老空区下煤炭资源开采覆岩导水裂隙发育规律数值模拟
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摘 要：为防止近距离煤层开采导通上覆老空区而产生突水危机，利用FLAC数值模拟软件对矿山煤层开采进行模拟，根据覆岩应力的分布、移动方向以及塑性区域的分布规律，分析比较了在C3煤层老空区下开采C4煤层过程中沿C4工作面两端至C3老空区间的覆岩裂隙的发育情况。得出了C4开采之后，C3底板裂隙由6m继续发育至26m，C4煤层上方顶板裂隙发育至16m，两煤层之间并未导通。实验证明：通过数值模拟的方法预测分析老空区下覆岩裂隙发育规律对之后的煤层开采以及矿山安全有较大的意义。
关键词：老空区;数值模拟;覆岩裂隙发育
由于贵州独特的喀斯特地质条件，造成生态环境薄弱，若在此地区进行高强度的煤炭开采，必然会加剧生态环境系统的恶化，使老空区下覆岩裂隙不断发育，形成导水的通道从而造成水害事故，一旦发生这样的水害事故，将会造成巨大的经济损失以及人员伤亡，甚至会造成停产或关闭矿井的情况。
对于裂隙发育数值模拟，刘桂丽等人采用UDEC3.10数值模拟软件，对煤矿开采工作后方几十米范围内的上覆岩裂隙的发育情况进行了分析[1];邵小平等人对积水区下裂隙发育特征进行了研究，推断出三种情况[2];郭良，张春雷通过UDEC数值模拟软件分析底板不同深度裂隙倾角分布规律，结果表明煤层开采后底板裂隙数量随底板深度增加而减少，直至不再发育[3];张农等人通过实验分析掘巷影响区不同时空条件的巷道岩体裂隙的发育过程，提出了控制泥质巷道围岩防止渗流灾害的技术[4];刘秀英通过实验研究出采空区岩体裂隙分形的规律[5];刘增辉等人采用三维数值计算的方法分析比较了裂隙带发育高度[6];宋红军等人利用RFPA2D分析软件对采空区下煤层开采覆岩破坏进行模拟[7];题正义等人利用板壳理论、断裂力学理论分别建立导水裂隙高度和底板破裂深度的力学模型[8]。针对老空区积水问题，崔军舰通过试验以及理论推理确定了老空区积水情况，并设计了科学合理的方法解除矿井水害[9];闫立君从理论角度对老空区顶板的涌水通道和采空区积水的影响因素进行了分析[10]。
上述研究成果主要通过数值模拟、理论推理以及模拟实验等手段对覆岩裂隙发育规律均作出了有益的探究。本文借助于FLAC数值模拟软件研究老空区下的覆岩结构演变的动态过程与裂隙发育规律，并制定合理的防治水方案，對确保矿井安全生产具有重大意义。
1 工程概况
遵义县山盆镇某煤矿位于遵义县城区北西约60公里，该井田属大娄山系尧龙山脉，为高原低中山地貌，其间发育有冲沟、洼地等，南西、北东两端分别为桐梓河、混子河。地形起伏受区域内地质构造、地层岩性和地表河流控制，山体走向呈北东―南西向。根据矿区勘探报告，矿井浅部煤层露头附近存在老窑采空区，老窑开采历史较长，现已全关闭，大部分采空区内充满水。C4煤层位于煤系地层中上部，开采深度为100m，煤层平均厚度约为2.2m，属稳定煤层，大部分可采，C4煤层上覆46m为采空区，在开采过程中有可能受到上覆采空区的影响，一旦开采裂隙发育至采空区，有空引发突水危机，需要研究C4煤层开采过程中的裂隙发育高度。
2 数值模拟参数确定
2.1 模型范围的确定
2.2 各岩层力学参数
各岩层力学参数见下表：
2.3 数值模拟结果分析
（1）上煤层开采后塑性区发育情况。
C3煤层开采后，C3煤层上方塑性区（顶板裂隙）发育至数值模拟模型顶部，超过28m，底板裂隙发育至6m;覆岩垂直应力在工作面两端形成应力增高区，工作面上方为应力降低区，最大值发生在距工作面两端约6m处，最大为30.2MP。
（2）下煤层开采后岩层裂隙发育情况。
下煤层C4煤层开采之后，对上覆C3煤层的底板裂隙发育较为影响，底板裂隙由6m继续发育至26m，但并没有与下方C4煤层导通;C4煤层上方顶板裂隙发育至16m，底板裂隙发育至8m，覆岩垂直应力的最大值发生在工作面两端，最大值为36.7MP。
（3）数据比较。
由此可知，近距离煤层工作面开采后，覆岩垂直应力最大值均发生在工作面两端，下煤层开采最大应力较上煤层稍有增加，且工作面覆岩下沉呈现下凹形状，最大值发生在工作面中部。下煤层开采对上覆岩层顶底板裂隙发育均有促进作用，在C4煤层开采之后，C3煤层底板裂隙发育由6m继续发育至26m，但C3和C4煤层并未形成贯通导水裂隙，说明在煤炭资源开采过程中，采空区覆岩裂隙的不断发育会显著破坏岩层的稳定状态，如果近距离煤层距离较小，则容易形成贯通裂隙，造成上覆采空区的老空水涌入下煤层采空区，从而造成突水事故。
3 结论
（1）上煤层老空区中老窑水对下煤层开采造成突水危机，通过数值模拟研究对老空区下覆岩裂隙的发育情况进行判断，为下煤层安全开采提供技术保障。
（2）通过数值模拟的结果得出这样的规律：对两煤层进行开挖之后，两煤层的最大垂直应力均发生在工作面两帮，最大下沉量均发生在工作面中部。
（3）通过数值模拟得出，C4煤层开采后，C4煤层上方顶板裂隙发育至16m，C3煤层下方底板裂隙继续发育至26m，C4煤层的开采对于C3底板裂隙的发育有一定影响，但并未使上下两煤层形成贯通导水裂隙，能够有效防止老窑水突水危机。
参考文献：
[1]刘桂丽，杨跃奎，撒占友.煤矿采空区上覆岩层裂隙发育数值模拟试验[J].矿业研究与开发，2012，10（5）：76-80.
[2]邵小平，尉迟小骞，杨文化，李鑫杰.积水区下导水裂隙发育特征实验研究[J].煤炭技术，2015，3（3）：92-94.
[3]郭良，张春雷.采空区底板不同深度岩体裂隙演化规律[J].煤矿安全，2019，2（2）：204-213.
[4]张农，许兴亮，李桂臣.巷道围岩裂隙演化规律及渗流灾害控制[J].岩石力学与工程学报，2009，28（2）：331-335.
[5]刘秀英.采空区上覆岩体裂隙分形规律的实验研究[J].太原科技大学学报，2009，30（5）：428-431.
[6]刘增辉，杨本水.利用数值模拟方法确定导水裂隙带发育高度[J].矿业安全与环保，2006，33（5）：16-20.
[7]宋红军，赖立学.采空区下煤层开采覆岩破坏规律数值模拟[J].煤矿安全，2013，44（1）：35-38.
[8]题正义，张峰，秦洪岩，朱志洁.基于板壳和断裂力学理论的上覆采空区积水危险性判定技术.[J].煤田地质与勘探，2019，47（1）：138-143.
[9]崔军舰.采空区水害勘察与防治技术研究及应用[J].西部探矿工程，2019，9：183-186.
[10]闫立君.浅析井工矿井采空区的涌水通道和积水影响因素[J].能源与节能，2019，8：21-22.
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