石泉煤矿30105 工作面开采过X4 陷落柱模拟分析

徐洪涛

（山西石泉煤业有限责任公司，山西 长治 046200）

我国华北煤田广泛发育的岩溶陷落柱构造通常以隐伏形式存在，其特殊的工程地质水文地质特征，严重威胁着煤炭资源安全高效开采[1-5]。由于陷落柱属于隐伏垂向构造，其导致的突水灾害具有隐蔽性、突发性且导通丰富岩溶地下水等特点，对煤矿安全生产、环境及当地人民生活危害极大[6-8]。陷落柱突水事故受诸多因素影响，既有自然因素也有开采因素，因此在煤层开采过程中，陷落柱的稳定性研究成为不可缺少部分[9-10]。因此，本文利用FRACOD模拟软件，对30105 工作面在走向、倾向方向开采过程中陷落柱的稳定性及突水危险性进行研究。

1 30105 工作面概况

山西石泉煤矿30105 综放工作面地面位于夏店镇九龙村西侧，井下位于301 采区南部，北面为301 采区大巷，南面为DF4 正断层，西面为实煤区，东面为301 采区边界与井田边界，井田内奥灰水水位标高在+636.87～+651 m 之间。X4 陷落柱所在的30105 工作面煤层底板标高最小值为390 m，而X4 陷落柱对应煤层底板标高是390～580 m，因此，30105 工作面为受奥灰承压水威胁的工作面，需要在30105 工作面开采期间对X4 陷落柱的稳定性进行分析。

2 模型创建

本文重点研究30105 工作面推进过程中X4 陷落柱附近导水裂隙演化过程、应力场和位移场分布规律。由图1 可知，X4 陷落柱的隔水段在此煤层底板以下的厚度大于100 m。

图1 30105 工作面研究区域划分

基于上述工程背景，创建的30105 工作面走向开挖模型（AA`切面），创建的30105 工作面倾向开挖模型（BB`切面），同时模型包括陷落柱和奥陶系灰岩岩溶含水层。

3 模拟结果分析

3.1 30105 工作面走向方向模拟结果分析

（1）工作面开采距陷落柱30 m

图2 为30105 工作面开采距陷落柱30 m 数值模拟结果，依次为陷落柱裂纹分布特征、垂直方向位移分布云图、最大主应力分布云图和FoS 破坏区分布图。

图2 30105 工作面开采距陷落柱30 m 数值模拟结果

由陷落柱裂纹分布特征可知，受工作面应力开采扰动的影响，在工作面顶底板处开始发生大裂纹，底板裂纹主要集中在底板破坏带内，顶板出现大面积的裂纹。与此同时，陷落柱靠近工作面一侧裂纹起裂并向巷道方向传播。从图中可以清晰地发现，陷落柱其他区域没有出现裂纹的扩展和贯通，陷落柱整体保持完整性，受开采扰动，水流不会沿着裂隙而发生导升，不具有活化突水的可能性。

由垂直方向位移分布云图可以看出，工作面附近围岩位移的最大值产生于顶板处，形成了大面积的垮落。陷落柱隔水段在煤层上方区域出现了大面积的位移，说明局部区域内产生的应力集中超过了陷落柱的承载能力，产生局部的变形。从图中可以发现，变形值较大的区域位于煤层上方，煤层下方底板岩层内的陷落柱并没有受到大范围的影响，含水层未产生大范围的变形，说明底板完整岩层可起到有效阻隔作用，不具备发生突水的危险性。由最大主应力分布云图和FoS 破坏区分布图可以清楚地看出，开挖扰动主要影响采场围岩，对陷落柱的影响比较小。综合30105 工作面开采距陷落柱30 m数值模拟结果可以发现，30105 工作面在开采至陷落柱30 m距离时，陷落柱不具有活化突水的可能性。

（2）工作面穿过陷落柱

图3 为30105 工作面穿过陷落柱数值模拟结果，依次为陷落柱裂纹分布特征、总位移分布云图、最大主应力分布云图和声发射事件分布图。

图3 30105 工作面穿过陷落柱数值模拟结果

30105 工作面开采进入陷落柱后，局部区域内产生的应力集中超过了岩石的承载能力，造成陷落柱内部裂纹的起裂和扩展，陷落柱上方的岩体形成了大范围的裂纹网，陷落柱主溶洞裂纹在原有裂纹上发生扩展，向工作面方向扩展。煤层底板30 m 左右范围内的陷落柱裂纹发生扩展贯通，表明开采扰动仅影响底板30 m 范围内岩层的阻水能力，下方含水层内高压水没有通道贯通裂隙导入工作面。由最大主应力分布云图和声发射事件分布图可以看出，陷落柱在一定程度上受到工作面开采的影响，主要表现在陷落柱内部原生裂隙的区域性的声发射事件的产生，没有形成大范围的事件叠加，因此，受开采影响范围外的陷落柱整体保持完整性，水流不会沿着裂隙而发生导升，陷落柱活化突水可能性较小。

（3）工作面开采过陷落柱30 m

图4 为30105 工作面采过陷落柱30 m 数值模拟结果，依次为陷落柱裂纹分布特征、总位移分布云图、最大主应力分布云图和声发射事件分布图。

图4 30105 工作面开采过陷落柱30 m 数值模拟结果

30105 工作面开采过陷落柱30 m 后，煤层底板30 m 范围以上的陷落柱应力集中造成陷落柱内部裂纹的起裂和扩展，该部分陷落柱形成了大范围的裂纹网。由最大主应力分布云图和声发射事件分布图可以看出，陷落柱内部原生裂隙的区域性的声发射事件的产生，没有形成大范围的事件叠加，因此，受开采影响范围外的陷落柱整体保持完整性，水流不会沿着裂隙而发生导升。

3.2 30105 工作面倾向方向模拟结果分析

图5 为30105 工作面倾向方向穿过陷落柱数值模拟结果，依次为陷落柱裂纹分布特征、总位移分布云图、最大主应力分布云图和声发射事件分布图。

图5 30105 工作面倾向方向模拟结果分析

由最大主应力分布云图和声发射事件分布图可以看出，开挖扰动主要影响采场围岩，陷落柱上部岩体继续塌陷，煤层下方影响范围35 m，小于煤层距离含水层的厚度，所以整体失稳范围未波及含水层。采场围岩和陷落柱正应力的变化较为复杂，裂纹的产生、扩展和贯通小范围的出现在30105 工作面的下顺槽上部，即开采进入陷落柱的区域。

综合30105 工作面倾向方向数值模拟结果可以发现，工作面开采后隔水层上方陷落柱受开采扰动范围在35 m，扰动范围外陷落柱整体结构完整，裂隙不发育，同时，30105 底板以下隔水段厚度大于100 m，因此30105 工作面过X4 陷落柱开采不会发生突水事故。

4 结论

（1）对30105 工作面在走向方向上建立模型并利用FRACOD 模拟软件进行数值分析。模拟结果表明：工作面开采距陷落柱30 m 时，在工作面开采扰动的影响下，工作面顶底板开始出现裂纹并开始扩展，工作面周围岩层产生移动，但影响范围有限，在工作面距陷落柱30 m 时，不具有活化突水的可能性；工作面穿过陷落柱时，陷落柱上方产生较大范围的裂纹，底板30 m 左右范围内的陷落柱裂纹发生扩展贯通，但受开采影响范围外的陷落柱整体保持完整性，水流不会沿着裂隙而发生导升，陷落柱活化突水可能性较小；工作面过陷落柱30 m时，煤层底板30 m 范围以上的陷落柱会因开采应力扰动产生大范围的裂纹网，但开采影响范围外的陷落柱整体性未受到破坏，所以发生陷落柱活化突水的可能性仍较小。

（2）对30105 工作面在倾向方向上建立模型并利用FRACOD 模拟软件进行数值分析。模拟结果表明：在工作面倾向方向上，受开采扰动的影响，陷落柱上部岩体塌陷，煤层下方影响范围在35 m，开采影响未波及到含水层，所以由开采扰动引起的围岩失稳不会造成陷落柱的活化突水。