小槽煤重復采動條件下斷層防水煤柱寬度的數值模擬研究

白文信，佟文亮，武可森，郭　強，欒元重，尹會永

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小槽煤重復采動條件下斷層防水煤柱寬度的數值模擬研究

白文信1，佟文亮1，武可森1，郭強1，欒元重2，尹會永3

(1.棗莊礦業(yè)(集團)有限責任公司蔣莊煤礦，山東 棗莊 277519；2.山東科技大學 測繪科學與工程學院，山東 青島 266590；3.山東科技大學 地球科學與工程學院，山東 青島 266590)

為了合理確定斷層防水煤柱寬度，利用FLAC數值模擬技術，根據小槽煤(太原組12下煤和16煤)重復開采的條件，對斷層煤柱寬度進行數值模擬。結果表明，上、下兩層煤開采時，圍巖應力、塑性區(qū)分布及其變化特征不同，所需的斷層防水煤柱寬度變化較大，12下煤開采時斷層防水煤柱寬度為20 m；16煤重復采動條件所需的煤柱寬度為50 m左右。重復采動條件的斷層煤柱留設寬度模擬結果能形象地刻畫斷層受采動影響程度，指導性更強，比《煤礦防治水規(guī)定》中的計算方法更具有一定的優(yōu)越性，更能有效指導礦井16煤的斷層防治水工作。

斷層煤柱；數值模擬；重復采動；蔣莊煤礦；斷層突水

斷層作為主要的突水通道，是煤層底板突水的主要原因之一[1-3]。因此，斷層防治水工作歷來是礦井水文地質工作者研究、防治的重點。合理的留設斷層防水煤柱是預防斷層突水的主要方法，也被廣泛的應用到生產實際中?！睹旱V防治水規(guī)定》[4]給出了不同類型斷層的防水煤柱留設寬度計算方法，在礦井生產中被普遍采用。除此之外，理論計算[3]、多元回歸分析[5]、BP和RBF[6]、相似模擬[7]、數值模擬[8]等方法也為合理留設斷層防水煤柱寬度提供了有益參考。但影響斷層防水煤柱寬度留的因素較多，主要包括：礦井地質和水文地質條件、斷層性質、斷層落差、傾角、煤層埋藏深度、煤層開采厚度、開采順序、開采方法、圍巖性質和產狀、礦山壓力、最大靜水壓力等因素[9，10]。由此可見，斷層防水煤柱寬度的留設是需要在考慮多種影響因素的基礎上，明確主要影響因素，建立合適的計算模型，確定煤柱留設寬度。建立能考慮所有影響因素的理論建立模型的方法不太現實，而計算機技術的發(fā)展尤其是數值模擬技術可有效的彌補理論的不足，豐富斷層防水煤柱留設方法。盡管已有許多數值模擬技術應用到斷層煤柱留設研究中[8，10～13]，但具體礦井條件不盡相同，而且小槽煤重復采動條件下斷層煤柱留設寬度仍需進一步進行研究，以指導礦井防治水工作，服務礦井安全生產。

1　研究區(qū)概況

蔣莊煤礦屬于山東能源棗礦集團，位于濟寧市微山縣。開采深度-250 m～-650 m，面積36.463 km2。蔣莊煤礦于1979年12月28日由原棗莊礦務局第三工程處破土動工，1988年9月28日移交蔣莊煤礦生產，1989年6月24日正式投產。主采山西組的3上、3下煤層和太原組的12下、16煤，設計生產能力150萬 t/a，核定275萬 t/a(2007年)，設計兩個水平，一水平為-320 m水平，二水平為-430 m水平，現兩個水平均在生產。3煤已開采大部分區(qū)域，12下煤也已開采多年，16煤的163采區(qū)是目前開采區(qū)域，其中12下煤和16煤俗稱小槽煤。163采區(qū)上部12下煤已基本開采完畢(相距約50 m)。

162、163采區(qū)總體為一傾向南東的單斜構造，在162采區(qū)發(fā)育一向斜，地層傾角在3°～10°。采區(qū)共有19條斷層，斷層密度2.8 條/km2。

163采區(qū)發(fā)育的斷層群在平面上走向基本一致，線狀排列，密集成“束”狀，斷層束區(qū)域的各斷層傾向不一，在垂向上形成多個地塹和地壘構造(圖1)，在各斷層均為正斷層，相同傾向的正斷層之間又形成了階梯狀構造，因此區(qū)域上受拉應力形成。從圖1中可以看出，在徐莊斷層和88-1斷層之間形成階梯構造，在88-1斷層和高廟支斷層之間形成地壘構造，在高廟支斷層、F2斷層和高廟斷層之間形成階梯構造，在高廟斷層和王莊斷層之間形成地塹構造，在王莊斷層和小宋莊斷層之間形成地壘構造，地塹構造、階梯構造、地壘構造的相間出現造成研究區(qū)復雜多樣的構造條件，給煤礦安全生產造成一定程度的威脅和困難。且上部12下煤已開采完畢，部分區(qū)域有采空區(qū)積水，而且對斷層產生一定的擾動。因此，12下煤、16煤重復開采時，合理留設斷層煤柱寬度，對預防底板奧灰斷層突水具有重要的實際意義。

圖1　163采區(qū)斷層束-地塹地壘剖面示意圖

2　數值模擬

計算機技術的高速發(fā)展，為許多工程狀況的數值模擬提供了保障；模擬技術解決了許多生產實際問題，彌補了現場實驗的復雜性，有益的補充了理論計算的不足。目前，數值模擬技術已越來越多的應用到采礦工程實踐中去，特別是FLAC軟件受到了許多工程技術人員的青睞[8-12]。斷層作為主要的導水通道，80%左右的礦井突水都與斷層有關。因此，在開采時，留設足夠尺寸的斷層煤柱是防治斷層突水的主要措施。研究區(qū)域內的斷層有王莊、小宋樓、高廟、孔莊、劉仙莊等斷層，以小宋樓斷層(正斷層，走向NE，落差H=40 m，傾角70°)為例，分析小槽煤(12下煤、16煤)重復開采條件下，開采圍巖、斷層應力、塑性區(qū)發(fā)展變化特征。

2.1數值模型

首先根據163采區(qū)地質及開采條件，建立如圖2的力學概念開挖模型，模型側面限制水平移動，模型底面限制垂直移動，模型上部根據需要施加垂直載荷代替上覆巖層的重量。本次模擬建立的模型以穿越小宋樓斷層的勘探線作為基準，建立了814 m×350 m的模型(圖3)。模型頂部之上的巖層以加載荷載的方式進行替代。

圖2　采場平面力學模型概念圖

圖3　數值模型剖面圖

模型邊界條件如下：

(1)模型兩端的x方向的位移固定，即邊界水平位移為零；

(2)模型底部的z方向位移固定，即底部邊界水平、垂直位移為零；

(3)模型的y方向位移固定，即任一點在y方向都不會產生位移，達到平面應變問題的要求。

2.2計算參數

根據研究區(qū)及鄰礦以往鉆孔巖石力學性質參數測試資料，材料力學參數如表1所示。

表1　材料力學參數

圖4　留設10 m(a)、15 m(b)煤柱塑性區(qū)破壞圖

3　模擬結果及對比分析

小槽煤(12下煤、16煤)重復采動條件下，距離小宋樓斷層不同位置時的模擬結果(主要指塑性區(qū)變化范圍)如圖4～圖7所示。

(1)圖4(距離10 m和15 m)、圖5(距離20 m和25 m)數值模擬結果表明：小槽煤重復采動條件下，隨著開采的推進，兩層煤距離斷層由25～10 m時，采動圍巖塑性區(qū)逐漸靠近斷層，即斷層面發(fā)生破壞，活動性增強，與底板奧灰溝通，發(fā)生斷層“活化”突水的可能性增加?？梢钥闯?，當小槽煤開采距離斷層25 m(即斷層煤柱寬度為25 m，下同)時，斷層面有應力集中，但未發(fā)生塑性破壞；距離斷層20 m時，兩層煤的開采導致采動裂隙溝通，斷層下部局部產生塑性破壞區(qū)；距離15 m，10 m時塑性區(qū)增加，加大了斷層導水的可能。因此，建議12下煤開采時斷層防水煤柱寬度留設20 m。

圖5　留設20 m(a)、25 m(b)煤柱塑性區(qū)破壞圖

圖6　12下煤留設20 m，16煤留設40 m(a)45 m(b)煤柱塑性區(qū)破壞圖

(2)圖4、圖5模擬表明，兩層煤重復采動條件下，距離斷層25 m時，16煤采動引起的覆巖破壞、底板破壞及裂隙擴展可與斷層及底部奧灰水導通，需要加大16煤防水煤柱寬度?？紤]12下煤開采留設20 m寬的煤柱情況，只模擬16煤不同寬度的保護煤柱寬度，模擬結果如圖6(距離40 m和45 m)、和圖7(距離50 m和55 m)所示。16煤開采留設40 m煤柱時，斷層面產生應力集中，局部發(fā)生了塑性破壞，基本延伸至奧灰含水層，而且與16煤采動裂隙基本溝通，因此需加大煤柱寬度；當留設45 m時，底板奧灰影響較小，但采動裂隙與斷層發(fā)生了聯系，不利于防治斷層水；當留設50 m及55 m(圖7)時，盡管斷層面產生一定的應力集中，但塑性區(qū)很小，16煤采動裂隙未與斷層及底板奧灰含水層發(fā)生聯系，發(fā)生突水的可能小較小。因此，當12下煤煤柱留設20 m寬時，建議16煤開采時斷層防水煤柱寬度留設50 m。

圖7　12下煤留設20 m，16煤留設50 m(a)55 m(b)煤柱塑性區(qū)破壞圖

(3)與《煤礦防治水規(guī)定》計算結果對比

結合《煤礦防治水規(guī)定》，含水或導水斷層防隔水煤(巖)柱的留設可參照下列經驗公式計算：

(1)

式中：L為煤柱留設的寬度，m；K為安全系數，一般取2～5；M為煤層厚度或采高，m；p為水頭壓力，MPa；Kp為煤的抗拉強度，MPa。

12下煤開采頂板砂巖、五灰含水層富水性弱，對12下煤開采影響較小。利用公式(1)進行計算。依據實測資料，含水層水壓值約為2.2 MPa，煤層抗拉強度取0.35 MPa，煤層平均厚度為0.97 m，安全系數取5時帶入公式(1)得到斷層防水煤柱寬度為10.1 m。公式(1)要求煤柱留設寬度不小于20 m。因此，開采12下煤時需留設20 m寬的斷層防水煤柱。

開采16煤層時，頂板直接充水含水層為十下灰，富水性較弱，將主要受到底板奧灰水的威脅，需在斷層帶兩側留設足夠的防水煤柱煤柱，按公式(1)進行計算。依據實測資料，奧灰含水層水壓值約為3.0 MPa，煤層抗拉強度取0.35 MPa，煤層厚度為0.7～1.91 m，安全系數取5，帶入公式(1)得到斷層防水煤柱寬度為：8.9～24.2 m。因此，16煤層開采斷層防水煤柱留設寬度為20～24.2 m。

由此可以看出，12下煤開采時斷層煤柱留設寬度與《煤礦防治水規(guī)定》中的計算方法得到的結果一致，留設寬度取20 m。

16煤開采時的數值模擬結果比《煤礦防治水規(guī)定》中的計算方法得到的結果多25.8-30m。主要原因是(1)數值模擬考慮了12下煤的重復采動，造成采場應力的變化，進而影響了斷層兩側應力的分布；(2)公式(1)未考慮垂向采動、應力的影響，無法體現不同規(guī)模斷層、斷層上下盤的影響。綜合對比分析，為安全起見，16煤開采斷層防水煤柱寬度取數值模擬方法得到的結果。

4　結語

(1)與理論計算、《煤礦防治水規(guī)定》規(guī)定法等相比，數值模擬技術能反映重復采動條件下，距離斷層不同寬度時斷層活動特征，具有其他方法無法比擬的優(yōu)點。

(2)12下煤和16煤重復開采條件下，小宋樓斷層防水煤柱寬度分別為20 m(12下煤)和50 m(16煤)，也為研究區(qū)其他斷層的防水煤柱留設寬度提供參考。

(3)本次數值模擬以小宋樓斷層為例，其他斷層煤柱留設方法也可參照本文方法，但相關參數的選擇需根據具體條件進行設定。

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Numerical simulation study on width of fault protection coal pillar in the condition of repeated mining

BAI Wen-xin1，TONG Wen-liang1，WU Ke-sen1，GUOQiang1，LUAN Yuan-zhong2，YIN Hui-yong3

(1.Jiangzhuang Coal Mine，Zaozhuang mining (group) co.，Ltd.，Zaozhuang 277519，China；2.College of Geomatics，Shandong University of Science and Technology，Qingdao 266590，China；3.College of Earth Science & Engineering，Shandong University of Science and Technology，Qingdao 266590，China)

In order to set up reasonably width of fault protection coal pillar,this repot simulated mining condition with FLAC software.According to conditions of double minable coal seams and repeated mining,numerical model was found and simulated on the width of fault protection coal pillar.Numerical simulation shows that different mining conditions generated the stress distribution and distribution characteristics of the plastic zone were different,the width of faulty protection coal pillar were different also,which needed up to 20m and 50m,when the no.12down and 16 coal seams mined,respectively.Numerical simulation results according with the conclusion of Rule of Mine Prevention and Cure Water Disaster,and even more clearly and more practical significance.

fault protection coal pillar；numerical simulation; repeat mining；Jiangzhuang Coal Mine；water inrush through fault

2016-06-14

國家自然科學基金資助(No.41372290,41402250)，山東省自然科學基金資助(No.ZR2013EEQ019)

白文信(1965-)，男，山東濰坊人，總工程師，主要從事采礦工程、煤礦地質等工作。

尹會永(1979-)，男，河北衡水人，副教授，主要從事礦井水文地質、煤礦地質等方面的教學與科研工作。

TD823.23

A

1004-1184(2016)05-0217-04