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        斷層活化及防水煤柱留設(shè)數(shù)值模擬研究

        2023-11-15 08:31:46王忠雪
        山東煤炭科技 2023年10期
        關(guān)鍵詞:突水煤柱水流

        王 利 王忠雪 李 瑤

        (1.山東濟(jì)寧運(yùn)河煤礦有限責(zé)任公司,山東 濟(jì)寧 272055;2.山東科技大學(xué)資源學(xué)院,山東 泰安 271019)

        隨著我國淺部煤炭資源開發(fā)殆盡,并且煤炭需求量逐年遞增,我國未來要轉(zhuǎn)向深部開采,深部煤層賦存條件越來越復(fù)雜,特別是斷層構(gòu)造使開采難度大大增加[1-2],因此,開展斷層發(fā)育對(duì)工作面開采產(chǎn)生的影響的研究非常重要。在采動(dòng)影響下,斷層上盤和下盤沿?cái)鄬用姘l(fā)生相對(duì)滑移,引起斷層活化現(xiàn)象,使得斷層的導(dǎo)水性增加,更容易形成突水通道[3-4]。當(dāng)前,國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)采動(dòng)影響下斷層活化機(jī)理與其發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了一系列研究。彭文慶等[5]運(yùn)用各力學(xué)理論推導(dǎo)了不同斷層傾角的防水煤柱寬度計(jì)算公式。師維剛等[6]通過建模分析,對(duì)防水隔離煤柱重新分區(qū),規(guī)范了相關(guān)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)取值,使得防水煤柱設(shè)計(jì)更加全面。姜耀東等[7]通過在斷層模型中添加監(jiān)測(cè)點(diǎn),觀察法向應(yīng)力和剪應(yīng)力變化以研究斷層活化規(guī)律,發(fā)現(xiàn)工作面距離斷層越近,斷層越易于活化。程浩等[8]模擬研究了斷層在采動(dòng)影響下對(duì)煤層頂?shù)装遄冃蔚挠绊戇^程,對(duì)比發(fā)現(xiàn)斷層情況下更容易引發(fā)突水危險(xiǎn)。吳俊達(dá)等[9]使用相似材料模擬試驗(yàn)與數(shù)值模擬兩種方法,對(duì)采動(dòng)影響下斷層的活化特征和煤柱留設(shè)進(jìn)行了分析。楊本水等[10]研究斷層對(duì)煤層圍巖的影響程度,發(fā)現(xiàn)斷層情況下預(yù)留合適長度的煤柱可以有效預(yù)防水害。朱光麗等[11]、張培森等[3][12][13]、王浩杰等[14]利用數(shù)值模擬方法對(duì)斷層活化突水的影響因素、覆巖運(yùn)動(dòng)破壞形態(tài)、底板裂隙延伸特征等展開研究。

        隨著煤炭資源開采深度和強(qiáng)度的持續(xù)增加,斷層活化導(dǎo)致的突水災(zāi)害嚴(yán)重威脅生產(chǎn)安全,因此,為了防止斷層以及斷層附近裂縫造成工作面突水,需要留設(shè)尺寸合理的斷層保護(hù)煤柱。通過CAE 近些年發(fā)展,使用有限差分?jǐn)?shù)值模擬的方法可模擬斷層在留設(shè)不同寬度防水煤柱時(shí)的活化程度,可以為工作面留設(shè)防水煤柱的尺寸提供參考依據(jù)[15]。本文通過分析 FLAC3D模擬留設(shè)不同寬度煤柱時(shí),煤層開采過程中覆巖應(yīng)力場(chǎng)變化規(guī)律、塑性區(qū)破壞特征及孔壓和水流速度變化特征,然后綜合對(duì)比分析,為斷層防水保護(hù)煤柱寬度留設(shè)提供依據(jù)。

        1 地質(zhì)概況

        陽城煤礦1311 綜采放頂煤工作面走向長度517 m,傾向長度200 m,煤層埋深在-410~-640 m,煤巖層傾角平均20°,3 煤厚度平均7.2 m。煤層及頂板層理發(fā)育,內(nèi)生裂隙較多;1311 工作面可能引起水害的主要充水含水層為山西組3 煤層頂板砂巖含水層、石炭系太原組三灰以及斷層水,其中3 煤頂板砂巖為直接充水含水層。工作面存在一正斷層為FD121 斷層,F(xiàn)D121 斷層走向45°,傾向315°,傾角50°,落差20~50 m。

        2 數(shù)值模擬模型建立

        合理的計(jì)算范圍對(duì)確保計(jì)算精度至關(guān)重要,本次模擬確定了如下的計(jì)算范圍:模型尺寸長×寬×高=825 m×200 m×265 m。根據(jù)研究目的,對(duì)斷層上、下盤煤層及煤層直接頂網(wǎng)格進(jìn)行加密處理,網(wǎng)格劃分如圖1 所示。在模型的四周邊界均約束水平位移,底部邊界約束水平位移和垂直位移,上邊界為自由面。本模型所受的重力載荷梯度為25 kPa,上邊界模擬巖層等效均布荷載q=Σγh=2500×9.8×350 ≈8.58 MPa。根據(jù)大量的巖石力學(xué)試驗(yàn)以及工程類比可以得知,Mohr-Coulomb準(zhǔn)則能較好地反映出巖石破壞特性,因此選取Mohr-Coulomb 本構(gòu)模型進(jìn)行分析。模擬計(jì)算所采用的巖體力學(xué)參數(shù)見表1。

        表1 各種巖性的物理力學(xué)參數(shù)

        圖1 模型網(wǎng)格劃分

        利用數(shù)值模擬軟件FLAC3D,分析1311 工作面開采對(duì)FD121 斷層活化的影響。方案一為模擬斷層防水煤柱寬度分別留設(shè)33 m、27 m、22 m、16 m和11 m 時(shí),煤層開采過程對(duì)斷層活化的影響;方案二為當(dāng)斷層防水煤柱寬度設(shè)定在27 m 不變情況下,在煤柱部分工作面只采不放,逐漸縮小開采部分的煤柱尺寸為22 m、16 m、11 m 時(shí),煤層開采過程對(duì)斷層活化的影響。

        3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

        3.1 煤層開采過程中覆巖應(yīng)力場(chǎng)特征

        由圖2(a)可知,隨著工作面推進(jìn),防水煤柱寬度越小,最大剪應(yīng)力和最大主應(yīng)力均呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)。煤柱分別為33 m、27 m、22 m、16 m 和11 m 時(shí),工作面采動(dòng)對(duì)應(yīng)的正應(yīng)力分別為4.75 MPa、4.82 MPa、4.91 MPa、5.40 MPa 和5.36 MPa,對(duì)應(yīng)的最大剪應(yīng)力分別為2.42 MPa、2.48 MPa、2.52 MPa、2.59 MPa 和2.77 MPa,對(duì)應(yīng)的最大主應(yīng)力分別為2.66 MPa、2.68 MPa、2.78 MPa、2.88 MPa 和3.11 MPa,留設(shè)11 m 煤柱較33 m 煤柱分別增長12.8%、14.5%和16.9%。當(dāng)防水煤柱寬度大于16 m 時(shí),正應(yīng)力隨防水煤柱寬度的減小而逐漸增長,且在22 m 時(shí)增長趨勢(shì)更加明顯。防水煤柱寬度小于16 m 時(shí),正應(yīng)力隨防水煤柱寬度的減小而緩慢減小,正應(yīng)力在防水煤柱寬度為11 m 時(shí)較之16 m 時(shí)降低了約0.7%。

        圖2 不同寬度防水煤柱應(yīng)力場(chǎng)特征

        由圖2(b)可知,“開采”部分煤柱分別為27 m、22 m、16 m、11 m 時(shí),工作面采動(dòng)對(duì)應(yīng)的正應(yīng)力分別 為4.82 MPa、4.90 MPa、4.91 MPa、5.45 MPa,對(duì)應(yīng)的剪應(yīng)力分別為2.482 MPa、2.526 MPa、2.524 MPa、2.465 MPa,對(duì)應(yīng)的最大主應(yīng)力分別為2.681 MPa、2.773 MPa、2.777 MPa、2.967 MPa。可以看出,隨著工作面的推進(jìn),正應(yīng)力和最大主應(yīng)力逐漸增大,而剪應(yīng)力除了由27 m 變?yōu)?2 m 時(shí)略有增大外,其他均逐漸減小。

        3.2 煤層開采過程中斷層位移變化

        由圖3 可知,隨著工作面的推進(jìn),F(xiàn)D121 斷層面上的位移整體呈現(xiàn)增大趨勢(shì),煤柱尺寸縮減至33 m 時(shí),斷層面上開始有明顯位移,但總的來說,位移顯現(xiàn)不明顯;煤柱尺寸縮減至22 m 后,斷層面上的各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移都較之前有了大幅度的增加。從四個(gè)位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)結(jié)果可看出,斷層下盤位移測(cè)點(diǎn)受煤層開采影響產(chǎn)生的滑移量較上盤要大,因?yàn)橄卤P監(jiān)測(cè)點(diǎn)離開采煤層的距離較近,同時(shí)受到斷層帶的阻隔作用,使得上盤滑移量較小。在方案二中FD121 斷層面上的位移整體不明顯,且與方案一相同的是,斷層下盤位移測(cè)點(diǎn)產(chǎn)生的滑移量較上盤要大。

        圖3 斷層面位移變化圖

        3.3 煤層開采過程中塑性區(qū)演化特征

        圖4 展示了兩個(gè)方案在采動(dòng)過程中塑性區(qū)演化特征。如圖4 所示,隨著煤柱寬度縮短,工作面頂、底板巖層均呈現(xiàn)不同程度的破壞,塑性區(qū)向著斷層方向延伸且頂板的覆巖破壞范圍較之底板要大得多。留設(shè)煤柱寬度為33 m 和27 m 時(shí),頂板塑性區(qū)有零星模擬單元與FD121 斷層接觸,同時(shí)斷層上盤出現(xiàn)較小區(qū)域塑性破壞區(qū)。當(dāng)留設(shè)22 m 煤柱時(shí),頂板塑性區(qū)與FD121 斷層的接觸單元面積增大,且塑性區(qū)開始越過斷層,在斷層上盤附近出現(xiàn)零星塑性區(qū)單元;當(dāng)留設(shè)煤柱寬度為16 m、11 m 時(shí),頂板塑性區(qū)面積進(jìn)一步增大,且下盤塑性區(qū)越過FD121 斷層與上盤塑性區(qū)接觸。因此,可認(rèn)為煤柱寬度小于22 m 后斷層被活化,形成導(dǎo)水通路,工作面存在較大突水危險(xiǎn)性。

        圖4 不同寬度防水煤柱覆巖破壞特征圖

        與方案一相同,工作面頂板的覆巖破壞范圍較之底板要大得多,但在 “采”部分的煤柱尺寸逐漸縮小的過程中,頂、底板的塑性破壞區(qū)均未發(fā)生顯著的破壞區(qū)擴(kuò)大現(xiàn)象,僅在當(dāng)“采”部分煤柱縮短為11 m 時(shí),斷層上下盤塑性區(qū)連接,整體塑性區(qū)范圍較為增大??梢姰?dāng)煤層“只采不放”情況下,將“采”部分煤柱縮短不會(huì)引起開采對(duì)于上覆巖層以及斷層的進(jìn)一步明顯破壞。采用此種方法,可在保證開采破壞范圍基本不變的情況下,將“采”部分煤層進(jìn)一步解放。

        3.4 斷層滲流特征

        圖5 為兩種方案在采動(dòng)過程中的水流矢量圖。由圖得知,當(dāng)方案一留設(shè)煤柱寬度為33 m、27 m、22 m、16 m、11 m 時(shí),最大孔隙壓力分別為7.70 MPa、7.93 MPa、8.28 MPa、8.26 MPa、8.62 MPa,隨著煤柱寬度縮短,靠近斷層附近孔隙壓力值逐漸增大,并且影響范圍均逐漸增大。雖然整體的最大水流矢量并未明顯改變,但是由于煤層持續(xù)開采產(chǎn)生的高集中應(yīng)力致使前方斷層帶附近區(qū)域產(chǎn)生裂隙,而導(dǎo)致區(qū)域的水流流速逐漸加快。具體來說,煤柱為27 m 時(shí)水流矢量的箭頭要較33 m 時(shí)更長也更密,即水流流速也就更大,但是兩者水流矢量影響并不顯著。當(dāng)煤柱為22 m 時(shí),水流矢量更加明顯,且流向斷層下盤的水流顯著增多。將煤柱進(jìn)一步縮短為16 m 和11 m 時(shí),斷層帶上下盤兩個(gè)方向的水流均顯著增多且水流進(jìn)一步顯著增大,斷層的導(dǎo)水性進(jìn)一步明顯提高,大大增加了工作面發(fā)生突水的可能性。

        圖5 不同方案防水煤柱水流矢量圖

        保持煤柱整體尺寸27 m 不變,逐漸縮小“采”部分的煤柱尺寸,而“放”部分的煤柱不變時(shí),靠近斷層一側(cè)煤柱底板圍巖孔隙壓力同樣隨著工作面的推進(jìn)而逐漸增大,但是相較于方案一,增加的并不明顯;在工作面靠近斷層的區(qū)域,當(dāng)“采”部分的煤柱由27 m 逐漸變?yōu)?2 m 和16 m 過程中,水流矢量變化并不明顯,而當(dāng)煤柱變?yōu)?1 m 時(shí),斷層附近水流矢量增加較為明顯,增加幅度顯著提高。因此可以認(rèn)為,方案二煤柱在前期逐漸減小的過程中,并不會(huì)引起破壞范圍以及水壓的顯著變化,但當(dāng)煤柱為11 m 時(shí),破壞范圍及水壓增大明顯,工作面突水可能性顯著提高。

        4 結(jié)論

        1)防水煤柱的寬度越短,正應(yīng)力、剪應(yīng)力和最大主應(yīng)力均呈現(xiàn)出隨著工作面推進(jìn)逐漸增大的趨勢(shì),各應(yīng)力最大增長位置分別在煤柱16 m、11 m、11 m 處,最大增長率分別為10%、6.9%、8%。隨著煤柱寬度縮短,斷層面位移逐漸增大,煤柱22 m以后位移變化率最大,由于斷層阻隔作用,斷層下盤界面位移比上盤界面位移大。

        2)隨著煤柱寬度縮短,塑性區(qū)向著斷層方向延伸,工作面頂、底板巖層均呈現(xiàn)不同程度的破壞,且頂板的覆巖破壞范圍較之底板要大得多。當(dāng)留設(shè)22 m 煤柱時(shí),在斷層上盤附近出現(xiàn)零星塑性區(qū)單元,煤柱寬度為16 m 時(shí),下盤塑性區(qū)越過FD121 斷層與上盤塑性區(qū)接觸,此時(shí)可視為已經(jīng)形成導(dǎo)水通路。

        3)隨著煤柱寬度縮短,靠近斷層附近孔隙壓力值和影響范圍均逐漸增大。煤柱進(jìn)一步縮短為16 m 和11 m 時(shí),孔壓影響范圍完全穿越FD121 斷層,此時(shí)認(rèn)為斷層導(dǎo)水通路基本形成,工作面發(fā)生突水的可能性大大增加。綜合應(yīng)力場(chǎng)特征,塑性區(qū)演化特征和斷層滲流特征,留設(shè)22 m 安全煤柱最優(yōu),可以有效避免斷層活化突水。

        4)當(dāng)煤柱整體尺寸保持27 m 不變,煤柱僅采不放情況下,逐漸縮小“采”部分的煤柱尺寸,而“放”部分的煤柱不變時(shí),當(dāng)“采”部分煤柱分別為27 m、22 m、16 m 時(shí),并不會(huì)引起破壞范圍以及水壓的顯著變化,但當(dāng)煤柱為11 m 時(shí),破壞范圍及水壓增大明顯,工作面突水可能性顯著提高。因此,該方案“采”部分的煤柱可減小為16 m。

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