白文信，佟文亮，武可森，郭　強(qiáng)，欒元重，尹會(huì)永

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小槽煤重復(fù)采動(dòng)條件下斷層防水煤柱寬度的數(shù)值模擬研究

白文信1，佟文亮1，武可森1，郭強(qiáng)1，欒元重2，尹會(huì)永3

(1.棗莊礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司蔣莊煤礦，山東 棗莊 277519；2.山東科技大學(xué) 測(cè)繪科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266590；3.山東科技大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266590)

為了合理確定斷層防水煤柱寬度，利用FLAC數(shù)值模擬技術(shù)，根據(jù)小槽煤(太原組12下煤和16煤)重復(fù)開采的條件，對(duì)斷層煤柱寬度進(jìn)行數(shù)值模擬。結(jié)果表明，上、下兩層煤開采時(shí)，圍巖應(yīng)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(shí)斷層防水煤柱寬度為20 m；16煤重復(fù)采動(dòng)條件所需的煤柱寬度為50 m左右。重復(fù)采動(dòng)條件的斷層煤柱留設(shè)寬度模擬結(jié)果能形象地刻畫斷層受采動(dòng)影響程度，指導(dǎo)性更強(qiáng)，比《煤礦防治水規(guī)定》中的計(jì)算方法更具有一定的優(yōu)越性，更能有效指導(dǎo)礦井16煤的斷層防治水工作。

斷層煤柱；數(shù)值模擬；重復(fù)采動(dòng)；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(zhì)工作者研究、防治的重點(diǎn)。合理的留設(shè)斷層防水煤柱是預(yù)防斷層突水的主要方法，也被廣泛的應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)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(shè)寬度計(jì)算方法，在礦井生產(chǎn)中被普遍采用。除此之外，理論計(jì)算[3]、多元回歸分析[5]、BP和RBF[6]、相似模擬[7]、數(shù)值模擬[8]等方法也為合理留設(shè)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(zhì)和水文地質(zhì)條件、斷層性質(zhì)、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(zhì)和產(chǎn)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(shè)是需要在考慮多種影響因素的基礎(chǔ)上，明確主要影響因素，建立合適的計(jì)算模型，確定煤柱留設(shè)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(xiàn)實(shí)，而計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展尤其是數(shù)值模擬技術(shù)可有效的彌補(bǔ)理論的不足，豐富斷層防水煤柱留設(shè)方法。盡管已有許多數(shù)值模擬技術(shù)應(yīng)用到斷層煤柱留設(shè)研究中[8，10～13]，但具體礦井條件不盡相同，而且小槽煤重復(fù)采動(dòng)條件下斷層煤柱留設(shè)寬度仍需進(jìn)一步進(jìn)行研究，以指導(dǎo)礦井防治水工作，服務(wù)礦井安全生產(chǎn)。

1　研究區(qū)概況

蔣莊煤礦屬于山東能源棗礦集團(tuán)，位于濟(jì)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(wù)局第三工程處破土動(dòng)工，1988年9月28日移交蔣莊煤礦生產(chǎn)，1989年6月24日正式投產(chǎn)。主采山西組的3上、3下煤層和太原組的12下、16煤，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力150萬 t/a，核定275萬 t/a(2007年)，設(shè)計(jì)兩個(gè)水平，一水平為-320 m水平，二水平為-430 m水平，現(xiàn)兩個(gè)水平均在生產(chǎn)。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(gòu)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(gè)地塹和地壘構(gòu)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(gòu)造，因此區(qū)域上受拉應(yīng)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(gòu)造，在88-1斷層和高廟支斷層之間形成地壘構(gòu)造，在高廟支斷層、F2斷層和高廟斷層之間形成階梯構(gòu)造，在高廟斷層和王莊斷層之間形成地塹構(gòu)造，在王莊斷層和小宋莊斷層之間形成地壘構(gòu)造，地塹構(gòu)造、階梯構(gòu)造、地壘構(gòu)造的相間出現(xiàn)造成研究區(qū)復(fù)雜多樣的構(gòu)造條件，給煤礦安全生產(chǎn)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(duì)斷層產(chǎn)生一定的擾動(dòng)。因此，12下煤、16煤重復(fù)開采時(shí)，合理留設(shè)斷層煤柱寬度，對(duì)預(yù)防底板奧灰斷層突水具有重要的實(shí)際意義。

圖1　163采區(qū)斷層束-地塹地壘剖面示意圖

2　數(shù)值模擬

計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，為許多工程狀況的數(shù)值模擬提供了保障；模擬技術(shù)解決了許多生產(chǎn)實(shí)際問題，彌補(bǔ)了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)的復(fù)雜性，有益的補(bǔ)充了理論計(jì)算的不足。目前，數(shù)值模擬技術(shù)已越來越多的應(yīng)用到采礦工程實(shí)踐中去，特別是FLAC軟件受到了許多工程技術(shù)人員的青睞[8-12]。斷層作為主要的導(dǎo)水通道，80%左右的礦井突水都與斷層有關(guān)。因此，在開采時(shí)，留設(shè)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(nèi)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(fù)開采條件下，開采圍巖、斷層應(yīng)力、塑性區(qū)發(fā)展變化特征。

2.1數(shù)值模型

首先根據(jù)163采區(qū)地質(zhì)及開采條件，建立如圖2的力學(xué)概念開挖模型，模型側(cè)面限制水平移動(dòng)，模型底面限制垂直移動(dòng)，模型上部根據(jù)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(zhǔn)，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(jìn)行替代。

圖2　采場(chǎng)平面力學(xué)模型概念圖

圖3　數(shù)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(diǎn)在y方向都不會(huì)產(chǎn)生位移，達(dá)到平面應(yīng)變問題的要求。

2.2計(jì)算參數(shù)

根據(jù)研究區(qū)及鄰礦以往鉆孔巖石力學(xué)性質(zhì)參數(shù)測(cè)試資料，材料力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1　材料力學(xué)參數(shù)

圖4　留設(shè)10 m(a)、15 m(b)煤柱塑性區(qū)破壞圖

3　模擬結(jié)果及對(duì)比分析

小槽煤(12下煤、16煤)重復(fù)采動(dòng)條件下，距離小宋樓斷層不同位置時(shí)的模擬結(jié)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(shù)值模擬結(jié)果表明：小槽煤重復(fù)采動(dòng)條件下，隨著開采的推進(jìn)，兩層煤距離斷層由25～10 m時(shí)，采動(dòng)圍巖塑性區(qū)逐漸靠近斷層，即斷層面發(fā)生破壞，活動(dòng)性增強(qiáng)，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(dāng)小槽煤開采距離斷層25 m(即斷層煤柱寬度為25 m，下同)時(shí)，斷層面有應(yīng)力集中，但未發(fā)生塑性破壞；距離斷層20 m時(shí)，兩層煤的開采導(dǎo)致采動(dòng)裂隙溝通，斷層下部局部產(chǎn)生塑性破壞區(qū)；距離15 m，10 m時(shí)塑性區(qū)增加，加大了斷層導(dǎo)水的可能。因此，建議12下煤開采時(shí)斷層防水煤柱寬度留設(shè)20 m。

圖5　留設(shè)20 m(a)、25 m(b)煤柱塑性區(qū)破壞圖

圖6　12下煤留設(shè)20 m，16煤留設(shè)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(fù)采動(dòng)條件下，距離斷層25 m時(shí)，16煤采動(dòng)引起的覆巖破壞、底板破壞及裂隙擴(kuò)展可與斷層及底部奧灰水導(dǎo)通，需要加大16煤防水煤柱寬度?？紤]12下煤開采留設(shè)20 m寬的煤柱情況，只模擬16煤不同寬度的保護(hù)煤柱寬度，模擬結(jié)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(shè)40 m煤柱時(shí)，斷層面產(chǎn)生應(yīng)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(dòng)裂隙基本溝通，因此需加大煤柱寬度；當(dāng)留設(shè)45 m時(shí)，底板奧灰影響較小，但采動(dòng)裂隙與斷層發(fā)生了聯(lián)系，不利于防治斷層水；當(dāng)留設(shè)50 m及55 m(圖7)時(shí)，盡管斷層面產(chǎn)生一定的應(yīng)力集中，但塑性區(qū)很小，16煤采動(dòng)裂隙未與斷層及底板奧灰含水層發(fā)生聯(lián)系，發(fā)生突水的可能小較小。因此，當(dāng)12下煤煤柱留設(shè)20 m寬時(shí)，建議16煤開采時(shí)斷層防水煤柱寬度留設(shè)50 m。

圖7　12下煤留設(shè)20 m，16煤留設(shè)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(jì)算結(jié)果對(duì)比

結(jié)合《煤礦防治水規(guī)定》，含水或?qū)當(dāng)鄬臃栏羲?巖)柱的留設(shè)可參照下列經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：

(1)

式中：L為煤柱留設(shè)的寬度，m；K為安全系數(shù)，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(qiáng)度，MPa。

12下煤開采頂板砂巖、五灰含水層富水性弱，對(duì)12下煤開采影響較小。利用公式(1)進(jìn)行計(jì)算。依據(jù)實(shí)測(cè)資料，含水層水壓值約為2.2 MPa，煤層抗拉強(qiáng)度取0.35 MPa，煤層平均厚度為0.97 m，安全系數(shù)取5時(shí)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(shè)寬度不小于20 m。因此，開采12下煤時(shí)需留設(shè)20 m寬的斷層防水煤柱。

開采16煤層時(shí)，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(cè)留設(shè)足夠的防水煤柱煤柱，按公式(1)進(jìn)行計(jì)算。依據(jù)實(shí)測(cè)資料，奧灰含水層水壓值約為3.0 MPa，煤層抗拉強(qiáng)度取0.35 MPa，煤層厚度為0.7～1.91 m，安全系數(shù)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(shè)寬度為20～24.2 m。

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

16煤開采時(shí)的數(shù)值模擬結(jié)果比《煤礦防治水規(guī)定》中的計(jì)算方法得到的結(jié)果多25.8-30m。主要原因是(1)數(shù)值模擬考慮了12下煤的重復(fù)采動(dòng)，造成采場(chǎng)應(yīng)力的變化，進(jìn)而影響了斷層兩側(cè)應(yīng)力的分布；(2)公式(1)未考慮垂向采動(dòng)、應(yīng)力的影響，無法體現(xiàn)不同規(guī)模斷層、斷層上下盤的影響。綜合對(duì)比分析，為安全起見，16煤開采斷層防水煤柱寬度取數(shù)值模擬方法得到的結(jié)果。

4　結(jié)語

(1)與理論計(jì)算、《煤礦防治水規(guī)定》規(guī)定法等相比，數(shù)值模擬技術(shù)能反映重復(fù)采動(dòng)條件下，距離斷層不同寬度時(shí)斷層活動(dòng)特征，具有其他方法無法比擬的優(yōu)點(diǎn)。

(2)12下煤和16煤重復(fù)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(shè)寬度提供參考。

(3)本次數(shù)值模擬以小宋樓斷層為例，其他斷層煤柱留設(shè)方法也可參照本文方法，但相關(guān)參數(shù)的選擇需根據(jù)具體條件進(jìn)行設(shè)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(xué)基金資助(No.41372290,41402250)，山東省自然科學(xué)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(zhì)等工作。

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

TD823.23

A

1004-1184(2016)05-0217-04