田彦斌

（山西西山晋兴能源有限责任公司斜沟煤矿，山西 兴县 033602）

1 工程概况

山西晋兴能源有限公司斜沟煤矿位于吕梁山脉的西北端，矿井主要开采8#和13#煤层。8#煤层位于山西组下部，煤层平均厚度为4.87 m。煤层直接顶为泥岩，均厚为3.14 m；基本顶为中粗粒砂岩，均厚为9.9 m；直接底为细粒砂岩，均厚为3.4 m；基本底为中细粒砂岩，均厚为3.4 m。煤层地表主要为黄土丘陵、涧地和川台地等，井田内的地势主要呈现为西北高、中部底的特征，井田范围内沟谷地形较多，具体地表地形如图1。根据矿井地质资料可知，井田范围内的沟谷主要为冲沟，长度基本在1.0～7.3 m 范围内，宽度在5～57 m 范围，深度在4～60 m 范围。

18112 工作面位于8#煤层11 采区，工作面对应的地表区域起伏较大，工作面顶板的主要含水层为砂岩裂隙水，且砂岩裂隙水又与地表水之间存在密切的联系。井田范围内存在着三条河流，分别为湫水河、蔚汾河和岚漪河。具体工作面布置形式及其与沟谷的位置关系如图1。现为防止工作面回采期间导水裂隙带与顶板砂岩裂隙水出现贯通，特进行工作面回采期间导水裂隙带发育规律的分析。

图1 18112 工作面布置位置及其与沟谷位置关系示意图

2 覆岩裂隙发育规律

为充分分析18112 工作面回采过程中沟谷区域覆岩裂隙的发育规律，现采用RFPA 数值模拟软件，结合工作面各项特征，建立长×高=400 m×220 m的数值模型。模型从地表建立到13#煤层的底板，设置模型沟谷深度×宽度=60 m×25 m，并在工作面两端各留设50 m 的保护煤柱，设置工作面每步开挖10 m，固定模型左右两侧水平方向的位移，模型底板水平和竖直方向的位置均固定[1-2]。具体数值模拟模型图如图2。

图2 数值模拟模型示意图

基于数值模拟结果，能够得出工作面不同推进长度下沟谷区域覆岩裂隙带的发育规律。现具体分析工作面回采60 m、80 m、120 m、150 m、200 m、250 m 时覆岩的损伤特征，覆岩损伤情况如图3。

图3 工作面回采不同长度下覆岩损伤特征图

分析图3 可知，工作面回采初期，上覆岩层的发育范围相对较小；当工作面回采推进80 m 后，工作面覆岩上方声发射事件呈现出明显增大的特征；在工作面推进120 m 时，工作面已经回采推进至地面沟谷区域下坡的底部区域，采动影响下覆岩的破坏范围逐渐扩展至沟谷的下坡段，此时岩层的损伤程度出现明显加剧发育的特征，声发射最密集的区域在工作面正上方直至地表的岩层内，称该区域为裂隙的成核区，该区域内纵向裂隙和离层裂隙显著发育；当工作面回采推进150 m 时，工作面回采推进至沟谷底部下部，覆岩主要发生压破坏，上覆岩层声发射事件数量大量增大；随着工作面的进一步推进，在工作面进行迎坡推进作业时，覆岩间的错动现象出现加剧发育现象，且覆岩内裂隙的成核区域的现象发育较为明显。

根据数值模拟结果，结合上述分析确定18112工作面回采作用下上覆岩层垮落带发育高度为12 m，导水裂隙带的发育高度为38 m。其中裂隙演化规律中的裂隙成核区为主要的导水裂隙带发育区域，工作面推进至沟谷底部下方时，扩展的分支裂隙数显著增大，导水裂隙带较为发育，且在沟谷区域裂隙带的下渗通道也较为发达。

3 工作面开采水流场分布规律

3.1 模型的建立

为保障18112 工作面回采期间的安全，基于上述数值模拟结果可知，工作面在回采推进至沟谷区域时，在工作面推进至沟谷底部时，回采动压对上覆岩层的动压影响已经致使工作面顶板裂隙与地表之间贯通，此时沟谷区域的地表积水会顺着裂隙渗入工作面，进而导致突水事故的出现。故现为保障工作面安全回采，采用COMSOL 数值模拟软件进行工作面回采情况下裂隙水流场演化规律的模拟分析[3-4]。

根据18112 工作面的地质条件，建立长×高=400 m×220 m 的数值模型。数值模型中的裂隙分布依据RFPA 的模拟结果设置，设置模型中模型底部边界和沟谷底部的水源区域为流动边界，其余边界为不流动边界，设置模型底部水头压力为0，在沟谷底部水源处设置水头压力，模型中各个分层的水头压力根据岩层高度进行计算确定[5]，并结合顶底板岩层特征进行各岩层物理力学参数的赋值。基于斜沟煤矿地质资料，结合雨季沟谷汇水情况统计结果，设置沟谷的水深5 m，水头压力0.05 MPa，模型建立完毕后进行工作面回采作业下渗流场流速分布规律的分析。

3.2 模拟结果分析

（1）工作面回采时渗流场分布规律

根据数值模拟结果，得出工作面在不同推进长度下渗流场的分布规律。现具体对工作面推进0 m、60 m、150 m、200 m、220 m 和280 m 时渗流场的分布进行出图，具体如图4。

图4 工作面推进不同长度下渗流场分布规律图

分析图4 可知，随着工作面回采作业的进行，工作面与沟谷之间的水平距离逐渐减小。在工作面推进120 m 时，顶板岩层的损伤破坏区已经发展至沟谷水源区域形成了导水通道，致使工作面上方的渗流速度急剧增大；随着工作面在沟谷区域的进一步推进，覆岩导水裂隙带进一步发育，地表沟谷区域水源的渗流速度进一步增大，在工作面回采推进200 m 时，工作面上方渗流速度达到最大值为2.43×10-3m/s；随后工作面以回采推过沟谷区域，随着回采作业的进行，覆岩内水体渗流速度逐渐减小，且采空区中部的流速小于工作面区域附近的流速，这是由于工作面推进过沟谷区域后，沟谷下方的导水裂隙会逐渐被压实，进而能够阻止水的渗流。

（2）渗流量演化规律分析

同样根据模拟结果能够得出工作面不同回采长度下覆岩顶板单位厚度水流量的变化规律如图5。

分析图5 可知，随着工作面推进与沟谷区域水平距离的减小，顶板单位厚度的渗流量逐渐增大。在工作面推进120 m 时，工作面处于沟谷下坡的底部，顶板单位厚度的渗流量急剧增大，单位渗流量增大为7.41×10-5m3/s；在工作面推进200 m 时，顶板单位厚度的渗流量进一步增大，单位渗流量达到最大值，为1.37×10-4m3/s，此时工作面最易发生突水事故；当工作面推进250 m 后，即工作面推进到沟谷上坡段的中部时，顶板单位的渗流水量明显下降，其值为6.62×10-6m3/s；随着工作面的推进，顶板单位渗流水量会进一步减小，此时工作面发生突水的危险性大大降低。

图5 工作面推进不同长度下顶板水流量柱状图

3.3 防治水建议

在工作面推进120 m（工作面处于沟谷下坡的底部）～工作面推进250 m（工作面处于到沟谷上坡段的中部）时，工作面存在着较大的突水危险性。故在工作面回采至该区域时，应提前采取超前注浆预堵水和地表水抽水相结合的防治水措施。

4 结论

根据18112 工作面地表沟谷区域的特征，采用数值模拟分析确定工作面上覆岩层垮落带的发育高度为12 m，导水裂隙带的发育高度为38 m，在沟谷下方工作面导水裂隙与地表相贯通；工作面回采至沟谷下坡的底部（推进120 m）～沟谷上坡段的中部（推进250 m）时，工作面存在着较大的突水危险性，应提前采取超前注浆预堵水和地表水抽水结合的防治水措施，以保障工作面的安全回采。