断层防水煤柱的应力分析及留设宽度设计

2018-06-19刘兵

中国矿山工程 2018年3期

刘兵

(霍州煤电集团吕临能化有限公司庞庞塔煤矿，山西临县 033200)

1 前言

目前断层突水是影响煤矿安全的主要原因之一，会引发巷道灌水、工作面冒顶等事故，给生产安全节能带来了一定程度的困扰[1]。为此，断层防水煤柱成为防治突水的最普遍措施。相关数据显示，粗放性的防水煤柱广泛地存在于工作面开采中，需要针对煤柱留设宽度进行深入研究。为了精准确定煤柱合理的留设宽度，相关专家从矿山压力的角度对煤柱受力进行了分析，明确了煤柱的裂缝带宽、弹性核宽和屈服带宽，给出了高峰应力线，并借助相关的软件如FLAC3D、Matlab等进行了模拟和计算，推导出对应断层条件下的防水煤柱合理宽度。但不同煤矿遇到的情况因为矿山岩体结构、含水层位置和大小、断层落差的不同而产生差异[2]。在对某煤矿断层分析中，充分考虑矿山压力、承压水作用的影响，在原有基础上进行了针对性修正，并通过软件数值模拟得出防水煤柱合理的留设宽度，进而有效地避免煤矿资源的浪费。

2 煤矿断层概况

工作面煤层平均埋深520m，采用走向长壁后退式采煤法进行开采，煤层平均厚度为4.0m。断层区段的一侧已经回采完成，留下了采空区，整体走向长度为1 230m，断层区段的落差为30～40m。煤顶层和底板层都含有砂岩含水层。在没有采动前，山体内部稳定，水体处于相对静止状态。对于断层而言，断层内部以及周围岩体内的含水层都会因为受力结构的变化而发生流动，进而引发突水。当开采到断层附近时，原来山体结构的受力平衡被打破，水体从抗压最小的位置突出。为此，在初步设计时，在工作面为此断层设计了宽度为45m的防水煤柱。虽然煤柱设计宽度完全能够避免突水事故，但会在断层区段造成煤炭资源的浪费。

3 断层煤柱的应力分析及计算

断层煤柱的突水事故可分为沿煤壁导水型和沿底板突水型[3]。从矿山压力的角度看，煤壁的支撑力由前到后依次为破碎区、塑性区和弹性区。由于只有在弹性区才能够发挥导水功能，为此，需要将防水煤柱的留设宽度超过破碎区和塑性区宽度之和，超过承压水力劈裂临界值，阻挡承压水通过煤壁涌出。因此，从防治煤壁导水单一因素考虑，留设宽度为图1中L2和L1之和；从煤柱底板单一因素看，留设宽度应大于L的长度，这样才能够有效地控制塑性区、破碎区、工作面和采空区4部分的底板突水。

图1 防水煤柱应力分析示意图

从矿山压力计算理论入手，对两种因素下的煤柱留设宽度进行计算如下：

L′=L1+L2

(1)

式中：L′——煤壁导水单一因素下的留设宽度；

L1——根据力学计算出的煤壁破碎区；

L2——计算出的煤壁塑性区。

L″=(L2+L/cosθ)/sinθ-Ltanθ

(2)

式中：L″——煤柱底部突水单一因素下的留设宽度；

θ——断层倾角。

该煤矿断层防水煤柱的研究在矿山压力的基础上，增加了承压水力劈裂的分析。根据构造应力规律，断层两侧的导水性会随着与断层面距离的扩大而减小。承压水只能够从断层的导水破坏、渗透范围内压出。由此，断层岩体周围会受承压水的作用而产生裂缝，需要防水煤柱有足够的压力强度进行抵消。从弹性力学角度看，断层裂缝的应力强度与裂缝长度正相关、与裂缝厚度负相关[4]。针对这一因素进行了实验，得出当裂缝角度达到岩体内摩擦角一半时，断层所受的水力劈裂作用最大。

4 断层防水煤柱的留设宽度设计

4.1 断层导水性的探测及分析

在矿山压力、承压水劈裂以及构造力分析的基础上，对断层区段的导水性进行探测，结合具体的数据，得出矿山断层的具体特征。首先，沿着煤层掘进方向对断层进行钻探，得知断层区段被含泥岩充填，且岩体为泥质砂岩，含有少量的水分，而后将钻孔深入到此断层的15m后，钻孔探测到更多的水分，这说明断层内部含水，最后，沿着断层的方向进行巷探，确定断层的具体形态、构造和导水性能。根据初步钻探、物探，结果显示断层的附近存在一定量的水体，且周围为具有导水通道特性的泥质砂岩，既松散又具流变性，并且很可能存在一定量的补给水源。

根据承压水的弹性力学理论，对水力劈裂作用下的裂隙扩展进行了分析。按照弹性力学的受力分布规律，对断层裂缝方向的压剪系数和断裂韧性从应力强度和渗透压力变化层面进行了计算，得出受断层裂缝应力作用而突水的防水煤柱宽度为42m，这一数值已经超出了防水煤柱留设宽度的考虑范围。因此，此断层防水煤柱不会因承压水劈裂作用而突水。

4.2 断层煤柱留设宽度计算及可靠性分析

根据矿山压力理论，对煤壁的破碎区、屈服区长度进行计算，为断层防水煤柱的留设宽度设计提供基础性数据。将实验室和施工现场所测的参数带入计算公式，求得防水煤柱的宽度为32m。

理论公式计算缺乏对矿山岩体实际情况的考虑，计算结果无法定性定量地解决好现实性问题。因此，还需要借助计算机软件对断层不确定性因素进行模拟。计算程序将各因素之间的关联性按照关联强弱程度排列，选出对结果有影响的8个因素，即：断层宽度、断层含水性、断层防水煤柱宽度、平均落差、断层倾角、导水性能、承压水压力、裂缝宽度[5]。针对这8个指标采用LMBP算法进行模拟计算。这种算法以速度快、模型变量少、突出影响主成分的特点，对不确定性因素的判断和处理十分有效。经过检测样本的训练，采用归一化处理后，建立了较为可靠的防水煤柱非线性映射关系。

根据计算结果绘制图2。通过分析可知，防水煤柱的宽度低于12m时，煤柱处于完全破碎的临界状态；防水煤层的宽度达到20m时，煤柱内部具备足够的弹性区；当防水煤柱的宽度增大到25m时，防水煤柱已经相当稳定，具备良好的抗压、防水能力，能够防止突水事故。

图2 防水煤柱与归一安全系数关系图

4.3 断层煤柱留设宽度的数值模拟分析

为了使断层煤柱留设宽度的评价更加准确，在LMBP网络神经模拟的基础上进行了数值模拟分析，从巷道变形、断层岩体破坏度、最大主应力变化的角度做出评估。根据以上结果，选定15、20、25m和30m 4个留设宽度进行数值模拟分析。分析结果见表1。

根据表1结果可知，当防水煤柱的宽度为20m时，巷道周围的岩体破坏的程度比较明显，还存在一定的安全隐患；岩体的最大主应力过大，难以确保在长时间内保持稳定不变。当防水煤柱的宽度为25m时，巷道基本不会被破坏，断层岩体也相对稳定，断层面连通的区域已经非常小，能够为长期的开采施工提供安全环境。

表1 断层防水煤柱数值模拟分析结果

5 防水煤柱的效果

以前煤矿根据长期的开采经验，将煤柱留设宽度设定为45m。通过足够的煤柱宽度来防治突水事故，而没有考虑煤矿资源的浪费程度。在经过力学理论计算、LMBP神经网络模拟和数值分析后，将防水煤柱的宽度设定为25m。在工作面布置了监测设备，以距离工作面的距离为变量，对巷道底板、煤柱侧、工作面侧、顶板进行了持续性观测，得到图3所示结果。

图3 监测的位移情况

由图3可知，在距离工作面50m的范围内，底板、工作面侧、煤柱侧和顶板都发生了位移和变形，且距离工作面越近，位移变化量越大。从底板看，变化值为16mm,属于变形的可控范围；两帮位移为42mm，两帮位移大致相同，整体表现出较好的协调性；顶板位移为90mm，可通过支护进行控制。总体而言，断层防水煤柱能够发挥防水作用，可避免出现煤壁导水和底板突水事故。

到目前为止，断层防水煤柱所在的综放工作面已经开采完毕。在整个开采过程中，断层煤柱发挥了重要作用，表现出稳定性质，没有出现突水事故。因此，断层煤柱的留设宽度是合理的，能够避免中小型突水事故。