小槽煤重复采动条件下断层防水煤柱宽度的数值模拟研究

白文信，佟文亮，武可森，郭　强，栾元重，尹会永



小槽煤重复采动条件下断层防水煤柱宽度的数值模拟研究

白文信1，佟文亮1，武可森1，郭强1，栾元重2，尹会永3

(1.枣庄矿业(集团)有限责任公司蒋庄煤矿，山东 枣庄 277519；2.山东科技大学 测绘科学与工程学院，山东 青岛 266590；3.山东科技大学 地球科学与工程学院，山东 青岛 266590)

为了合理确定断层防水煤柱宽度，利用FLAC数值模拟技术，根据小槽煤(太原组12下煤和16煤)重复开采的条件，对断层煤柱宽度进行数值模拟。结果表明，上、下两层煤开采时，围岩应力、塑性区分布及其变化特征不同，所需的断层防水煤柱宽度变化较大，12下煤开采时断层防水煤柱宽度为20 m；16煤重复采动条件所需的煤柱宽度为50 m左右。重复采动条件的断层煤柱留设宽度模拟结果能形象地刻画断层受采动影响程度，指导性更强，比《煤矿防治水规定》中的计算方法更具有一定的优越性，更能有效指导矿井16煤的断层防治水工作。

断层煤柱；数值模拟；重复采动；蒋庄煤矿；断层突水

断层作为主要的突水通道，是煤层底板突水的主要原因之一[1-3]。因此，断层防治水工作历来是矿井水文地质工作者研究、防治的重点。合理的留设断层防水煤柱是预防断层突水的主要方法，也被广泛的应用到生产实际中。《煤矿防治水规定》[4]给出了不同类型断层的防水煤柱留设宽度计算方法，在矿井生产中被普遍采用。除此之外，理论计算[3]、多元回归分析[5]、BP和RBF[6]、相似模拟[7]、数值模拟[8]等方法也为合理留设断层防水煤柱宽度提供了有益参考。但影响断层防水煤柱宽度留的因素较多，主要包括：矿井地质和水文地质条件、断层性质、断层落差、倾角、煤层埋藏深度、煤层开采厚度、开采顺序、开采方法、围岩性质和产状、矿山压力、最大静水压力等因素[9，10]。由此可见，断层防水煤柱宽度的留设是需要在考虑多种影响因素的基础上，明确主要影响因素，建立合适的计算模型，确定煤柱留设宽度。建立能考虑所有影响因素的理论建立模型的方法不太现实，而计算机技术的发展尤其是数值模拟技术可有效的弥补理论的不足，丰富断层防水煤柱留设方法。尽管已有许多数值模拟技术应用到断层煤柱留设研究中[8，10～13]，但具体矿井条件不尽相同，而且小槽煤重复采动条件下断层煤柱留设宽度仍需进一步进行研究，以指导矿井防治水工作，服务矿井安全生产。

1　研究区概况

蒋庄煤矿属于山东能源枣矿集团，位于济宁市微山县。开采深度-250 m～-650 m，面积36.463 km2。蒋庄煤矿于1979年12月28日由原枣庄矿务局第三工程处破土动工，1988年9月28日移交蒋庄煤矿生产，1989年6月24日正式投产。主采山西组的3上、3下煤层和太原组的12下、16煤，设计生产能力150万 t/a，核定275万 t/a(2007年)，设计两个水平，一水平为-320 m水平，二水平为-430 m水平，现两个水平均在生产。3煤已开采大部分区域，12下煤也已开采多年，16煤的163采区是目前开采区域，其中12下煤和16煤俗称小槽煤。163采区上部12下煤已基本开采完毕(相距约50 m)。

162、163采区总体为一倾向南东的单斜构造，在162采区发育一向斜，地层倾角在3°～10°。采区共有19条断层，断层密度2.8 条/km2。

163采区发育的断层群在平面上走向基本一致，线状排列，密集成“束”状，断层束区域的各断层倾向不一，在垂向上形成多个地堑和地垒构造(图1)，在各断层均为正断层，相同倾向的正断层之间又形成了阶梯状构造，因此区域上受拉应力形成。从图1中可以看出，在徐庄断层和88-1断层之间形成阶梯构造，在88-1断层和高庙支断层之间形成地垒构造，在高庙支断层、F2断层和高庙断层之间形成阶梯构造，在高庙断层和王庄断层之间形成地堑构造，在王庄断层和小宋庄断层之间形成地垒构造，地堑构造、阶梯构造、地垒构造的相间出现造成研究区复杂多样的构造条件，给煤矿安全生产造成一定程度的威胁和困难。且上部12下煤已开采完毕，部分区域有采空区积水，而且对断层产生一定的扰动。因此，12下煤、16煤重复开采时，合理留设断层煤柱宽度，对预防底板奥灰断层突水具有重要的实际意义。

图1　163采区断层束-地堑地垒剖面示意图

2　数值模拟

计算机技术的高速发展，为许多工程状况的数值模拟提供了保障；模拟技术解决了许多生产实际问题，弥补了现场实验的复杂性，有益的补充了理论计算的不足。目前，数值模拟技术已越来越多的应用到采矿工程实践中去，特别是FLAC软件受到了许多工程技术人员的青睐[8-12]。断层作为主要的导水通道，80%左右的矿井突水都与断层有关。因此，在开采时，留设足够尺寸的断层煤柱是防治断层突水的主要措施。研究区域内的断层有王庄、小宋楼、高庙、孔庄、刘仙庄等断层，以小宋楼断层(正断层，走向NE，落差H=40 m，倾角70°)为例，分析小槽煤(12下煤、16煤)重复开采条件下，开采围岩、断层应力、塑性区发展变化特征。

2.1数值模型

首先根据163采区地质及开采条件，建立如图2的力学概念开挖模型，模型侧面限制水平移动，模型底面限制垂直移动，模型上部根据需要施加垂直载荷代替上覆岩层的重量。本次模拟建立的模型以穿越小宋楼断层的勘探线作为基准，建立了814 m×350 m的模型(图3)。模型顶部之上的岩层以加载荷载的方式进行替代。

图2　采场平面力学模型概念图

图3　数值模型剖面图

模型边界条件如下：

(1)模型两端的x方向的位移固定，即边界水平位移为零；

(2)模型底部的z方向位移固定，即底部边界水平、垂直位移为零；

(3)模型的y方向位移固定，即任一点在y方向都不会产生位移，达到平面应变问题的要求。

2.2计算参数

根据研究区及邻矿以往钻孔岩石力学性质参数测试资料，材料力学参数如表1所示。

表1　材料力学参数

图4　留设10 m(a)、15 m(b)煤柱塑性区破坏图

3　模拟结果及对比分析

小槽煤(12下煤、16煤)重复采动条件下，距离小宋楼断层不同位置时的模拟结果(主要指塑性区变化范围)如图4～图7所示。

(1)图4(距离10 m和15 m)、图5(距离20 m和25 m)数值模拟结果表明：小槽煤重复采动条件下，随着开采的推进，两层煤距离断层由25～10 m时，采动围岩塑性区逐渐靠近断层，即断层面发生破坏，活动性增强，与底板奥灰沟通，发生断层“活化”突水的可能性增加。可以看出，当小槽煤开采距离断层25 m(即断层煤柱宽度为25 m，下同)时，断层面有应力集中，但未发生塑性破坏；距离断层20 m时，两层煤的开采导致采动裂隙沟通，断层下部局部产生塑性破坏区；距离15 m，10 m时塑性区增加，加大了断层导水的可能。因此，建议12下煤开采时断层防水煤柱宽度留设20 m。

图5　留设20 m(a)、25 m(b)煤柱塑性区破坏图

图6　12下煤留设20 m，16煤留设40 m(a)45 m(b)煤柱塑性区破坏图

(2)图4、图5模拟表明，两层煤重复采动条件下，距离断层25 m时，16煤采动引起的覆岩破坏、底板破坏及裂隙扩展可与断层及底部奥灰水导通，需要加大16煤防水煤柱宽度。考虑12下煤开采留设20 m宽的煤柱情况，只模拟16煤不同宽度的保护煤柱宽度，模拟结果如图6(距离40 m和45 m)、和图7(距离50 m和55 m)所示。16煤开采留设40 m煤柱时，断层面产生应力集中，局部发生了塑性破坏，基本延伸至奥灰含水层，而且与16煤采动裂隙基本沟通，因此需加大煤柱宽度；当留设45 m时，底板奥灰影响较小，但采动裂隙与断层发生了联系，不利于防治断层水；当留设50 m及55 m(图7)时，尽管断层面产生一定的应力集中，但塑性区很小，16煤采动裂隙未与断层及底板奥灰含水层发生联系，发生突水的可能小较小。因此，当12下煤煤柱留设20 m宽时，建议16煤开采时断层防水煤柱宽度留设50 m。

图7　12下煤留设20 m，16煤留设50 m(a)55 m(b)煤柱塑性区破坏图

(3)与《煤矿防治水规定》计算结果对比

结合《煤矿防治水规定》，含水或导水断层防隔水煤(岩)柱的留设可参照下列经验公式计算：

(1)

式中：L为煤柱留设的宽度，m；K为安全系数，一般取2～5；M为煤层厚度或采高，m；p为水头压力，MPa；Kp为煤的抗拉强度，MPa。

12下煤开采顶板砂岩、五灰含水层富水性弱，对12下煤开采影响较小。利用公式(1)进行计算。依据实测资料，含水层水压值约为2.2 MPa，煤层抗拉强度取0.35 MPa，煤层平均厚度为0.97 m，安全系数取5时带入公式(1)得到断层防水煤柱宽度为10.1 m。公式(1)要求煤柱留设宽度不小于20 m。因此，开采12下煤时需留设20 m宽的断层防水煤柱。

开采16煤层时，顶板直接充水含水层为十下灰，富水性较弱，将主要受到底板奥灰水的威胁，需在断层带两侧留设足够的防水煤柱煤柱，按公式(1)进行计算。依据实测资料，奥灰含水层水压值约为3.0 MPa，煤层抗拉强度取0.35 MPa，煤层厚度为0.7～1.91 m，安全系数取5，带入公式(1)得到断层防水煤柱宽度为：8.9～24.2 m。因此，16煤层开采断层防水煤柱留设宽度为20～24.2 m。

由此可以看出，12下煤开采时断层煤柱留设宽度与《煤矿防治水规定》中的计算方法得到的结果一致，留设宽度取20 m。

16煤开采时的数值模拟结果比《煤矿防治水规定》中的计算方法得到的结果多25.8-30m。主要原因是(1)数值模拟考虑了12下煤的重复采动，造成采场应力的变化，进而影响了断层两侧应力的分布；(2)公式(1)未考虑垂向采动、应力的影响，无法体现不同规模断层、断层上下盘的影响。综合对比分析，为安全起见，16煤开采断层防水煤柱宽度取数值模拟方法得到的结果。

4　结语

(1)与理论计算、《煤矿防治水规定》规定法等相比，数值模拟技术能反映重复采动条件下，距离断层不同宽度时断层活动特征，具有其他方法无法比拟的优点。

(2)12下煤和16煤重复开采条件下，小宋楼断层防水煤柱宽度分别为20 m(12下煤)和50 m(16煤)，也为研究区其他断层的防水煤柱留设宽度提供参考。

(3)本次数值模拟以小宋楼断层为例，其他断层煤柱留设方法也可参照本文方法，但相关参数的选择需根据具体条件进行设定。

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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

国家自然科学基金资助(No.41372290,41402250)，山东省自然科学基金资助(No.ZR2013EEQ019)

白文信(1965-)，男，山东潍坊人，总工程师，主要从事采矿工程、煤矿地质等工作。

尹会永(1979-)，男，河北衡水人，副教授，主要从事矿井水文地质、煤矿地质等方面的教学与科研工作。

TD823.23

A

1004-1184(2016)05-0217-04