性破坏区域呈现贯通，此时含水层靠通过该贯通导水通道进入采空区，从而引起突水。

4. 结论

(1)根据弹性力学经典公式对煤层底板应力规律进行分析，得出底板岩体最大破坏深度计算方法;(2)通过煤峪口矿某工作面地质参数分析得到其最大垂直应力分布变化曲线及最大位移分布曲线;(3)由仿真分析结果，得到底板塑性变形分布规律及易发突水区域为采掘工作面煤壁附近;(4)底板承压水害致灾机理为：随着采掘工作的推进，底板岩层破坏加剧，深度增加;同时，在底板承压水压的作用下底板出现塑性形变。当岩层破坏产生贯通后，承压水沿破坏贯通带进入工作面形成突水事故。

摘要：随着浅层煤炭资源的枯竭及开采技术的进步，煤矿开采深度不断提升，同时造成了煤层底板含水层结构的破坏，为保证煤矿安全生产及井下人员的生命安全，底板承压水害的致灾机理亟待研究。本文对底板岩层破坏规律进行数学分析，并在此基础上运用数值模拟方法对煤峪口矿某工作面的地质参数进行分析，仿真得出不同采掘深度的垂直应力及垂直位移曲线，同时得出最大推进深度底板塑性变形分布规律，根据仿真分析结果，得出了易发突水区域为采掘工作面煤壁附近的结论；同时根据本文研究分析，得出了煤层底板承压水害致灾机理。

关键词：数值模型,煤层底板,承压水害