地堑状断层防水煤岩柱体塑性区宽度研究_张文忠.pdf

Vol.51No.3 Mar. 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 地堑状断层防水煤岩柱体塑性区宽度研究 张文忠 1， 2 （1.中煤科工集团西安研究院有限公司， 陕西 西安 710054； 2.西安科技大学， 陕西 西安 710054） 摘要 煤系地层中断层带常常以地堑、 阶梯状等形式出现， 为研究地堑状断层组防水煤岩柱体 塑性区宽度， 以淮南矿区刘庄煤矿地堑状断层组为研究对象， 基于工作面导水断裂带发育规律， 提出地堑状断层梯形防水煤岩柱体稳定性结构力学模型， 根据梯形煤岩柱体内局部岩体受力情 况及其几何特征， 推导出地堑状断层防水煤岩柱塑性区破坏宽度计算公式， 并针对刘庄煤矿内 F19断层与 F19-7断层组成的地堑状断层组， 通过理论分析和数值模拟， 计算了地堑状断层防水煤 岩柱塑性区宽度， 进一步验证了理论分析的正确性。 关键词 断层； 防水煤岩柱； 塑性区； 地堑； 导水断裂带 中图分类号 TD742.1文献标志码 A文章编号 1003-496X （2020） 03-0173-05 Study on Width of Plastic Zone of Waterproof Coal-rock Pillar of Graben Faults ZHANG Wenzhong1,2 （1.China Coal Technology 2.Xi’ an University of Science and Technology, Xi’ an 710054, China） Abstract Fault zones often appear as graben and ladder in the strata, in order to study the width of plastic zone of water proof coal-rock pillar of graben faults, taking the graben faults in Liuzhuang Coal Mine in Huainan Mining Area as the research object, based on the development laws of the height of fractured water-conducting zone, mechanical model of stability of trapezoidal waterproof coal-rock pillar of graben faults is innovatively proposed. According to the stress and its geometric characteristics of local rock mass in trapezoidal coal-rock column, the ula for calculating the failure width of plastic zone of waterproof coal- rock pillar of graben faults is deduced, and F19and F19-7graben faults in Liuzhuang Coal Mine in Huainan Mining Area is studied. Through theoretical analysis and numerical simulation, the width of the plastic zone of waterproof coal-rock pillar of graben faults is calculated to further verify the correctness of the theoretical analysis. Key words fault; waterproof coal-rock pillar; plastic zone; graben; water-conducting fractured zone 随着煤炭开采深度的不断加大，断层等构造密 度加大， 隐蔽性增强， 很多突水事故是由断层引起[1-3]， 而断层防水煤岩柱失稳是断层突水的一个重要原因[4]， 针对该问题， 许多研究人员展开了研究 白矛等[5]采 用弹性理论的复变函数法，推导出了条带煤柱的垂 直采动应力和塑性区宽度的表达式及煤柱宽度和开 采宽度的理论计算公式。侯朝炯等[6]利用松散介质 应力平衡理论，结合应力微分平衡方程求出了煤层 界面应力以及煤体的应力极限平衡区宽度。胡炳南[7] 导出了任意方向弱面的剪力强度安全系数计算式， 建立了顶底板通过摩擦作用施加给煤柱的等效拉应 力引起的煤柱屈服区宽度变化的简化计算式。营志 杰[8]根据变形特征可以将煤柱依次区分为断层裂隙 带、 弹性核区和屈服带 3 部分， 利用煤层渗透性变化 规律理论,结合有关安全规程,确定了井下各生产水 平煤柱合理的留设位置。白峰青等[9]将极限设计思 想的可靠度方法引入到断层防水煤柱的可靠度设计 中, 提出了断层防水煤柱临界值的概念和确定原则, 并结合实例提出了断层防水煤柱设计的可靠度方法 DOI10.13347/ki.mkaq.2020.03.038 张文忠.地堑状断层防水煤岩柱体塑性区宽度研究 ［J］ .煤矿安全， 2020， 51 （3） 173-177. ZHANG Wenzhong. Study on Width of Plastic Zone of Waterproof Coal-rock Pillar of Graben Faults［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （3） 173-177. 基金项目 国家重点研发计划资助项目 （2017YFC0804106） 移动扫码阅读 173 ChaoXing 第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.3 Mar. 2020 的思路和步骤。杜文堂[10]使用了可靠度分析的 “JC” 方法,分析了水压力、 煤层抗张强度及突水系数的不 确定性, 建立了防水煤柱可靠度分析的极限状态方 程， 并计算了与防水煤柱有关的可靠度指标、 失效概 率和安全系数。施龙青等[11]认为断层突水条件为煤 层开采造成的底板破坏深度不小于底板高峰应力线 与断层交点的深度，并在此基础上推导出采场断层 防水煤柱留设计算公式，并用实例验证该公式的合 理性。彭文庆等[12]考虑煤柱一侧开采后形成的底板 导水断裂带位置与断层以及含水层的关系的情况 下,运用弹塑性极限平衡理论、 流体力学、 土力学理 论求得了断层倾角较大和较小时的防水煤柱宽度的 计算公式。宋振骐等[13]研究了断层突水机理及其预 测控制方法，指出留设断层煤柱的传统防治水方法 是不合理的，应采用把开切眼布置在经相邻工作面 推进， 构造应力已经释放的 “内应力场” 中， 以最短 距离推过断层的方案；“工作面长度越大，突水可能 性越大”的传统观点是不准确的，工作面长度必须 大于基本顶第 1 次断裂步距才能有效抑制底板回 弹， 防治底板突水。可以看出， 上述研究成果分析的 侧重点不同， 主要基于岩体极限平衡理论、 极限设计 思想的可靠度、矿山压力理论等研究煤柱留设宽度 及稳定性， 提出了防水煤柱的留设方法。 1矿井概况 淮南矿区刘庄煤矿核定生产能力为 958 万 t/a， 开采利用的煤层有 13-1 煤、11-2 煤、8 煤、6-1 煤和 5 煤。走向 （倾向） 长壁布置工作面， 综采一次 采全高、 全垮落法管理顶板。井田内断层分布密集， 较大断层常有分支， 分支断层成群发育， 与较大断层 组合成阶梯、 地堑等形式。 其中， F19与 F19-7断层在井 田中部形成 “地堑”（图 1） ， 其中 F19断层为主断层， F19-7断层为其分支断层。 该地堑内设计可采煤层为 5 煤， 5 煤位于含煤 段地层中下部， 煤厚为 0～11.05 m， 平均厚度 5.38 m。 根据开采设计，地堑内布置一采宽为 150 m 的工作 面。该工作面回采主要受太原组灰岩岩溶裂隙含水 层威胁， 其中， 上部 C3Ⅰ组灰岩灰岩纯厚度 14.94～ 35.35 m， 平均 21.50 m。C31、 C32厚度较薄， 而 C33、 C34 厚度较大，储水空间好，是 1 煤底板主要充水含水 层。据水 15 （11-2） 1、 水 25C3、 水 3C3、 验 1 等 7 孔抽 水试验资料 水位标高 13.86～25.653 m。 井田内 138 钻孔揭露 F19断层的情况见表 1。 F19断层倾角 72， 落差 160 m， 延伸长度大于 6.4 km； F19-7断层倾角 55， 落差 36 m， 延伸长度大于 1.3 km。 钻孔揭露 F19断层的位置见表 2。由表 2 可知， F19断层次生断裂带宽度最大为 5.7 m， 平均为 3.56 m。F19-7断层次生断裂带宽度根据现场压水试验测 试结果， 宽度约为 1.2 m。 钻孔揭露 F19断层位置/m断裂带宽度/m 174655.771.6 121409.905.1 138822.622.0 水四740.905.7 123530.703.4 岩性深度/m 厚度/m岩性深度/m 厚度/m 粉细砂岩748.503.75砂质泥岩821.003.15 中细砂岩764.2415.74炭质泥岩821.200.20 煤765.281.04破碎中砂岩822.120.92 泥岩766.521.24砾岩822.620.50 炭质泥岩766.770.25破碎砂质黏土岩 823.000.38 泥岩767.360.59破碎砂质黏土岩 824.621.62 13-1 煤772.124.76粉细砂岩825.721.10 泥岩776.354.23石英砂岩831.185.46 粉砂岩780.203.85泥岩831.700.52 中砂岩789.759.55粉细砂岩836.905.20 砂质泥岩800.4610.71砂质泥岩841.014.11 菱铁质细砂岩 801.100.646-1 煤843.132.12 泥岩803.842.74泥岩845.232.10 粉细砂岩互层 811.207.365 煤851.135.78 细砂岩812.100.90砂泥岩互层854.503.37 粉砂岩813.000.90砂质泥岩855.651.15 中粒石英砂岩 815.152.15煤856.701.05 9 煤817.852.70砂质泥岩864.017.31 图 1F19和 F19-7断层形成小型 “地堑” Fig.1F19and F19-7faults a small graben faults 表 1138 钻孔揭露断层位置及岩层岩性情况 Table 1Fault location and rock lithology revealed by 138borehole 表 2钻孔揭露 F19断层的位置 Table 2F19fault location revealed by boreholes 174 ChaoXing Vol.51No.3 Mar. 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 2地堑状断层防水煤岩柱稳定性结构力学模型 根据工作面回采顶板导水断裂带发育规律物理 模拟实验可知，工作面回采在覆岩内形成近似梯形 的岩层垮落形态，在未达到充分采动前，覆岩垮落 形态为 1 个长度和高度不断增加的梯形，达到充分 采动后， 覆岩垮落形态为 1 个长度不断增加的梯形， 导水断裂带发育高度示意图如图 2。 覆岩内断层存在破坏了岩层介质在水平方向上 的连续性，呈现出地质意义上的断块。以刘庄煤矿 F19、 F19-7断层为主要研究对象，采场-地堑状断层空 间结构模型如图 3， F19断层与 F19-7在井田中部构成 “地堑” 式构造， 在地堑内由于工作面回采形成一定 范围的岩层破坏， 加上地堑的切割作用， 形成了 A和 B 2 个梯形煤岩柱体。 A 和 B 2 个断块相独立， 在传递 应力方面，可完整传递相对于断层面的压应力， 平 行于断层面的剪切力和垂直于断层面的拉应力， 由 于断层面在断层形成时， 应力得到释放， 介质连续性 遭到破坏，其抗剪和抗拉能力较弱，因此只能传递 不超过其抗剪强度的剪应力和抗拉强度的拉应力。 A 和 B 2 个梯形煤岩柱体从力学分析的角度是 一致的，因此将图 3 中 A 梯形煤岩柱体放大， A 梯 形煤岩柱体几何尺寸和受力特征如图 4 和图 5。 根据梯形煤岩柱体的受力情况，平行四边形状 煤岩体处于稳定状态时，建立梯形煤岩柱体内左侧 平行四边形状岩体的受力平衡方程， 可知 （q＋ρ1gh1 L1Gf（1 ） （q＋ρ1gh1L1（L3 L5 2 ）G （ L6 2tanθf L5 2 ） - f L5 2 -τxyL5L6-σD L62 2sinθf 0（2 ） 式中 L1为主关键层悬梁长度， m； L3为梯形煤 岩柱上界面宽度与防火煤柱宽度的差值， m； f 为底 板对梯形煤岩柱体支撑力， N； q 为上覆岩层对梯形 煤岩柱体的压力， MPa； G 为梯形煤岩柱体内左侧平 行四边形状岩体的重力， N； τxy为煤岩柱体顶部水平 方向剪应力， MPa； σD为断层对煤岩柱体的作用力， MPa； L6为导水断裂带发育高度， m； L5为断层防水 煤柱宽度， m； θf为岩层跨落角，（） ； ρ1为主关键层密 度， kg/m3； h1为主关键层厚度， m。 对式 （1 ） 和式 （2） 进行计算可知 图 2导水断裂带发育高度示意图 Fig.2Schematic diagram of water-conducting fractured zone 图 3采场-地堑状断层空间结构模型 Fig.3Spatial structure model of stope and graben faults 图 4地堑状断层梯形煤岩柱体几何尺寸图 Fig.4Geometry diagram of waterproof coal-rock pillar of graben faults 图 5地堑状断层梯形煤岩柱体力学模型 Fig.5Mechanical model of waterproof coal-rock pillar of graben faults 175 ChaoXing 第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.3 Mar. 2020 岩石 名称 密度 / （kg m-3） 弹性模 量/GPa 抗压 强度 /MPa 泊松比 黏聚力 /MPa 内摩擦 角/ （ ） 砂质泥岩2 54521.026.00.173.137 细砂岩2 69037.048.00.193.538 粉细砂岩2 40023.036.00.144.139 中砂岩2 59034.036.00.143.241 泥岩2 67028.047.00.162.437 中细砂岩2 56015.041.00.142.236 5 煤1 3351.113.10.201.334 砾石2 44017.036.00.211.232 砂质黏土2 49017.036.00.172.143 断层岩2 36011.016.00.191.435 粉砂岩2 72035.048.00.132.538 图 6地堑型断层组数值计算模型 Fig.6Numerical calculation model of graben faults 表 3断层上下盘岩体物理力学参数 Table 3Physical and mechanical parameters of rock mass under the fault L5 （q＋ρ1gh1L1L3G L6 2tanθf -σD L62 2sinθf τxyL6 （3） 根据关键层理论， 可以计算 q 的大小[14]， 即 q＝ E1h13（ρ1gh1ρ2gh2ρnghn） E1h13E2h23Enhn3 式中 ρn（2， 3， 4， n ） 为各岩层密度， kg/m3； En（2， 3， 4， n） 为各岩层弹性模量， MPa； E1为主关键层弹 性模量， MPa； hn（2， 3， 4， ， n） 为各岩层厚度， m。 3地堑状断层防水煤岩柱塑性区宽度 3.1数值模拟模型 以刘庄煤矿内 F19与 F19-7断层组成的 “地堑” 和 地堑内的 5 煤工作面为研究对象， 采用 FLAC3D建立 的三维数值计算模型如图 6。分析地堑内工作面回 采扰动下， F19与 F19-7断层组成的 “地堑” 防水煤岩柱 留设尺寸。三维数值计算模型参数设定见表 3。 根据模拟对象的尺寸， 并考虑计算需要， 使主要 研究区域处于边界效应影响的范围外，以消除边界 效应的影响， 数值计算模型尺寸为 宽厚高600 m500 m131 m， 工作面推进方向为 x 轴正方向， 应 变模式采用大应变变形模式，模型底部限制垂直位 移，模型前后和侧面限制水平位移。整个模型由 571 500 个单元组成，包括 599 168 个节点。采用 Mohr-Coulomb准则。 3.2防水煤柱留设宽度 根据现场压水试验结果可知， F19断层和 F19-7断 层为不导 （含） 水断层。基于地堑内 163 钻孔综合柱 状图和岩体物理力学参数，利用上行裂隙发育高度 计算公式[15]， 可知导水断裂带发育高度约为 98.7 m， 裂采比为 17， 主关键层为埋深 629.54 m 的细-中砂 岩， 厚度为 11.9 m。5 煤层顶板岩性为中硬覆岩， 岩 层垮落角 θf为 65， 黏聚力为 218 kPa， 内摩擦角 φ0 17。地堑内工作面宽度 150 m，通过计算可知， q 15.2 MPa， L197 m， L398.7tan25， L698.7 m。 将上述参数代入式 （3） ， 经过计算可知，F19断 层防水煤岩柱宽度为 27.2 m， F19-7断层防水煤岩柱 宽度为 23.9 m。 地堑状断层组塑性区分布图如图 7。由图 7 可 知， 当工作面达到充分采动时， 地堑内 F19断层防水 煤柱塑性破坏区宽度为 28 m； F19-7断层防水煤柱塑 性破坏区宽度为 24 m。 根据理论计算， 即式 （3） 的计算结果和数值模拟 分析结果， 可知两者基本一致。 4结语 工作面导水断裂带发育规律显示覆岩垮落断面 形态为 1 个长度不断增加的梯形，提出地堑状断层 梯形防水煤岩柱体稳定性结构力学模型；根据梯形 煤岩柱体内局部岩体受力情况及其几何特征，推导 出地堑状断层防水煤柱塑性区破坏宽度计算公式； 针对刘庄煤矿内 F19与 F19-7组成的地堑状断层组， 通过理论分析和数值模拟，计算了地堑状断层防水 煤岩柱塑性区宽度， 验证了理论分析的正确性。 参考文献 ［1］Daiyong Cao. Research on zoning of tectonic units of 图 7地堑状断层组塑性区分布图 Fig.7Plastic zone distribution of graben faults 176 ChaoXing Vol.51No.3 Mar. 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 coal field in China ［C］ //2011 AASRI Conference on Artificial Intelligence and Industry Application, 2011 615-618. ［2］ 王则才.肥城煤田断层突水及防治方法 ［J］ .煤田地质 与勘探， 2005， 33 （S） 86-88. ［3］ 冯恩杰， 付民强.东滩矿断层活化对 3 煤顶板突水的 影响 ［J］ .煤田地质与勘探， 2004 （4） 33-36. ［4］ 虎维岳.矿山水害防治理论与方法 ［M］ .北京 煤炭工 业出版社， 2005 8-10. ［5］ 白矛、 刘天泉.条带开采中条带中条带尺寸的研究 ［J］ . 煤炭学报， 1983， 8 （12） 19-26. ［6］ 侯朝炯、 马念杰.煤层巷道两帮煤体应力和极限平衡 区的探讨 ［J］ .煤炭学报， 1989， 14 （4） 21-29. ［7］ 胡炳南.条带开采中煤柱稳定性分析 ［J］ .煤炭学报， 1995， 20 （2） 205-210. ［8］ 营志杰.煤层渗透性变化规律在防水煤柱上的应用 ［J］ .江苏煤炭， 1998 （1） 31-32. ［9］ 白峰青， 姜兴阁， 蒋勤明.断层防水煤柱设计的可靠度 方法 ［J］ .辽宁工程技术大学学报， 2000， 19 （4） 356. ［10］ 杜文堂.断层防水煤柱可靠度分析 ［J］ .煤田地质与勘 探， 2001， 29 （1） 34-36. ［11］ 施龙青， 韩进， 刘同彬， 等.采场底板断层防水煤柱留 设研究 ［J］ .岩石力学与工程学报， 2005， 24 （S2） 5585-5590. ［12］ 彭文庆， 王卫军， 李青锋.不同断层倾角条件下防水 煤柱合理宽度的研究 ［J］ .采矿与安全工程学报， 2009， 26 （2） 179-186. ［13］ 宋振骐， 郝建， 汤建泉， 等.断层突水预测控制理论研 究 ［J］ .煤炭学报， 2013， 38 （9） 1511-1515. ［14］ 钱鸣高， 石平五.矿山压力与岩层控制 ［M］ .徐州 中国矿业大学出版社， 2003 60-63. ［15］ 张文忠， 黄庆享.浅埋煤层局部充填开采上行裂隙发 育高度研究 ［J］ .煤矿安全， 2014， 45 （4） 40-42. 作者简介 张文忠 （1980） ， 男， 河南信阳人， 副研究 员， 博士， 2012 年毕业于西安科技大学， 长期从事矿井水害 防治方面的研究。 （收稿日期 2019-09-06； 责任编辑 陈洋） 钻孔高效钻进工艺 ［J］ .探矿工程 （岩土钻掘工程） ， 2014， 41 （11） 20-23. ［14］ 薄玉冰.定向钻井中托压机理分析及对策探讨 ［J］ .石 油钻探技术， 2017， 45 （1） 27-32. ［15］ 张国仿. 涪陵页岩气水平井定向托压主要影响因素 及对策 ［J］ .钻采工艺， 2017， 40 （6） 8-11. ［16］ 马善洲， 韩志勇.水平井钻柱摩阻力和摩阻力矩的计 算 ［J］ .石油大学学报 （自然科学版） ， 1996 （6） 24. ［17］ 贺志刚， 付建红， 施太和， 等.大位移井摩阻扭矩力学 模型 ［J］ .天然气工业， 2001 （5） 52-54. ［18］ 高德利， 覃成锦， 李文勇.南海西江大位移井摩阻和 扭矩数值分析研究 ［J］ .石油钻采工艺， 2003 （5） 7. ［19］ 秦永和， 付胜利， 高德利.大位移井摩阻扭矩力学分 析新模型 ［J］ .天然气工业， 2006 （11） 77-79. ［20］ 李茂生， 王宏杰， 陈本顺.水平段钻柱失稳后自锁分 析 ［J］ .潍坊学院学报， 2015 （2） 43-46. ［21］ 李子丰， 杨海滨， 许春田， 等.定向井滑动钻进送钻原 理与技术 ［J］ .天然气工业， 2013 （12） 94-98. ［22］ 李浩， 姚宁平， 张杰， 等.煤矿井下近水平定向钻具摩 擦阻力分析 ［J］ .煤炭科学技术， 2013 （2） 87-90. ［23］ 徐保龙， 姚宁平， 王力.煤矿井下定向深孔复合钻进 减阻规律研究 ［J］ .煤矿安全， 2018 （2） 92-95. 作者简介 豆旭谦 （1987） ， 男， 甘肃静宁人， 助理研究 员， 硕士， 2013 年毕业于中国矿业大学 （北京） ， 主要从事煤 矿井下钻探技术及装备研究与推广应用工作。 （收稿日期 2019-05-31； 责任编辑 朱蕾） （上接第 172 页） 177 ChaoXing