成庄矿3#煤层防水煤柱留设FLAC3D数值模拟研究

刘永胜,刘 赛

(1.晋城煤业集团 成庄煤矿，山西 晋城 048000； 2.华北科技学院 安全工程学院，北京 东燕郊 101601)

突水是煤矿生产中的重大灾害之一，也是煤炭安全开采的一大难题[1]。在开采过程中，揭露的陷落柱大部分不会发生突水事故，只有极少的可能造成导水淹井的重大危害[2-6]。目前，利用力学理论和数值方法对陷落柱的形成过程、 形成机理、 导水机理以及陷落柱发育规律、导水类型、导水条件等均有不同程度的研究[7-11]，防水煤柱的留设是以经验或者力学解析分析为依据进行设计的,岩体结构非常复杂,地下工程作用下岩体结构的理论解析分析几乎是不可能的或者是过分简化而不精确的.数值模拟以其复杂条件的适应性和具有应力应变史的“记忆”功能等优势,在地下工程中广泛应用.本文拟通过FLAC3D在防水煤柱留设问题中的应用来推动数值模拟在矿井生产中的广泛应用。

对成庄矿3#煤层采用数值模拟FLAC3D技术，对在构造发育区域进行活化影响评价的数值模拟研究，分析评价煤层开采遇陷落柱突水的安全风险性。煤层的开采对陷落柱裂隙带有一定程度的影响，应防止由于采动而使裂隙带活化导水。得出煤层的防水煤柱留设宽度的目的最终达到保障安全生产的目的，尽可能减少对生产的影响。

1 矿井概况

成庄井田地势西北高、东南低、东西向沟谷发育，沟谷水流注入长河。井田位于太行山复背斜西翼，沁水煤田南端，总体为向西倾斜的单斜构造，奥陶系～二叠系由东向西依次出露。本井田地形为低山～丘陵区，沟谷发育。最高点标高为1146.5 m，最低点标高为691.3 m，相对高差为455.2 m。井田内地层平缓，倾角3°～15°，一般在10°以内。

根据2014年1月5日的水文孔观测孔的奥灰水位标高取得的数据显示，奥陶系岩溶水位标高为480.7 m～ 541.54 m，3号煤层底板标高为360 m～790 m。3号煤层位于山西组下部，沉积稳定，上距砂岩34.80 m左右，下距砂岩顶面6.12 m左右，厚4.30 m～7.68 m，平均6.44 m左右。煤层顶板多为粉砂岩，少数为泥岩，底板多为泥岩，少数为粉砂岩。

2 模型的建立及边界条件

数值模拟采用库仑—摩尔力学模型。参照各岩层的物理性质,给各层岩石赋值(包含岩石的密度、体积模量、切变模量、内聚力、内摩擦角、抗拉强度)。为了正确模拟工作面煤层开采引起的采场周围应力分布和对顶底板的影响。(1)计算在给定边界力学、位移条件下模型的初始状态;(2)分步模拟煤层开采,采高5 m,每次推进10 m。

从现场巷道选取有代表性的围岩抽取岩样，在实验室获得岩体物理力学参数。计算采用图1所示的三维模型，模型尺寸600 m×300 m×200 m(X×Y×Z)。依据以往的勘探资料，该陷落柱平面形状为椭圆形，长轴方向近东西向，半长轴126 m左右，短轴方向近南北向，半短轴86 m左右。工作面的开采按照至上而下的顺序进行，依据水文检测孔，3#煤层采高为6 m，模型顶部施加上覆岩层自重应力。A陷落柱区域奥灰水水位标高为+522 m，模型奥灰岩厚度为30 m，因此在计算模型底部加载水压1.45 MPa。岩性参数见表1

图1 三维计算模型图

根据计算模型的实际赋存条件，计算模型的边界条件如下：

(1) 上部边界条件：一般情况下，数值计算的上部边界条件设定为煤层上覆岩层的重量，即：σ=γH。式中：γ—上覆岩层的平均体积力，kN/m3；H—煤层的埋深，m。3#煤层平均垂深约为400 m左右，上覆岩层的平均体积力取27 kN/m3，代入式得：σ=γH=10.8 MPa(2)下部边界条件：模型的下部边界条件为底板，简化为位移边界条件，在x、y方向可以运动，z方向为固定铰支座，即v=0。(3)两侧边界条件：模型的两侧边界条件均为实体煤岩体，简化为位移边界条件，在z方向可以运动，其他方向为固定铰支座，即u=w=0。

表1 煤岩力学参数表

续表

3 数值模拟结果与分析

开采3#煤层塑性分析

开采3#煤层垂直应力分析：

分析留设不同煤柱时采场围岩的应力分布特点，其计算结果如图3所示。

图2 3#煤层不同防水煤柱塑性状态图

图3 3#煤层不同防水煤柱应力状态图

4 数值模拟结果分析

1) 从图 2可以看出

由于A陷落柱规模较大，其长轴可达126 m，且探测结果推测陷落柱A左下侧的岩石破碎程度较大，含水性强,且垂向上导通性强。因此该类型的陷落柱主要应防止陷落柱垂向上活化导通突水。奥灰水位标高约为535 m，高于3#煤层26 m左右，存在带压开采。通过比较不同防水煤柱塑性状态可知，随着煤柱宽度的减小，其塑性范围随之增大，当推进至30 m时，煤层顶底板破碎区域与陷落柱导通，因此3#煤层的防水煤柱可留设40 m。

2) 从图3可以看出

3#煤层处的原岩应力约为10.8 MPa，由于工作面的开采，应力向周边围岩转移，工作面周边为应力升高区，防水煤柱内的垂直应力随着煤柱宽度的减小而增大，60 m 煤柱内的最大垂直应力为25.2 MPa，50 m和40 m煤柱内的最大垂直应力升为34.8 MPa ，30 m防水煤柱内的最大垂直应力为36.45 MPa，表明随着煤柱尺寸的减小，其煤柱内的垂直应力随之增大，即煤柱越小越不利于煤柱的稳定。

5 结论

根据模拟结果：(1)随着煤柱尺寸的减小，其煤柱内的垂直应力随之增大，即煤柱越小越不利于煤柱的稳定。

(2) 通过比较不同防水煤柱塑性状态可知，随着煤柱宽度的减小，其塑性范围随之增大，当推进至30 m时，煤层顶底板破碎区域与陷落柱导通，建议3#煤层的防水煤柱可留设40 m。

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