开采因素对煤层底板突水影响的数值模拟研究.pdf

第 卷第 期能源与环保 年月 收稿日期：；责任编辑：陈鑫源 ：基金项目：教育部产学合作协同育人项目（）；中国地质大学（北京）课程思政教学改革项目（）；年大学生创新创业训练计划项目（）作者简介：原源（），女，山西阳泉人，研究方向为地下水污染控制。引用格式：原源，王萌，王睿 开采因素对煤层底板突水影响的数值模拟研究 能源与环保，（）：，（）：开采因素对煤层底板突水影响的数值模拟研究原源，王萌，王睿（中国地质大学（北京），北京 ；中国煤炭科工集团 北京华宇工程有限公司西安分公司，陕西 西安 ）摘要：应用 数值模拟软件建立了开滦范各庄矿煤岩层地质力学模型，模拟了开采工作面长度、采煤深度以及采煤方法对煤层底板破坏状态，结合突水系数公式，查明了奥灰含水层上开采因素对底板突水影响的定量关系。研究表明，当工作面长度为 时，底板破坏深度和突水系数变化起伏小；当工作面长度 或 时，底板破坏深度和突水系数随工作面长度增加而变化加剧。随着煤层开采深度由 增加至 ，煤层底板破坏深度和突水系数加大。分层开采法采煤的煤层底板破坏深度和突水系数比一次采全高法低，因而更安全。模拟结果和矿区实际采掘工作面长度及采煤方法相符合。关键词：底板突水；数值模拟；工作面长度；采煤深度；采煤方法中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（），；，）：，；，：；矿井水灾是煤矿安全生产中的五大灾害之一，其中煤层底板突水事故占矿井水灾的 。矿井突水在造成国家经济损失的同时，对矿区水资源与环境也造成巨大的破坏。煤层底板突水是煤层下伏承压水沿采煤工作面底板隔水层岩体内部通道突破底板隔水层的阻隔，以突发、缓发或滞发的形式向上涌入工作面采空区的过程，作为一种综合的水文地质现象，它受到多种地质因素和人为因素的影响 。本文应用 数值模拟软件，并结合开滦范各庄矿实际地质情况和突水系数公式，旨在查明煤层底板突水人为因素奥灰含水层上方开采工作面长度、采煤深度以及采煤方法对底板突水影响的 年第 期能源与环保第 卷定量关系。地质背景范各庄矿位于河北省唐山市古冶区境内，呈南北向狭长分布，为开平煤田的一部分，井田总面积为 。范各庄矿南北部均为向斜构造，中部为单斜构造，断裂构造发育多，断层以 向、向为主，区内陷落柱大量发育。范各庄矿地层自上而下为第四系、二叠系、石炭系、奥陶系。煤系地层主要由石炭系、二叠系组成。目前矿内主采 号煤层，号煤层埋深为 ，煤厚平均 ，奥陶系灰岩含水层距 号煤层 ，奥灰水压为 。隔水层以泥岩为主，厚度 ，平均为厚 。号煤层底板保护层完整性较差，下伏巨厚的奥陶系灰岩含水层，其水压大、水量丰富，对煤炭资源的开采有着很大的威胁。矿区实际采掘工作面长度为 。地质模型 为有限元软件，采用有限差分法重复运算，可模拟地质材料 塑性本构关系和屈服极限时发生的破坏或塑性流动 。采用 软件建立范各庄矿地质模型（图 ），模型长（方向）、宽（方向）、高（方向），倾角为 ，使用 网格单元，剖分 个单元和 个节点。结合范各庄矿实际地层，模型地层自上而下依次为细砂岩、粉砂岩、号煤、泥岩、砂岩、粉砂岩、奥灰岩。奥灰岩到 号煤层间隔水层厚度为 ，奥灰水压为 。模型中各岩层岩石学参数见表 。模型四周边界节点水平位移为零，边界节点可沿垂直方向移动，模型底部为固定边界，顶部边界附上覆岩层自重应力 。图 范各庄矿地质模型结构 表 模型中各岩层的岩石力学参数 岩性弹性模量 泊松比黏聚力 内摩擦角（）抗拉强度 密度（）细砂岩 粉砂岩 号煤层 泥岩 砂岩 奥灰岩 工作面长度对煤层底板突水影响模型设计 种采掘工作面长度分别为 、。模拟结果可知，随着采掘工作面长度增大，煤层底板岩层破坏深度加深。种采掘工作面长度的煤层底板岩层发生明显位移，采空区顶底板 方向位移呈中部向两翼减小的盆状分布状态（图 ）。试验数据表明砂岩在 方向位移 时发生破裂 ，结合模拟数据结果，得出 种采掘工作面长度煤层底板岩层发生破裂的深度分别为 、（图 ）。由图 可知，工作面长度 时，曲线斜率 ，底板破坏深度随着工作面长度的增加而迅速增大；工作面长度 时，曲线斜率 ，斜率变化幅度小，底板破坏深度随着工作面长度的增加变化较小；工作面长度 时，底板破坏深度随着工作面长度的增加而迅速增大。开滦矿务局矿井水文地质及防治水工作细则 规定，在奥灰承压水上开采时，突水系数计算公式为：式中，为突水系数；为隔水层承受的水压；为底板隔水层厚度；为采矿对底板隔水层扰动破坏厚度；为原始导水带高度，取值不得小于 。正常条件下，临界突水系数取 。将奥灰含水层上 种不同工作面长度模型底板破坏深度、水压 、隔水层厚度 、原始导水带高度 代入公式，计算得到各模型突水系数分别为 、（图 ）。由图 可知，各采掘工作面长度突水系数均在临界突水系数 之内，突水危险性小。采掘工作面长度对煤层底板突水有较大的影响，随着工作面长度增加，底板隔水层抵抗奥灰水压的能 年第 期原源，等：开采因素对煤层底板突水影响的数值模拟研究第 卷图 不同工作面长度的煤层底板岩层破坏位移 图 工作面长度与底板破坏深度的关系 图 工作面长度与突水系数的关系 力越弱，煤层底板变形破坏越严重，突水危险性增大。当范各庄矿采掘工作面长度 或 时，曲线斜率 ，突水系数随着工作面长度的增加而迅速加大，突水危险性上升幅度快；当工作面长度为 时，曲线斜率 ，突水危险性趋于平稳。因此，范各庄矿合理采掘工作面长度应在 取较大值。范各庄矿目前采用的工作面长度为 ，模拟结果与实际情况相符合。开采深度对煤层底板突水影响模型设计 种开采深度分别为 、，对应初始垂直应力 、，采掘工作面长度为 ，沿走向长度 推进采煤。由图 模拟结果可知，随着煤层开采深度的增加，煤层底板发生明显位移的深度也相应变大。根据砂岩 方向位移 即发生破裂，采深 、模型中底板岩层破坏深度分别为 、。随着煤层的深入开采，覆岩周期性运动积聚了更大势能，当覆岩发生断裂时，煤层底板会承受巨大的支承压力最终破坏底板岩体，增加了底板突水的危险性。将 种不同开采深度模型所得底板破坏深度 、代入公式计算，水压 、隔水层厚度 、原始导水带高度 ，得到各模型突水系数分别为 、。随着煤层开采深度的增加，煤层底板突水危险性增大，但突水系数比临界突水系数 低，种模型突水危险性均较小。年第 期能源与环保第 卷图 不同开采深度的煤层底板岩层破坏位移 采煤方法对煤层底板突水影响采煤方法对煤层底板突水也有不同程度的影响。模型设计 种采煤方法，即一次采全高法采煤和分层开采法采煤。模型的整体结构和模型网格的划分不发生变化，一次采全高法采煤设计采高为煤层总厚度 ，分层开采法采煤采高为煤层总厚度的一半 。模拟开采过程是在初始应力场形成的基础上进行的，采掘工作面长度为 ，沿走向长度 推进。不同采煤方法的煤层底板岩层破坏位移如图 所示。由图 可知，当采用一次采全高的煤层开采时，煤层开采后底板破坏深度大于分层开采法采煤。根据砂岩 方向位移 即发生破裂，一次采全高的煤层开采底板岩层破坏深度为 ，分层开采法采煤底板岩层破坏深度为 。图 不同采煤方法的煤层底板岩层破坏位移 将 种采煤方法模型所得底板破坏深度 、代入公式计算，水压 、隔水层厚度 、原始导水带高度 ，得到突水系数分别为 、，对比临界突水系数取 ，模型突水危险性小。较厚煤层在开采时应采用分层开采法，可减弱采动矿压对煤层底板的破坏程度，有效降低了煤层底板突水的可能性。范各庄矿 厚煤层采用分层开采法，模拟结果和实际采煤方法相符合。结语本文应用 数值模拟软件，结合开滦范各庄矿实际地质情况和突水系数公式，查明开采工作面长度、采煤深度、采煤方法和底板突水影响的定量关系。（）开采工作面长度 时，底板破坏深度随着工作面长度的增加而迅速增大；突水危险性上升幅度快；当工作面长度为 时，底板破坏深度随着工作面长度的增加而变化较小；突水危险性趋于平稳；当工作面长度 时，底板破坏深度随着工作面长度的增加而迅速增大，突水危险性上升幅度快。模拟结果表明，合理采掘工作面长度应在 取较大值，范各庄矿目前采用的工作面长度为 ，模拟结果与实际情况相符合。（）开采深度为 、时，底板岩层破坏深度分别为 、，突水系数分别为 、，种模型突水危险性均较小。随着煤层开采深度的增加，煤层底板的底板突水的危险性增大。（）当采用一次采全高法开采时，煤层开采后其底板破坏深度大于分层开采法采煤，一次采全高煤层开采底板岩层破坏深度为 ，分层开采法采煤底板岩层破坏深度为 ，突水系数值分别为 、，模型突水危险性均较小。较厚煤层在开采时应采用分层开采法，可有效 年第 期原源，等：开采因素对煤层底板突水影响的数值模拟研究第 卷降低煤层底板突水的可能性。范各庄矿厚煤层采用分层开采法，模拟结果和实际采煤方法相符合。参考文献（）：秋兴国，李娜 基于 的煤矿底板突水量预测模型 煤炭技术，（）：，（）：黄振 基于 的煤层底板奥灰突水危险性评价 山西建筑，（）：，（）：王萌 开滦范各庄矿 煤底板突水因素分析及其数值模拟 北京：中国矿业大学（北京），王忻 范各庄矿 煤层导水断层防水煤柱留设 煤炭技术，（）：，（）：索涛涛 煤层底板突水影响因素及危险性评 山东煤炭科技，（）：，（）：田午子 范各庄矿煤层底板突水危险性评价方法 北京：华北科技学院，朱开鹏 基于双指标的底板突水危险性评价方法 煤矿安全，（）：，（）：冯宇，林志斌，王文贞 采动影响下底板隐伏小断层突水灾变规律研究 煤矿安全，（）：，（）：丁建新 不同倾角隐伏断层条件下的底板突水模拟研究 中国煤炭地质，（）：，（）：施龙青，曲兴玥，韩进，等 多模型融合评价煤层底板灰岩岩溶突水危险性 煤炭学报，（）：，（）：尹尚先，徐维，尹慧超，等 深部开采底板厚隔水层突水危险性评价方法研究 煤炭科学技术，（）：，（）：任君豪，王心义，王麒，等 基于多方法的煤层底板突水危险性评价 煤田地质与勘探，（）：，（）：董书宁，虎维岳 中国煤矿水害基本特征及其主要影响因素 煤田地质与勘探，（）：，（）：王进尚，王俊，姚多喜 底板渗流应力耦合破坏与递进导升协同突水演变规律研究 能源与环保，（）：，（）：董东柱，刘晓磊，雷鹏，等 基于脆弱性指数法的煤层底板突水危险程度评价 能源与环保，（）：，（）：，檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶 （上接第 页）吴玉国 神东矿区综采工作面采空区常温条件下 产生与运移规律研究及应用 太原：太原理工大学，宋亚新，王帅，李建伟，等 采空区下综采面回风隅角 来源及超限防治技术 煤炭技术，（）：，（）：沈静 煤矿井下多源一氧化碳运移规律及积聚判别条件研究 北京：中国矿业大学，杨广文，艾兴 大雁二矿 综采工作面 来源的分析及治理 煤矿安全，（）：，（）：，（）：，（）：