断层下盘留煤柱开采数值模拟.pdf

DOI 10． 13347/j． cnki． mkaq． 2015． 03． 010 断层下盘留煤柱开采数值模拟 赵华安， 赵光明， 孟祥瑞 安徽理工大学 煤矿安全高效开采省部共建教育部重点实验室， 安徽 淮南 232001 摘要 为研究工作面开采和断层之间的相互影响， 利用 FLAC3D软件模拟煤层开挖对断层的影 响， 模拟有断层和无断层存在 2 种情况下采场矿压分布规律。研究表明 对于煤柱支承压力， 在 断层附近急剧减小然后逐渐增大， 远离断层时， 支承压力恢复正常分布规律。断层的存在加剧顶 板下沉。利用应力判别法， 确定导水裂隙带高度， 从而确定合理的断层煤柱留设尺寸。 关键词 断层下盘; 煤柱; 导水裂隙带; 支承压力; 数值模拟 中图分类号 TD322文献标志码 A 文章编号 1003 －496X 2015 03 －0037 －04 Numerical Simulation for Coal Pillar Mining in Fault Footwall ZHAO Hua＇an，ZHAO Guangming，MENG Xiangrui Key Laboratory of Safe and Effective Coal Mining of the Ministry of Education，Anhui University of Science and Technology，Huainan 232001，China Abstract In order to research the interaction effect between the working face and faults，we use FLAC3Dsoftware to simulate the effect of seam excavation on fault and the distribution laws of rock pressure under faults and without faults． Ｒesearch show that abutment pres- sure around faults sharply reduced then gradually increased;and it returned to normal distribution away from the fault． The existence of faults intensified roof convergence． Stress criterion is used to determine the height of water flowing fractured zone to determine the rea- sonable size of fault coal pillar． Key words fault footwall;coal pillar;water flowing fractured zone;abutment pressure;numerical simulation 基金项目 国 家 自然科 学 基 金 资 助 项 目 51374013， 51174005， 51134012 ; 安徽省学术和技术带头人科研活动资助项目 DG073 ; 高等学校博士学科点专项科研基金资助项目 20133415110006， 20123415130001 矿井生产过程中， 断层是影响煤炭开采的重要 地质因素， 在采动影响下易发生断层突水。对于断 层突水， 许多专家学者进行了大量研究 ［1 －3 ］。对于 断层和工作面回采之间的相互影响， 前人的研究大 多是工作面向断层方向推进， 对于沿断层走向方向 推进的工作面， 研究甚少。对于断层突水， 多数考虑 底板突水情况， 对顶板突水研究较少 ［4 －5 ］。通过对 比工作面开采前后断层附近应力位移变化， 总结工 作面开采引起的应力重新分布对断层的影响。 1工作面开采引起断层扰动 1． 1工程背景 淮南潘三矿 1642 1 综采工作面位于西三采 区， 工作面斜长 250 m， 走向长 1 287 m。煤层倾角 2 ～15， 平均倾角 6， 为近水平煤层。该工作面布 置在 F24大型逆断层一侧， 位于断层下盘并留设 70 m 断层煤柱， 工作面沿煤层走向推进， 也是沿断层走 向推进。F24断层倾角为 40 ～ 60， 落差为 40 ～ 60 m， 断层破碎带宽度 20 m， 工作面采高 3 m。采用综 合机械化采煤法沿煤层走向推进， 全部垮落法处理 采空区。 1． 2模型建立 数值模型如图 1， 模型长 600 m， 宽 400 m， 高 315 m。各岩层按照潘三矿钻井柱状图确定， 岩石力 学参数按照矿井实际资料确定。断层破碎带用相对 于周围岩体强度较低可塑性较强的岩石代替， 具体 参数按照泥岩参数的 1/20 取值 ［6 －7 ］。工作面位于 断层下盘， 留设70 m 的保护煤柱。立体模型建立在 ANSYS 中完成， 然后通过 ansys_to_flac3d 文件导入 FLAC3D中运算。模型中 x 方向和 z 方向为水平方 向， y 方向为垂直方向。工作面沿 z 方向推进。模 型共 220 174 个网格， 217 669 个节点。 1． 3计算 1 边界条件 。模型四周滚动支撑， 即限定水平 73 第 46 卷第 3 期 2015 年 3 月 Safety in Coal Mines Vol． 46No． 3 Mar． 2015 图 1立体模型 位移; 底面固支， 限定 x， y， z 3 个方向的位移。顶面 为自由面， 施加12 MPa 垂直压力模拟上覆岩层的自 重载荷。 2 计算。先采用 elastic 本构模型计算平衡后， 将模型的速度和位移清零， 得到初始应力场， 然后采 用 mohr － coulomb 本构进行开挖模拟。为消除模型 边界影响， 开挖从 z 90 开始， 沿 z 轴方向开挖。模 型中各岩层力学参数见表 1。 表 1模型中岩层属性参数 岩层 弹性 模量 E/GPa 泊松比 μ 摩擦角 f/ 黏聚力 C/MPa 抗拉 强度 t/MPa 密度 ρ/ kg m －3 泥岩220． 20331．82．22 200 粉砂岩280． 25302．73．02 600 砂质泥岩200． 25270．71．02 500 中砂岩230． 30261．51．72 300 泥岩210． 20331．62．82 200 细砂岩240． 26261．62．02 500 煤100． 32180．61．11 400 断层带10． 35100． 10．82 000 1． 4计算结果 工作面开采稳定后， 煤层倾向垂直位移和水平 位移云图如图 2。从图 2 中可知， 位于采空区上方 的直接顶下沉量最大， 由回采引发的位移变化向上 发展， 影响区域和数值呈有规律的收缩， 当传递到断 层破碎带时， 影响区域变大。水平方向上， 位于采空 区上方靠近断层破碎带处位移最大， 最大达到 0． 5 m。一般情况下， 断层破碎带岩石摩擦力和黏结力 都比较小， 承载能力低， 从而形成不连续弱面。对位 移的传递起干扰作用， 造成位移场不连续。 开采前后断层附近垂直和水平应力如图 3。在 断层附近布置应力监测点， 从图 3 可以看出， 工作面 开采前断层附近两盘的垂直应力一样， 在破碎带处， 应力较小。开采后垂直应力受很大扰动， 上盘断层 图 2开采后竖直和水平方向位移图 带附近应力比开采前小， 远离断层应力比开采前大。 工作面所在的下盘断层带附近垂直应力显著增高， 达到 19． 7 MPa， 应力集中系数达 1． 5。断层破碎带 处应力较开采前也明显降低。工作面开采后断层上 盘水平应力比开采前要低， 下盘水平应力明显比开 采前大很多。工作面的开采， 对断层附近垂直应力 影响比较大。从煤柱到断层的方向上， 垂直应力先 增大然后急剧减小到比原岩应力低的值， 然后缓慢 升高。开采对上盘和下盘的扰动都比较明显。对于 水平应力， 工作面的开采主要影响工作面所在的开 采盘。 图 3开采前后断层附近垂直和水平应力 2断层影响下的工作面开采 建立无断层存在数值模型， 即没有断层破碎带 和上下盘岩性搓动现象， 其他变量和有断层时完全 一样， 运算平衡后分别提取有断层和无断层情况下 煤柱支承压力。比较两者应力曲线变化规律。 煤柱支承压力分布如图 4。由图 4 可以看出， 无断层时煤柱支承压力显现正常一般规律， 即先增 大再减小; 有断层时， 支承压力分布受断层扰动， 压 力曲线先增大再减小到一个很低的值， 再逐渐增大 83 第 46 卷第 3 期 2015 年 3 月 Safety in Coal Mines Vol． 46No． 3 Mar． 2015 图 4煤柱支承压力分布 到无断层时应力状态， 而后分布规律和无断层时一 样。说明断层对煤柱支持压力分布产生扰动， 压力 的传递产生不连续性。 老顶位移云图如图 5。断层对顶板位移的影 响， 可比较图 5 a 和 5 b ， 无断层存在时， 采空区 中心下沉量最大， 往外发展下沉逐步减小并呈“O” 形分布。断层存在时 ， “O” 形分布收到干扰， 靠近断 层时位移分布范围扩大并向外继续发展。 图 5有无断层时老顶位移云图 老顶下沉量如图 6。由图 6 可以看出， 断层的 存在对顶板下沉量存在影响， 有断层的情况下垂直 位移比无断层情况下位移量大， 即断层的存在加剧 了顶板下沉。 图 6老顶下沉量 3断层安全煤柱的留设 3． 1布置在断层下盘的工作面煤柱留设依据 煤层回采后， 在采空区上方形成垮落带， 裂隙带 和弯曲下沉带。垮落带和裂隙带是导水通道。对于 布置在断层下盘的工作面， 顶板破坏带距断层的距 离比底板破坏带距断层的距离小， 即顶板破坏带距 断层较近， 断层水首先通过顶板涌入采空区， 造成断 层突水事故。所以对于布置在断层下盘的工作面， 留设煤柱时应考虑顶板突水影响。 3． 2采空区上方导水裂隙带高度的确定 根据涂敏 ［8 ］研究成果， 采用应力判别法， 以拉 张破坏区和拉张裂隙区的上限确定导水裂隙带高 度。开采稳定后， 提取采空区上方岩层垂直方向的 水平应力。如图 7， 分别设定 5 个监测站， 确定各自 方向裂隙带高度， 从而得出工作面上方裂隙带范围。 以 3测站为例， 沿垂直方向的水平应力曲线如图 8。 图 7测站选取位置 图 83测站水平应力曲线 由图 8 可以看出， 采空区直接顶处于拉应力区。 一般岩石抗压强度比抗拉强度大很多， 即岩石抗压 不抗拉， 很小的拉应力就可以使岩石发生破坏， 所以 将拉应力的区域判定为垮落带。裂隙带内岩体受压 力作用出现离层裂隙和竖向裂隙， 但岩石并未破坏， 仍保持完整。所以， 确定图中 A 点所在位置 x 35 m 即为裂隙带与弯曲下沉带的交界点。所以 3测 站导水裂隙带高度是 35 m。按照同样的方法， 分别 获得 1、 2、 4、 5测站位置导水裂隙带高度为 42． 2、 36． 8、 39． 3、 47 m。 3． 3断层防水煤柱合理尺寸 对于顶板突水， 根据李青峰 ［9 ］等研究的断层防 水煤计算公式为 L Ha sinθ Hl tanθ Hl tanδ 1 式中 Hl为最大导水裂隙带高度， m; θ 为断层 倾角， ; δ 为岩层移动角， ; Ha为导水裂隙带 93 第 46 卷第 3 期 2015 年 3 月 Safety in Coal Mines Vol． 46No． 3 Mar． 2015 至含水层的厚度， m。 根据潘三矿矿井资料及有关安全管理规程确定 取 Ha12 m， Hl 47 m， θ 56， δ 70。计算得 L 63． 3 m。 4现场观测 在 1642 1 运输顺槽布置表面位移观测站， 如 图 9。在工作面煤壁前方 120 m 每隔 5 m 布置 1 个 观测站， 共布置 5 个观测站。每个测站采用“十” 字 法测量巷道表面位移， 水平方向以巷帮锚杆端头为 测点， 垂直方向以顶板锚杆端头和打在巷道底板的 铁钎为测点， 利用皮卷尺测量对应测点的距离。随 着工作面的推进， 测站距工作面的距离越来越小， 对 每个测站实时进行测量， 每次测量值和初始值的差 值就是巷道表面位移量， 如图 10。 图 9巷道表面位移观测点布置 图 10数值模拟得出的巷道位移量 数值模拟结果显示， 距离工作面 40 m 左右时， 顶板移近量在 110 mm 两帮移近量在 80 mm。之后 随着工作面的临近， 巷道移近量迅速增大， 特别是顶 底移近量达到 540 mm， 两帮移近量 280 mm。现场 观测 5 个测站结果显示， 现场观测结果和数值模拟 结果基本一致， 说明了本次数值模拟研究可靠性。 5结论 1 工作面的开采， 对断层附近垂直应力影响比 较大。从煤柱到断层的方向上， 垂直应力先增大然 后急剧减小， 再缓慢上升。对于水平应力， 工作面的 开采主要影响工作面所在的开采盘。 2 断层的存在对煤柱支承压力分布产生一定 影响， 在断层附近压力急剧减小然后逐渐增大， 远离 断层时， 支承压力恢复正常分布规律。断层存在， 加 剧了顶板下沉。 参考文献 ［ 1］ 李志华， 窦林名， 陆振裕， 等． 采动诱发断层滑移失稳 的研究［ J］ ． 采矿与安全工程学报， 2010， 27 4 499． ［ 2］ 姜耀东， 王涛， 赵毅鑫， 等． 采动影响下断层活化规律 的数值模拟研究［J］ ． 中国矿业大学学报， 2013， 42 1 1 －5． ［ 3］ 卢兴利， 尤春安． 断层保护煤柱合理留设的数值模拟 分析［ J］ ． 岩土力学， 2006， 27 S 239 －242． ［ 4］ 谭志祥， 何国清． 断层影响下导水裂缝带的发育规律 ［ J］ ． 煤炭科学技术， 1997， 25 10 44 －47． ［ 5］ 胡戈， 李文平， 刘启蒙， 等． 综放开采过断层顶板破坏 规律数值模拟［ J］ ． 能源技术与管理， 2008 1 1 －3． ［ 6］ 吴基文， 童宏树， 童世杰， 等． 断层带岩体采动效应的 相似材料模拟研究［J］ ． 岩石力学与工程学报， 2007， 26 S2 4170 －4175． ［ 7］ 彭苏萍， 孟召平， 李玉林． 断层对顶板稳定性影响相似 模拟试验研究［ J］ ． 煤田地质与勘探， 2001， 29 3 1． ［ 8］ 涂敏． 潘谢矿区采动岩体裂隙发育高度的研究［ J］ ． 煤 炭学报， 2004， 29 6 641 －645． ［ 9］ 李青峰， 王卫军， 彭文庆， 等． 断层采动活化对南方煤 矿岩溶突水影响研究［J］ ． 岩石力学与工程学报， 2010， 29 S1 3417 －3424． ［ 10］ 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． 作者简介 赵华安 1989 － ， 男， 安徽淮北人， 硕士研究 生， 主要从事矿山压力与岩层控制方面的研究。 收稿日期 2014 －04 －24; 责任编辑 梁绍权 04 第 46 卷第 3 期 2015 年 3 月 Safety in Coal Mines Vol． 46No． 3 Mar． 2015