承压水上开采防水煤柱临界宽度研究.pdf

2010 年第 6 期能 源 技 术 与 管 理 承压水上开采防水煤柱临界宽度研究 邓虎， 田建良， 唐骏 （安徽理工大学 能源与安全学院， 安徽 淮南 2 3 2 0 0 1 ） ［摘要］ 防水煤柱的合理留设,是带压开采至关重要的一个环节,采矿实践证实,绝大多数突 水都发源于地质构造,尤其是特大型突水。合理留设防水煤柱是防止构造突水的重 要措施。在柳泉矿 7 煤实际情况的基础上， 通过 FLAC 模拟与理论计算相结合的方 法， 提出了确定煤柱临界宽度的公式。 ［关键词］防水煤柱；FLAC模拟；临界宽度 ［中图分类号］TD822.3［文献标识码］B［文章编号］1672-9943201006-0008-03 0引言 我国许多煤田的水文地质条件十分复杂,在 煤层开采过程中受到多种水体的威胁, 煤矿防治 水问题是煤矿生产及科研中的一大技术难题。据 初步统计，全国重点煤矿中受水威胁的矿井占 47.5， 受水害威胁的储量达 250 亿 t。从近年的 开采情况看，每年采出受水害威胁的煤炭还不到 总储量的 10。因此， 如果不能解放这些受水害 威胁的煤炭储量， 不仅影响煤矿的产量， 而且一些 老矿井还有被迫提前关井的危险。 防水煤柱的合理留设, 是带压开采至关重要 的一个环节,采矿实践证实,绝大多数突水都发源 于地质构造,尤其是特大型突水。 合理留设防水煤 柱是防止构造突水的重要措施。本文在柳泉矿 7 煤实际情况的基础上通过 FLAC 模拟与理论计算 相结合的方法， 提出了确定煤柱临界宽度的公式。 1工作面概况 柳泉矿 7 煤在 002 勘探线之间， - 80- 260 m 段由原景山煤矿回采过，煤厚为 1.50.6 m之间， 煤层倾角为 60～70，回采期间煤层稳定， 未 见断层， 未发现煤层变薄不可采现象， 顶底板均为 砂岩， 坚硬， 顶板稳定， 回采巷道支护为木支护， 无 冲击地压现象， 工作面走向长 300 m左右， 回采巷 道维修量不大，工作面回采过程中没有发现滴淋 水现象。 2模型的建立与 FLAC 模拟 煤炭开采过程中， 当工作面前方遇有断层时， 如何确定防水煤柱的临界宽度， 根据柳泉矿现 71 采区揭露断层统计数据，假设遇有倾角为 60、 落差为 35 m正断层时，分析不同工作面长度下， 底板破坏深度以及相应的防水煤柱临界宽度。 为确定柳泉矿 71 采区的地质情况， 根据现有 的水文地质资料及 7、 9 煤的顶底板力学性质， 采 用固流耦合模型， 分析在距 7 煤底板 90 m处存有 承压水的情况下，水的渗流与工作面开采的耦合 关系。 模型共划分 19 050 个单元， 反映出实际尺寸 宽和高各为250m和 180m。模型上边界加 1.2MPa 垂直压应力以模拟实际采深的地应力，左右边界 以一定的应力梯度加 3.0 MPa 的水平应力，以模 拟遇有大断层时的水平应力。在距 7 煤底板 90 m 位置以一定应力梯度加 6.5 MPa 的水压力，断层 物理参数如表 1 所示。 表 1断层物理力学参数 留 20 m保护煤柱时， 采场及断层处水压及应 力云图如图 1 所示。 （a ） 水饱合区域分布图 倾角 / （ ） 落差 /m 厚度 /m 法向 刚度 切向 刚度 泊松 比 内聚 力 /N 摩擦 角 / （ ） 渗透 系数 603523e82e80.451001510e- 9 doi10.3969/j.issn.1672- 9943.2010.06.004 8 2010 年第 6 期邓虎， 等承压水上开采防水煤柱临界宽度研究 （b ） 底板水压力云图 （c ） 塑性区分布图 （d ） 最大主应力云图 （e ） 最小主应力云图 图 120 m 煤柱时采场及断层处应力云图 数值模拟分析表明， 7 煤下伏的承压水由于 断层破碎带的存在， 至使断层活化。 承压水一方面 通过其顶板岩层向 7 煤渗透， 但距 7 煤底板 19 m 位置存有隔水层， 有效的阻止了水头进一步上升； 另一方面由于承压水压力较大，使断层成为导水 断层， 断层处的水头明显高于其它位置， 且穿过隔 水层向两侧扩散。当所留煤柱为 20 m时， 断层左 侧扩散距离为 11m， 右侧为 8m， 距 7 煤底板 17m， 承压水沿断层破碎带及 7 煤开采对底板产生的破 坏区， 进入工作面而导致突水。 3理论计算与经验类比相结合法［1-3］ 3.1采场底板不突水条件 采场附近煤体上的支承压力往往超过其极限 强度， 在煤壁附近形成非弹性区。 按照弹塑性软化 模型， 分别处于弹性、 软化和流动的区域相应地称 为弹性区、 塑性区、 破碎区， 如图 2 所示。 Ⅰ.破碎区； Ⅱ.塑性区； Ⅲ.弹性区 图 2工作面前方煤体变形区域 非弹性区包括塑性区及破坏区，其范围 xz 为 xz 1 ξ1 ln 1 σ * c P-ξ2 l （sc-σ * c） /ξ2- 1 （1 ） 其中 ξ1 2fkp h ξ2 M0St 2fkp PKmaxγH Sc 2ccosφ 1- sinφ φ φ φ φ φ φ φ φ φ φ φ φ φ φ φ φ φ φ φ φ φ φ φ φ φ 式中， f 为岩层与顶底板间的摩擦系数； h 为 煤层厚度； φ 为煤体的内摩擦角； σ * c为单轴压缩时 的残余强度； P 为最大支承压力； Kmax为峰值应力 集中系数； γ 为上覆岩层的容重； H 为煤层的采 深； c 为煤体的内聚力。 塑性区 x2的范围为 x2 h M0St（Sc -σ * c） （2 ） 式中， M0为煤体塑性软化模量， 且 M0tanφ0， φ0为煤体塑性软化角； St为塑性区煤体应变梯度， 且 Sttanα， α 为塑性区煤层顶底板变形角之和。 破碎区 x1范围为 9 2010 年第 6 期 x1xz-x2 断层突水的条件 如图 3 所示， 煤壁与断层距离为 a， 高峰应力 传播角为 θ， 其与倾角为 α 的断层交于 A 点， z 为 交点距煤层底的深度。以 A 为顶点， 弹性区煤层 长度 x3为底的三角形面积 S 为 s 1 2 x3z x 2 3sinαsin （90- θ ） 2sin （α90- θ ） （3 ） x3a-xz 图 3断层突水机理分析图 整理得 z x3sinαcosθ cos （α-θ ） sinαcosθ cos （α-θ ） （a-xz）（4 ） 沿底板高峰应力线的倾向方向，支承压力由 峰状态向原始应力状态过渡，相应地煤层底板由 压缩状态向原岩状态过渡。受到支承压力峰值压 缩的底板一旦遭到破坏，支承压力峰值就会向深 部移动， 即离煤壁更远， 相应地底板高峰应力线也 向深部移动。 因此， 未遭受支承压力峰值压缩的底 板不会破坏，从而在底板高峰应力线与断层之间 的底板岩层仍具有原始的隔水性能。 沿底板高峰应力线的倾向相反的方向，即向 采空区方向，支承压力由峰值状态向低应力状态 过渡，相应地煤层底板由压缩状态向膨胀状态过 渡。因这部分的煤层底板都已遭受过支承压力峰 值的破坏， 所以丧失原始的隔水性能， 有可能成为 导水通道。 综上所述，底板通过断层构成的突水通道产 生突水的条件为煤层开采造成的底板破坏深度 h 不小于底板高峰应力线与断层交点的深度 z， 即 h≥z（5 ） 根据上面公式，可得到采场断层防水煤柱留 设宽度计算公式。 根据采场底板不突水的条件有 a＞ hcos （α-θ ） sinαcosθ xz（6 ） 式中， h、 θ、 xz为煤柱设计的重要参数， xz可由 公式 （1 ） 获得， θ 为采场底板高峰应力线同岩层法 线方向的夹角， 大量现场实测资料、 相似材料模拟 试验及有限元分析表明， θ 值一般在 21～25， h 为矿山压力对采场破坏的深度。 3.2煤柱留设尺寸的确定 如柳泉矿 7 煤开采过程中遇有 35 m正断层， 根据现开采工艺条件及工作面布置方式，具体参 数如下 工作面采深为 650 m， 斜长 124 m， 煤层倾 角 15， 断层倾角 60， 采高 1.0 m， 非弹性区与 采高比为 6.5， 底板应力高峰线传播角为 25， 底 板破坏深度为 12 m， 将以上参数带入式6计算 a19 m 与数值模拟结果分析可知，当工作面与断层 留有 20 m 煤柱时， 达到最小防水保安煤柱， 与本 方法确定的煤柱尺寸基本一致。 据此给出经验公式如下 a0.00911H0.0448α- 0.3113f7.9291ln L 24 ≥≥ 式中， H 为煤层埋深， m； α 为断层倾角，（） ； f 为普氏系数； L 为工作面长度， m。 4结论 根据理论分析，得到采场断层防水煤柱留设 宽度计算公式。 据此给出采场底板不突水的条件 a＞ hcos （α-θ ） sinαcosθ xz。通过与数值模拟结果对比验 正， 结合回归分析提出计算煤柱的经验公式。 ［参 考 文 献］ ［1］ 桂和荣.防水煤岩柱合理留设的应力分析计算法 ［M］.北京煤炭工业出版社, 1997 ［2］ 唐东旗,吴基文,李运成,等.断裂带岩体工程地质力学 特征及其对断层防水煤柱留设的影响［J］.煤炭学报, 2006, 31 4 455-460 ［3］ 尹尚先,王尚旭.陷落柱防水煤柱留设对围岩变形影响 的数值模拟［J］.煤炭学报, 2006, 31 2 179-182 ［作者简介］ 邓虎 （1985-） ， 男， 湖北武汉人， 硕士， 研究方向为矿山 压力与岩层控制。［收稿日期 2010- 05- 12］ 能 源 技 术 与 管 理10