突水预测的采动煤层底板相似模拟方法研究

2005/10/18 17:33:48

摘要：以淮北朱庄矿Ⅲ616综采工作面为原型建立了相似模型，模拟工作面回采过程中的应力和位移变化。模拟结果表明：由切眼向前开挖至45～50 m，老顶岩层初次断裂失稳，底板岩层压张应力差最大，采动造成的底板变形破坏深度在16 m以上，为突水危险地段；与数值模拟方法相拟合，计算采动造成的底板应力变化，选取Drucker-prager屈服条件作为判断岩石是否破坏为突水判据，由煤层底板塑性区分布图反映，当开挖至49 m左右时，底部导升区和上部采动破坏带基本贯通，可能发生突水。据此对工作面进行了布置，并采取了相应防范措施，取得了良好的应用结果。
关键词：突水　底板　应力位移模拟　数值模拟　预测
中国图书资料分类法分类号：P641．47

ANALOGY SIMULATION METHOD FOR WATER INVASION FORECASTING
OF MINING INFLUENCED COAL SEAM FLOOR

Zhu Dizhi　Wang Chengxu
(Xi′an Branch,CCRI)
Xu Tingjiao
(Zhuzhuang Mine,Huaibei Mining Administration)
　　Tong Hongshu
(Renlou Mine,Wanbei Mining Administration)

Abstract　Based on characteristics of fully mechanized coal face No.Ⅲ616 of Zhuzhuang Mine,Huaibei Administration,the analogy model is established,simulating stress variation and displacement variation during mining processes.Results indicated that as the mining operation from start continued to 40～50 m,the roof strata began fracturing,the difference between compress and pull stresses in the seam floor is maximum.The deformation depth of floor caused by mining operation is up to 16m,becoming dangerous zone for water invasion.Fitting with numerical simulation,the stress variation in seam floor caused by mining is calculated.Selecting Drucker-Prager yield conditions as criterion inferring whether the strata being destroyed or not.The distribution map of the plastic areas in seam floor indicated that as the mining operation continued to 49m,the confined water invasion zone of lower part and mining influenced zone of upper part are connected basically,the water invasion may occurrence.The layout of coal face is designed based on above stated consideration,the correlated preventive treatments are also taken,resulted in fine effect.
Keywords　water inrush;floor;stress displasement simulation;numerical simulation;prediction

1　引言
　　我国煤矿底板突水预测已经有40多年的历史，形成了许多有价值的理论，积累了丰富的实践经验。煤科总院西安分院利用采动过程底板隔水层原位应力测试数据，与计算机有限元模拟相拟合，求得采动底板隔水层的应力分布变化，给出定量评价，确立突水判据。这种方法的一个不足之处是需要在采动条件下进行现场测试，有时会影响生产进度。本文将采动煤层底板相似模拟方法和数值模拟方法相结合，进行动态分析，对底板隔水层中物理力学参数进行合理调整，使数值模拟与相似模拟结果拟合。这样就检验了数值模型的正确性和可行性，便于进一步进行有限元分析，从而获得足够精度的底板应力和位移的数值解；而这个数值解反过来可以对相似模拟结果进行补充验证，进一步研究煤层开采过程的底板应力分布、岩层变形和破坏规律。
2　原位应力普查及底板突水初步预测
2.1　采场的背景条件与工程设计
2.1.1　采区的水文地质条件
　　Ⅲ61采区位于朱庄矿三水平东大巷与三水平上山的北侧，(图1)开采将受下伏太原组灰岩威胁。该含水层水位标高0～＋5 m。该区富水性强，据井下钻孔涌水量资料，凡涌水量大于100 t／h的钻孔几乎全部集中于此，其中最大者达500 t／h。在三水平上山不足500 m长度内，有5个放水孔组，总涌水量为1 676 t／h；在与杨庄矿(邻矿)联合放水期间(1994—07—05～1994—07—13)，水量非旦未减，还呈增加趋势，表明这些放水孔位于主要径流带上。

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图1　朱庄矿Ⅲ61采区原位应力测试钻孔布置平面图
1——测试孔及编号；2——煤层底板等高线；3——断层

2.1.2　Ⅲ616工作面的开采条件
　　该工作面系综采工作面，位于Ⅲ61采区的第三阶段，回采山西组6号煤层，工作面走向长约700 m，斜长150 m左右，煤厚2.30～2.65 m，地层倾角7～15°，工作面内煤层赋存稳定，无较大的断层，为一简单的单斜构造。回采上限－335 m，下限－360 m，底板隔水层厚50～55 m，承受的最大水压为3.5 MPa。工作面回采时应将太灰水位疏降至－60 m。
2.1.3　测试孔的工程设计
　　测试孔共8个，(图1)其中5个为应力普查孔，均为垂直孔，孔径59 mm，1、2、3、4、8号孔的测试最大深度分别为22.5、15、21.7、18.0和20.7 m，它们布置在采区范围内；另外3个孔为斜孔，布置在Ⅲ616工作面机巷内，其中5、6号孔分别位于切眼前方10 m与30 m,孔斜均为40°，倾斜深度24 m。7号孔距切眼50.7 m，孔斜33°，倾斜深度23.7 m，该点距煤层垂深12.8 m，向工作面水平延伸15.7 m。
2.2　原始地应力的分布变化
2.2.1　原始地应力在垂向上的分布变化
　　1、3号孔的水平最小主应力值随深度变化曲线见图2。由图2可以看出，最小主应力值随深度增加而呈现增大趋势，其变化幅度在2.75～5.27 MPa之间。

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图2　1号孔、3号孔最小主应力值随深度变化曲线图
1——1号孔；2——3号孔

2.2.2　原始地应力在平面上的分布变化
　　沿地层倾向上的变化：1、2号孔剖面NE31°，地应力沿倾向方向变小，即NE比SW方向小；3、4号孔剖面NE54°，地应力也沿倾向方向变小，不过变化幅度很小。
　　沿岩层走向上的变化：顺走向，由SE向NW方向应力变小，即1、2号孔剖面上的应力较3、4号孔剖面上的应力小。另外，从Ⅲ616工作面的5、6、7号孔的地应力来看，(表1)也呈现沿采煤方向应力变小的趋势。因此整个Ⅲ61采区的西北部应力值较小，裂隙较发育，水文地质条件较复杂。

表1　Ⅲ616工作面原位应力测试数据表

累计层厚／m	累计垂深／m	5号孔(40°斜孔)				6号孔(40°斜孔)				7号孔(40°斜孔)
		累垂深／m	累孔深／m	原始地应力值／MPa		累垂深／m	累孔深／m	原始地应力值／MPa		累垂深／m	累孔深／m	原始地应力值／MPa
		累垂深／m	累孔深／m	最大	最小	累垂深／m	累孔深／m	最大	最小	累垂深／m	累孔深／m	最大	最小
细　砂　岩	细　砂　岩									4.86	9.00	4.93	2.60
						5.94	9.00	5.21	3.80
										6.43	11.90	4.11	2.40
		7.72	11.70	6.46	4.05	7.92	12.00	7.41	4.63	8.05	14.90	4.38	3.49
						9.90	15.00	7.34	4.66	9.67	17.00	8.50	5.10
		10.56	16.00	7.50	4.61
										11.18	20.70	7.95	4.93
		11.88	18.00	7.90	4.90	11.88	18.00	8.70	5.60
										12.80	23.70	7.09	4.40
		13.86	21.00	8.20	5.30	13.86	21.00	9.00	5.70
14.68	14.98
泥岩	泥岩	15.84	24.00	8.80	5.40	15.84	24.00	8.06	4.82
19.23	19.64

2.3　Ⅲ616工作面突水可能性的初步预测
2.3.1　未采工作面地应力测试结果
　　从未采工作面(Ⅲ616)原始地应力测试数据来看，(表1)5、6、7号孔最小主应力值分别为：4.05～5.40 MPa，3.80～5.70 MPa，2.40～5.10 MPa，沿开采方向均呈现变小的趋势。
2.3.2　采动中二次应力的变化
　　表1为5、6、7号孔测试取得的原始水平应力值，当工作面回采时，这些数值在底板一定深度范围内发生变化，使其应力值变小，即所谓的二次应力变化。根据以往对综采、普采与炮采工作面采动中积累的大量数据，经归纳分析认为，原始地应力与二次应力变化是有规律性的，一般减小幅度为20%～40%。结合本采区应力普查与构造特点，预计5、6与7号孔减少的幅度分别为30%与35%，据此可初步推算出各孔二次水平最小主应力值，5号孔自上而下为2.83、3.22、3.43、3.71、3.78 MPa，6号孔自上而下为2.47、3.01、3.03、3.64、3.71、3.13 MPa，7号孔自上而下为1.69、1.56、2.27、3.32、3.20、2.86 MPa。
2.3.3　突水可能性初步预测
　　据类比法推算出的二次应力变化值，5、6号孔的中下部均在3.13 MPa以上，大于承压水头压力值，按突水判据，该处不会发生突水。只7号孔，除局部段(垂深9.67～11.8 m)二次应力值在3.20 MPa以上，而上下部位均小于2.90 MPa，且这局部段又处于采动破坏深度范围之内(12.8 m)，因此初步预测在离切眼50.7 m处的7号孔地带，存在突水可能性。
3　相似模拟试验及底板突水预测
　　由于采场底板突水问题的特殊性，人们不可能在现场观察到底板突水的破坏过程。本次以淮北朱庄矿Ⅲ616工作面为原型，利用与岩层物理力学性质相似的材料，按几何相似的常数缩制成模型，观测模型在开挖过程中顶底板的位移变化、地应力重新分布以及与承压水作用的情况。
3.1　模型及试验
3.1.1　架型与线比
　　模型架采用长2.8 m，宽0.2 m，高1.5 m的高强度钢材制成，可进行二维剖面模型试验。线比选择1∶100，考虑主要因素有两点：
　　a.　根据我国华北矿区72次典型工作面底板突水资料分析，工作面推进到距切眼80 m范围，底板发生突水的总概率占93.1%，而当超出100 m时，发生突水的机率很小。本模型架长2.8 m，除去两边必留的长度，模拟开挖尺寸起码能达到180 m以上；
　　b.　据矿压对底板影响深度的统计资料，一般为20～30 m，本模型1.5 m，其底板下伏岩层厚度达52 m，这也能满足实验条件。
3.1.2　相似材料及配比参数
　　选择石膏、砂类等模拟采场围岩，因为该类材料的单向抗压与抗拉强度和地层基本相似，其力学性能稳定，不易受外界条件的影响。模型参照地层柱状图，以砂子作骨料，以石膏、碳酸钙为粘结材料，分层铺设构成。模型的强度综合考虑了地层的层理、节理等弱面的影响，以尽量消除剖面模型与岩层在力学性质上的差异。
3.1.3　加载方法
　　上覆岩层重量用千斤顶加载，通过压力稳定系数来模拟上覆岩层自重。该模型模拟地层厚近400 m(按6号煤底板标高及地面标高推算)，模型高4 m，但实际铺设相似材料厚仅0.93m，其中底板0.52 m，顶板0.41 m，剩余覆岩自重则采用22个千斤顶，通过配压块压于模型顶面。
3.1.4　水压模拟
　　利用特制胶盒，以气压模拟承压水水压，由空气压缩机控制压力。当然这种胶盒加载压力与承压水在岩体中作用是有区别的，因为承压水在动态渗流条件下，能沿着薄弱结构面上升，具有潜蚀与冲刷作用，能破坏隔水层的完整性，降低岩体强度，而气压胶盒则无此作用。所以本次模拟的水压只反映承压水压力对地层的破坏作用。
3.1.5　测试方法
　　实验采用日本UCAM—70A型多参数巡回监测仪测试。模型中共布置90个应变片(图3)，其中顶板1排，9个测点，每个测点有横竖2个应变片，共18个；底板于不同深度布置4排，每排9个测点，每个测点也是横竖2个应变片，共18个；底板于不同深度布置4排，每排9个测点，每个测点也是横竖2个应变片，共72个，用来监测采动中顶底板的地应力值。另外还布置15只位移传感器，顶板2排，每排5个测点，每个测点1只位移传感器，共10只位移传感器；底板布置1排，5个测点，5只位移传感器，用以监测采动中顶底板位移的变化。

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图3　模型框架图
1——位移传感器；2——应变片；3——特制胶盒

3.2　试验过程
　　通过千斤顶稳定加载48 h，气压模拟水压加载稳定2 h后，由模型左边一侧25 cm处开挖，每次以5 cm/50 min步距向前推进，采用走向长壁全部垮落采煤方法，试验共进行了24次步距开挖，工作面推进总长度120 cm。
　　在模拟工作面回采过程中，由切眼向前开挖至25 cm时，采空区伪顶(泥岩)开始离层；达到30 cm时，直接顶开始垮落。由于未充满采空区，这时其底板仍呈卸压状态。随着工作面推进，直接顶的上覆岩层(老顶)离层，沿一定角度产生裂缝，并向上发展。当工作面推进到45～50 cm，老顶岩层初次断裂失稳，形成工作面初次来压。在老顶来压后的70 cm长的回采过程中，每开挖3个步距，顶板垮落一次，采场经历了4次周期来压，步距平均约15 cm。来压前，采空区顶板下沉加剧，在采面后侧及控顶区上方有裂缝出现，周期来压使直接顶靠近煤壁处被折断，周期来压是老顶周期性折断失稳造成的。
3.3　试验结果显示的底板位移与应变量变化
3.3.1　底板的位移变化
　　底板于初次来压前，45 cm处略显上移，接近初次来压时，微向下移动；来压后，向上移动，并随工作面推进，不断向上移动，直到采空区被冒落的岩块逐渐压实为止，测得最大位移量为1.56 cm。
3.3.2　采动底板走向上的应变量变化
　　由37号测点与86号测点的底板应变量变化曲线(图4、图5)可以看出：前者(工作面前方)增压区的峰值约800×10^－6，而后者(采空区后方)恢复区的峰值却不足140×10^－6。可见工作面前端与煤壁之间的应力差比起采空区与恢复区之间的应力差要大。这样当处于高应力区(增压区)的底板岩层转化到低应力区时(卸压区)，原有的应变能就要释放，使岩体的结构面受到不同程度的破坏，有可能形成突水通道。

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图4　37号测点底板应力变化曲线

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图5　86号测点底板应力变化曲线

　　对比62号测点与52号测点底板应变量变化曲线(图6、图7)，发现前者(工作面前方与煤壁之间)应变差达1 100×10^－6，而后者(工作面后方与煤壁之间)应变差却不足60×10^－6，究其原因，前者是采场处于初次来压期间，而后者则属正常推进过程。所以底板突水多发生在采场首次来压之际。

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图6　62号测点底板应力变化曲线

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图7　52号测点底板应力变化曲线

3.3.3　采动底板垂向上的应变量变化
　　图8为不同深度测点的应变量变化曲线，其中62、64号测点深度分别为1、16 cm，其应变差为±500×10^－6，变化剧烈；而位于这两个测点的正下方的66、68号测点，深度分别为31、46 cm，其应变差仅为±50×10^－6，且变化平稳。综合以上变化特点，我们认为位于16 cm以上浅部底板，尤其在增压与卸压区之间受开采影响较大，是形成突水通道的主要区段。因此在带压采煤时，要合理布置开采工作面，减少底板内小断层因首次来压的影响，防止底板小断层处突水。

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图8　底板不同深度的应力变化曲线

3.4　底板突水机理及其突水预测
3.4.1　底板突水机理探讨
　　综合以上分析，从底板位移变化来看，采空区因卸压而膨胀，煤壁前方因顶板压力转移，使其底板岩层受到更大承载力而压缩，于是在两者之间产生位移变形，即压缩区相对下沉，卸压区相对上升。从采动底板应力变化来看，煤壁前方总是处于增压状态，而采空区则处于卸压状态。由于这个地段底板岩层压胀应力差最大，没有断层也可发生剪断性位移。而当有破裂面或断层存在时，其两盘岩层的相对错移就会更加明显，甚至可达到下伏的承压含水层，尤其当具有一定水压力时，承压水便会楔入岩体裂缝，经渗水软化，降低其阻水能力，直到压裂扩容，发生突水。

3.4.2　工作面突水预测
　　根据试验结果，老顶初次来压步距45～50 m，采动造成底板的变形破坏深度在16 m以上，更深部虽受到波及影响，但未观测到明显的断裂破坏。再根据采区应力普查结果以及本工作面原始地应力观测数据，均反映沿开采方向裂隙较发育，因此从构造上难以排除隐伏断裂与裂隙密集带存在，尤其当这种断裂产状与变形带一致时，往往很容易与隔水层下部导升带，甚至与含水层相沟通发生突水事故。因此，当工作面由切眼向前推进到一定距离后，应加强现场监测工作，尤其在距切眼40～50 m的突水危险地段，应当重点做好防范工作。
4　底板突水模型的数值模拟
4.1　有限元分析程序简介
　　本次选用的Supersap软件包，基本实现了计算机可视化的要求。然而在使用一般结构分析SS—APOH.EXE 程序及非线性APAKOH.EXE 程序中，发现该软件的前后处理过程仍存在一些不足，如在后处理过程中，无法显示Drucker—Prage应力，于是又补充了Drucker—Prager应力计算程序Druckp，这样就可根据计算结果算出Drucker—Prager屈服函数值。
4.2　突水模型的建立
　　本次模拟对象选择淮北朱庄矿Ⅲ616工作面。据钻孔资料，6号煤以下至太原群灰岩(一灰)隔水层厚50～55 m，其岩性分别为细砂岩、泥岩和粉砂岩。6号煤下距二灰约60 m，在一、二灰之间一层5～10 m厚的中粒砂岩。由于泥岩阻水能力比砂岩高出30倍，因此中粒砂岩和一、二灰合起来约12 m岩性段统认为是承压含水层，一灰以上黑色泥岩至煤层底板19.64 m岩层为有效阻水层，不存在原始导升区。又据井下钻孔资料，在孔口位置(标高—249.27 m)有2.67 MPa 水头压力，在隔水层底部应有3.2 MPa的水压作用，而在同一深度上覆岩层自重应力值为7.73 MPa。
　　有限元模型长280 m，高90 m，为直立走向剖面。网络按实际地层划分，在煤层底板适当加密，共有880个单元，984个节点，每步长设计推进7 m。模型顶部受上覆岩层自重载荷作用，取两侧边界水平方向固定，垂直方向可以移动；底部在垂直方向受弹簧元支撑，并同时施加水压载荷，在水平方向自由。计算所选用的材料参数如表2。

表2　有限元计算材料参数

岩　性	弹性模量　　／×10⁴ MPa	泊松比	粘聚力　　／ MPa	内摩擦角　　／(°)	密度　　／t^．m^－3
老　顶	2.8	0.2	3.7	28.37	2.785
直接顶	2.0	0.2	2.8	28.37	2.506
六　煤	2.05	0.28	2.0	35.0	2.50
灰色粉砂岩	2.0	0.2	2.8	28.37	2.57
灰白色砂岩	2.8	0.18	3.7	45.0	2.608
黑色泥岩	1.8	0.25	2.2	19.80	2.583

4.3　突水判据的确定
　　大量试验和观测资料表明，引起底板隔水层破坏的主要力源是采动影响下底板应力的变化，通过有限元方法可以计算出这种应力变化，这里采用的是弹塑性模型方法。本次选取Drucker—Prager屈服条件作为判断岩石是否破坏为导水判据。即当

岩石是完好的；当

岩石受到破坏，成为导水的破碎岩层。
式中　I₁——应力张量；
　　　J₂——偏应力张量；
　　a、K——与内聚力C及摩擦角φ有关的材料参数。
　　这样由采动引起底板破坏带深度H(对应于隔水层上部塑性区深度)与下部导升区高度h(对应于隔水层下部塑性区高度)之和大于M(隔水层厚度)时，就认为可能突水。
4.4　计算结果分析
4.4.1　底板的破坏范围及深度
　　从第2至第7步开挖的Drucker-Prager应力分布图可以看到，由采动引起的煤层底板破坏主要集中在采空区附近。在一定范围内，随着揭露的采空区越大，破坏区的范围也越大，底板最大破坏深度也逐渐增加，基本与开挖步成线性关系。(图9)

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图9　不同开挖步底板最大破坏深度

4.4.2　Drucker-Prager应力分布
　　在模型中分别选取底板下不同深度(0、-3.23、-6.46、-9.69、-12.92m)的A、B、C、D、E5个点进行分析。A点属第5步开挖采面位置，其余诸点在A点正下方不同深度上。第5步开挖前，A点底板处于完整状态，而其余点则在第4步开挖就达到破坏。可见煤层底板的破坏是超前于采面的。
4.4.3　突水可能性预测
　　从不同开挖步煤层底板塑性区分布可以看出，在开采初期，隔水层底部并未受到破坏；当第5步开挖完，隔水层底部开始出现导升区，导升高度约5 m；第6步开挖完，导升区高度骤增到25 m；第7步开挖完，底部导升区和上部采动破坏带就基本贯通了。据此我们认为由切眼开采至49 m前后，就可能发生突水。
5　结语
　　以淮北朱庄矿Ⅲ616工作面为例，建立了相似模拟模型和数值模型，对不同开挖步长进行了模拟和计算，结果表明在距切眼40～50 m附近存在突水可能性。
　　在本次试验研究中，主要研究了采动对煤层底板的破坏和影响；对于承压水，只考虑了水压的破坏作用，而对其渗透与软化作用考虑不足。以后还需要进一步扩大试验，加以完善。
　　本项研究得到淮北朱庄矿的大力支持与配合，在此由衷地表示感谢!

作者简介：朱第植　男　57岁　高级工程师　矿井水文地质

作者单位：朱第植　王成绪　煤炭科学研究总院西安分院　710054
　　　　　许庭教　淮北矿务局朱庄矿　235006
　　　　　童宏树　皖北矿务局任楼矿　宿州　234001

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