劉永勝,劉 賽

(1.晉城煤業(yè)集團 成莊煤礦，山西 晉城 048000； 2.華北科技學院 安全工程學院，北京 東燕郊 101601)

突水是煤礦生產(chǎn)中的重大災害之一，也是煤炭安全開采的一大難題[1]。在開采過程中，揭露的陷落柱大部分不會發(fā)生突水事故，只有極少的可能造成導水淹井的重大危害[2-6]。目前，利用力學理論和數(shù)值方法對陷落柱的形成過程、 形成機理、 導水機理以及陷落柱發(fā)育規(guī)律、導水類型、導水條件等均有不同程度的研究[7-11]，防水煤柱的留設是以經(jīng)驗或者力學解析分析為依據(jù)進行設計的,巖體結構非常復雜,地下工程作用下巖體結構的理論解析分析幾乎是不可能的或者是過分簡化而不精確的.數(shù)值模擬以其復雜條件的適應性和具有應力應變史的“記憶”功能等優(yōu)勢,在地下工程中廣泛應用.本文擬通過FLAC3D在防水煤柱留設問題中的應用來推動數(shù)值模擬在礦井生產(chǎn)中的廣泛應用。

對成莊礦3#煤層采用數(shù)值模擬FLAC3D技術，對在構造發(fā)育區(qū)域進行活化影響評價的數(shù)值模擬研究，分析評價煤層開采遇陷落柱突水的安全風險性。煤層的開采對陷落柱裂隙帶有一定程度的影響，應防止由于采動而使裂隙帶活化導水。得出煤層的防水煤柱留設寬度的目的最終達到保障安全生產(chǎn)的目的，盡可能減少對生產(chǎn)的影響。

1 礦井概況

成莊井田地勢西北高、東南低、東西向溝谷發(fā)育，溝谷水流注入長河。井田位于太行山復背斜西翼，沁水煤田南端，總體為向西傾斜的單斜構造，奧陶系～二疊系由東向西依次出露。本井田地形為低山～丘陵區(qū)，溝谷發(fā)育。最高點標高為1146.5 m，最低點標高為691.3 m，相對高差為455.2 m。井田內(nèi)地層平緩，傾角3°～15°，一般在10°以內(nèi)。

根據(jù)2014年1月5日的水文孔觀測孔的奧灰水位標高取得的數(shù)據(jù)顯示，奧陶系巖溶水位標高為480.7 m～ 541.54 m，3號煤層底板標高為360 m～790 m。3號煤層位于山西組下部，沉積穩(wěn)定，上距砂巖34.80 m左右，下距砂巖頂面6.12 m左右，厚4.30 m～7.68 m，平均6.44 m左右。煤層頂板多為粉砂巖，少數(shù)為泥巖，底板多為泥巖，少數(shù)為粉砂巖。

2 模型的建立及邊界條件

數(shù)值模擬采用庫侖—摩爾力學模型。參照各巖層的物理性質(zhì),給各層巖石賦值(包含巖石的密度、體積模量、切變模量、內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角、抗拉強度)。為了正確模擬工作面煤層開采引起的采場周圍應力分布和對頂?shù)装宓挠绊憽?1)計算在給定邊界力學、位移條件下模型的初始狀態(tài);(2)分步模擬煤層開采,采高5 m,每次推進10 m。

從現(xiàn)場巷道選取有代表性的圍巖抽取巖樣，在實驗室獲得巖體物理力學參數(shù)。計算采用圖1所示的三維模型，模型尺寸600 m×300 m×200 m(X×Y×Z)。依據(jù)以往的勘探資料，該陷落柱平面形狀為橢圓形，長軸方向近東西向，半長軸126 m左右，短軸方向近南北向，半短軸86 m左右。工作面的開采按照至上而下的順序進行，依據(jù)水文檢測孔，3#煤層采高為6 m，模型頂部施加上覆巖層自重應力。A陷落柱區(qū)域奧灰水水位標高為+522 m，模型奧灰?guī)r厚度為30 m，因此在計算模型底部加載水壓1.45 MPa。巖性參數(shù)見表1

圖1 三維計算模型圖

根據(jù)計算模型的實際賦存條件，計算模型的邊界條件如下：

(1) 上部邊界條件：一般情況下，數(shù)值計算的上部邊界條件設定為煤層上覆巖層的重量，即：σ=γH。式中：γ—上覆巖層的平均體積力，kN/m3；H—煤層的埋深，m。3#煤層平均垂深約為400 m左右，上覆巖層的平均體積力取27 kN/m3，代入式得：σ=γH=10.8 MPa(2)下部邊界條件：模型的下部邊界條件為底板，簡化為位移邊界條件，在x、y方向可以運動，z方向為固定鉸支座，即v=0。(3)兩側邊界條件：模型的兩側邊界條件均為實體煤巖體，簡化為位移邊界條件，在z方向可以運動，其他方向為固定鉸支座，即u=w=0。

表1 煤巖力學參數(shù)表

續(xù)表

3 數(shù)值模擬結果與分析

開采3#煤層塑性分析

開采3#煤層垂直應力分析：

分析留設不同煤柱時采場圍巖的應力分布特點，其計算結果如圖3所示。

圖2 3#煤層不同防水煤柱塑性狀態(tài)圖

圖3 3#煤層不同防水煤柱應力狀態(tài)圖

4 數(shù)值模擬結果分析

1) 從圖 2可以看出

由于A陷落柱規(guī)模較大，其長軸可達126 m，且探測結果推測陷落柱A左下側的巖石破碎程度較大，含水性強,且垂向上導通性強。因此該類型的陷落柱主要應防止陷落柱垂向上活化導通突水。奧灰水位標高約為535 m，高于3#煤層26 m左右，存在帶壓開采。通過比較不同防水煤柱塑性狀態(tài)可知，隨著煤柱寬度的減小，其塑性范圍隨之增大，當推進至30 m時，煤層頂?shù)装迤扑閰^(qū)域與陷落柱導通，因此3#煤層的防水煤柱可留設40 m。

2) 從圖3可以看出

3#煤層處的原巖應力約為10.8 MPa，由于工作面的開采，應力向周邊圍巖轉(zhuǎn)移，工作面周邊為應力升高區(qū)，防水煤柱內(nèi)的垂直應力隨著煤柱寬度的減小而增大，60 m 煤柱內(nèi)的最大垂直應力為25.2 MPa，50 m和40 m煤柱內(nèi)的最大垂直應力升為34.8 MPa ，30 m防水煤柱內(nèi)的最大垂直應力為36.45 MPa，表明隨著煤柱尺寸的減小，其煤柱內(nèi)的垂直應力隨之增大，即煤柱越小越不利于煤柱的穩(wěn)定。

5 結論

根據(jù)模擬結果：(1)隨著煤柱尺寸的減小，其煤柱內(nèi)的垂直應力隨之增大，即煤柱越小越不利于煤柱的穩(wěn)定。

(2) 通過比較不同防水煤柱塑性狀態(tài)可知，隨著煤柱寬度的減小，其塑性范圍隨之增大，當推進至30 m時，煤層頂?shù)装迤扑閰^(qū)域與陷落柱導通，建議3#煤層的防水煤柱可留設40 m。

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