復雜水文地質下工作面涌水與水害研究范文

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摘要：五家溝礦5105工作面屬于典型的地表溝流下的淺埋綜采放頂煤工作面開采，該區內地下及地表水資源比較豐富，且大部分都覆蓋在煤層上覆的巖層中，礦井內部地表徑流、頂板與采空區積水隨時會給工作面的安全開采帶來一定的威脅。通過COMSOLMultiphysics數值模擬方法對采場上裂隙帶的導水特性進行模擬分析，確定了大沙溝河流和寬導水裂隙帶很有可能威脅到工作面的安全生產，所以有必要采取相關解決措施來預防水害發生。研究成果可為相類似淺埋條件下的礦井安全高效開采提供技術支撐。

關鍵詞：水害特征；導水物理模型；涌水分析

0引言

目前，針對礦井涌水量預測研究，相關學者進行了大量的研究工作，多基于理論分析、現場探測、數值模擬、統計分析等方法。其中數值模擬方法可充分概化礦井復雜的水文地質條件，是國內外煤礦防治水領域應用最為廣泛的方法之一。武強首次提出了該數值模擬軟件可應用于我國礦井防治水領域的研究工作，并分析提出其在礦井涌水量預測與礦山水環境的應用前景廣闊；之后廣大學者開展了大量的涌水量數值模擬的有益探索。本文基于五家溝礦5105工作面淺埋薄基巖賦存條件和水文地質特征的分析，對工作面突水能力進行預測研究，并建立導水裂隙帶涌水模型，利用COMSOLMultiphysics數值模擬方法進行裂隙發育預測，對5105工作面突水災害進行預測性分析，研究成果對相類似條件礦井的安全生產有著重要意義。

1工程背景

五家溝礦地處洪濤山脈西側，屬黃土梁峁切割沖刷地貌，區內地形較為復雜，溝谷多呈“U”字形，除極少部分溝谷地區外，均為第四系黃土覆蓋。最高點位于礦區北部山梁上，標高+1662.5m，最低點位于西界溝底，標高+1440m，相對高差222.5m，屬低中山丘陵地區，井田內黃土廣泛分布，沖溝、梁、峁發育，植被稀少，地形切割強烈。5105工作面地表位于下石井村往南約150m處，地表多為農田荒山及荒地，地面有廢棄建筑物及民房。工作面地表中部有大沙溝河流由北向南流過。5105工作面井上下對照圖如圖1所示。5105工作面開采的5-1#煤層埋藏深度91~107m，平均埋藏深度約99m。煤層頂底板特征如表1所示。

2河流下開采工作面導水裂隙涌水量模擬計算

2.1地質體幾何模型構建

（1）地質體特征

為研究非枯水期大沙溝河流對工作面涌水量的影響，分析采煤沉陷區導水裂隙帶導水特性，采用COMSOLMultiphysics軟件進行了數值模擬研究。首先根據5105工作面基本地質情況及巖體垮落特征建立數值模擬幾何模型。由井上下對照圖分析可知，大沙溝河流橫穿5105工作面中部，水平上與切眼相距約280m，為此選取流經工作面中部的河道斷面進行研究，如圖2所示A-A剖面位置。由大沙溝河道與工作面的位置關系，及礦井地表沉陷裂縫與井下工作面的位置關系，可知5105工作面回采后，地表沉陷裂縫走向基本與河道方向相平行，因此可建立圖3所示的沉陷裂隙形態。

（2）導水裂隙形態構建

數值模擬研究了2種不同發育寬度導水裂隙體對工作面水涌出的影響，2條裂隙基本形態一致，裂隙2為在裂隙1基礎上平移加寬0.2m。裂隙寬度尺寸如表2所示。根據類似煤層賦存條件和開采條件工作面所做的相似實驗結果，結合在5105工作面地表沉陷區踏勘結果，綜合構建沉陷裂隙發育的基本形態（見圖3）。

（3）初始條件及邊界條件

根據大沙溝河流實際情況，模擬研究了水深分別為0.1、0.5、1、2m，4種工況條件，工作面回采后上部巖體垮落，因淺埋煤層覆巖垮落裂隙將貫通地表，即產生導水裂隙，若大沙溝河道存在水流，則水體將沿導水裂隙涌入回采空間，影響工作面生產。裂隙入口邊界設置為水頭高度；出口邊界壓力為0；忽略裂隙通道壁面巖體滲水。初始值為水壓力值。

（4）模擬結果

根據模型設置，對裂隙通道涌水特征進行了模擬計算。以第2條裂隙，大沙溝水深0.1m為例，對模擬結果進行分析，管道水流特征計算結果如圖4～圖7所示。根據在裂隙通道出入口位置進行的流速監測曲線，將模擬結果統計匯總并進行涌水量計算由整個裂隙通道水流速度分布特征可知，當地表大沙溝水深0.1m，第2條裂隙通道中水速最高可達0.025m/s以上，入口流速較出口速度低，裂隙中部水速較高，通道彎折區域水速增大，裂隙變寬時，水速放緩。由表3中統計的模擬計算結果可知，大沙溝水位深度為0.1m時，裂隙入口寬度即地表裂隙發育寬度為0.373m，裂隙通道中心流速可達0.016m/s，該寬度的裂縫單位長度流入地層的水量為0.358m3/min；出口即工作面頂板導水裂隙寬度為0.162m時，裂隙通道中心流速可達0.025m/s，單位長度裂隙涌入工作面的水量為0.243m3/min。

2.2采煤工作面導水裂隙涌水量分析由數值模擬結果可知：

（1）隨著大沙溝水位深度增大，導水裂隙帶涌水能力增加，即涌入工作面的水量增大，對5105工作面的生產威脅將增大，如表3中算例所示，當裂縫發育達到第1種形態時，水位高度由0.1m升至0.5m時，延長0.4m該裂隙涌水量將由14.58m3/h突增至32.076m3/h，因此建議5105工作面開采時，盡量選擇枯水期，地表水位高度在0.1m以下時，該情況下這部分水量相對可控。

（2）導水裂隙發育寬度越大，涌水量也越大，對生產威脅也越大，如表3中2個同一形態不同裂隙寬度的計算結果所示，同樣水位深度0.1m時，裂隙1的單位延長米涌水量為0.243m3/min，而裂隙2則高達2.2422m3/min，涌水量提高了將近10倍，而裂隙寬度僅增加了0.2m左右。因此，5105工作面回采至大沙溝河道附近時，建議采取必要的措施，盡量降低導水裂隙帶發育寬度，如調整放煤量，不放煤或少放煤等，通過降低采高來減緩裂隙發育程度，或采取其他的必要措施，減輕導水裂隙發育規模。

3結語

（1）5105工作面埋深較淺，其導水裂隙帶可以到達地表，溝通地表及大氣降水。工作面的主要水害為大氣降水和地表季節性河流、含水層水、采空區積水等。工作面需要在全年降水量小和地表季節性河流處于枯水期的期間進行回采，降低影響；對于具有含水層水、采空區積水等類型水害，開采前需要進行疏排工作。

（2）通過數值模擬軟件對裂隙帶導水涌水進行分析，數據表明，大沙溝水位深度和導水裂隙帶寬度與工作面涌水量呈正比關系，所以，應盡量選擇在枯水期季節進行回采工作，且在工作面回采至大沙溝河道附近時，需采取必要預防措施。

作者：于智卓 單位：中煤華昱能源有限公司