复杂水文地质下工作面涌水与水害研究范文

摘要：五家沟矿5105工作面属于典型的地表沟流下的浅埋综采放顶煤工作面开采，该区内地下及地表水资源比较丰富，且大部分都覆盖在煤层上覆的岩层中，矿井内部地表径流、顶板与采空区积水随时会给工作面的安全开采带来一定的威胁。通过COMSOLMultiphysics数值模拟方法对采场上裂隙带的导水特性进行模拟分析，确定了大沙沟河流和宽导水裂隙带很有可能威胁到工作面的安全生产，所以有必要采取相关解决措施来预防水害发生。研究成果可为相类似浅埋条件下的矿井安全高效开采提供技术支撑。

关键词：水害特征；导水物理模型；涌水分析

0引言

目前，针对矿井涌水量预测研究，相关学者进行了大量的研究工作，多基于理论分析、现场探测、数值模拟、统计分析等方法。其中数值模拟方法可充分概化矿井复杂的水文地质条件，是国内外煤矿防治水领域应用最为广泛的方法之一。武强首次提出了该数值模拟软件可应用于我国矿井防治水领域的研究工作，并分析提出其在矿井涌水量预测与矿山水环境的应用前景广阔；之后广大学者开展了大量的涌水量数值模拟的有益探索。本文基于五家沟矿5105工作面浅埋薄基岩赋存条件和水文地质特征的分析，对工作面突水能力进行预测研究，并建立导水裂隙带涌水模型，利用COMSOLMultiphysics数值模拟方法进行裂隙发育预测，对5105工作面突水灾害进行预测性分析，研究成果对相类似条件矿井的安全生产有着重要意义。

1工程背景

五家沟矿地处洪涛山脉西侧，属黄土梁峁切割冲刷地貌，区内地形较为复杂，沟谷多呈“U”字形，除极少部分沟谷地区外，均为第四系黄土覆盖。最高点位于矿区北部山梁上，标高+1662.5m，最低点位于西界沟底，标高+1440m，相对高差222.5m，属低中山丘陵地区，井田内黄土广泛分布，冲沟、梁、峁发育，植被稀少，地形切割强烈。5105工作面地表位于下石井村往南约150m处，地表多为农田荒山及荒地，地面有废弃建筑物及民房。工作面地表中部有大沙沟河流由北向南流过。5105工作面井上下对照图如图1所示。5105工作面开采的5-1#煤层埋藏深度91~107m，平均埋藏深度约99m。煤层顶底板特征如表1所示。

2河流下开采工作面导水裂隙涌水量模拟计算

2.1地质体几何模型构建

（1）地质体特征

为研究非枯水期大沙沟河流对工作面涌水量的影响，分析采煤沉陷区导水裂隙带导水特性，采用COMSOLMultiphysics软件进行了数值模拟研究。首先根据5105工作面基本地质情况及岩体垮落特征建立数值模拟几何模型。由井上下对照图分析可知，大沙沟河流横穿5105工作面中部，水平上与切眼相距约280m，为此选取流经工作面中部的河道断面进行研究，如图2所示A-A剖面位置。由大沙沟河道与工作面的位置关系，及矿井地表沉陷裂缝与井下工作面的位置关系，可知5105工作面回采后，地表沉陷裂缝走向基本与河道方向相平行，因此可建立图3所示的沉陷裂隙形态。

（2）导水裂隙形态构建

数值模拟研究了2种不同发育宽度导水裂隙体对工作面水涌出的影响，2条裂隙基本形态一致，裂隙2为在裂隙1基础上平移加宽0.2m。裂隙宽度尺寸如表2所示。根据类似煤层赋存条件和开采条件工作面所做的相似实验结果，结合在5105工作面地表沉陷区踏勘结果，综合构建沉陷裂隙发育的基本形态（见图3）。

（3）初始条件及边界条件

根据大沙沟河流实际情况，模拟研究了水深分别为0.1、0.5、1、2m，4种工况条件，工作面回采后上部岩体垮落，因浅埋煤层覆岩垮落裂隙将贯通地表，即产生导水裂隙，若大沙沟河道存在水流，则水体将沿导水裂隙涌入回采空间，影响工作面生产。裂隙入口边界设置为水头高度；出口边界压力为0；忽略裂隙通道壁面岩体渗水。初始值为水压力值。

（4）模拟结果

根据模型设置，对裂隙通道涌水特征进行了模拟计算。以第2条裂隙，大沙沟水深0.1m为例，对模拟结果进行分析，管道水流特征计算结果如图4～图7所示。根据在裂隙通道出入口位置进行的流速监测曲线，将模拟结果统计汇总并进行涌水量计算由整个裂隙通道水流速度分布特征可知，当地表大沙沟水深0.1m，第2条裂隙通道中水速最高可达0.025m/s以上，入口流速较出口速度低，裂隙中部水速较高，通道弯折区域水速增大，裂隙变宽时，水速放缓。由表3中统计的模拟计算结果可知，大沙沟水位深度为0.1m时，裂隙入口宽度即地表裂隙发育宽度为0.373m，裂隙通道中心流速可达0.016m/s，该宽度的裂缝单位长度流入地层的水量为0.358m3/min；出口即工作面顶板导水裂隙宽度为0.162m时，裂隙通道中心流速可达0.025m/s，单位长度裂隙涌入工作面的水量为0.243m3/min。

2.2采煤工作面导水裂隙涌水量分析由数值模拟结果可知：

（1）随着大沙沟水位深度增大，导水裂隙带涌水能力增加，即涌入工作面的水量增大，对5105工作面的生产威胁将增大，如表3中算例所示，当裂缝发育达到第1种形态时，水位高度由0.1m升至0.5m时，延长0.4m该裂隙涌水量将由14.58m3/h突增至32.076m3/h，因此建议5105工作面开采时，尽量选择枯水期，地表水位高度在0.1m以下时，该情况下这部分水量相对可控。

（2）导水裂隙发育宽度越大，涌水量也越大，对生产威胁也越大，如表3中2个同一形态不同裂隙宽度的计算结果所示，同样水位深度0.1m时，裂隙1的单位延长米涌水量为0.243m3/min，而裂隙2则高达2.2422m3/min，涌水量提高了将近10倍，而裂隙宽度仅增加了0.2m左右。因此，5105工作面回采至大沙沟河道附近时，建议采取必要的措施，尽量降低导水裂隙带发育宽度，如调整放煤量，不放煤或少放煤等，通过降低采高来减缓裂隙发育程度，或采取其他的必要措施，减轻导水裂隙发育规模。

3结语

（1）5105工作面埋深较浅，其导水裂隙带可以到达地表，沟通地表及大气降水。工作面的主要水害为大气降水和地表季节性河流、含水层水、采空区积水等。工作面需要在全年降水量小和地表季节性河流处于枯水期的期间进行回采，降低影响；对于具有含水层水、采空区积水等类型水害，开采前需要进行疏排工作。

（2）通过数值模拟软件对裂隙带导水涌水进行分析，数据表明，大沙沟水位深度和导水裂隙带宽度与工作面涌水量呈正比关系，所以，应尽量选择在枯水期季节进行回采工作，且在工作面回采至大沙沟河道附近时，需采取必要预防措施。

作者：于智卓 单位：中煤华昱能源有限公司