富水區煤柱留設數值模擬研究

范紅斌

(山西潞安化工集團 常村煤礦,山西 長治 046102)

研究富水區煤柱的留設寬度對于含水煤礦的開采極為重要。師維剛等[1]通過建模分析,對防水隔離煤重新分區,規范了相關經驗參數取值,使得防水煤住設計更加全面,彭文慶等[2]運用各力學理論準導了不同斷層傾角的防水煤任寬度計算公式;劉寧平等[3]以實際的礦區為背景利用有限元的方法研究了支護強度與煤柱留設寬度的關系;高曉旭等[4]提供理論分析與計算得到了某礦工作面的煤柱留設寬度,并投入了實際工程應用,提高了回采率;張金貴等[5]研究了不同寬度下煤柱的受力變形特征,確定了合理的煤柱寬度,并進行了工程驗證。

本文采用二維有限差分的數值方法,以某礦區工程地質及水文地質條件為依據,建立數值模擬模型,分析了開采過程中的6個主要破壞階段,確定了留設煤柱的寬度和最終開采布局。

1 煤礦水文地質參數

根據某礦的水文地質資料獲得斷層力學參數、巖體水力學參數分別如表1、表2所示。

表1 斷層力學參數

表2 巖體水力學參數

2 基于FLAC2D的數值模擬模型的建立

2.1 二維有限差分模型

設計平面應變二維模型高1 240 m,寬2 354 m,計算單元的規格為10～30 m.模型兩側限制水平方向移動,模型底邊限制水平方向和垂直方向移動,具體模型如圖1所示。

圖1 二維計算模型圖

本計算中的巖體采用理想彈塑性本構模型Mohr-Coulomb屈服準則描述:

(1)

式中:σ1、σ3分別是最大和最小主應力,MPa;c、φ分別是粘結力和摩擦角,°.

當fs>0時,材料將發生剪切破壞。在通常應力狀態下,巖體的抗拉強度很低,因此可根據抗拉強度準則(σ3≥σT)判斷巖體是否產生拉破壞。

2.2 數值模擬結果

為了解算最佳防水煤柱的寬度,從斷層開始上行開采,直至采到基巖不整合面,從而可以劃分上覆巖體破斷階段。根據計算結果,可以得到開采過程中覆巖的典型破壞階段,如表3所示。覆巖及主要隔水層在不同推進階段的破壞場如圖2所示。留置安全防水煤柱是為了使上覆巖層的破壞不要與第四系溝通,尤其不要出現拉破壞溝通,防止水以傾灌的方式進入工作面,造成涌水危害。在上行開采推進的各個過程中,當推進760 m時,即煤柱140 m,基巖不整合面的破壞區域與第四系溝通。當推進完畢后,整個第四系與基巖侵蝕面完全拉斷。為了安全起見,選取防水煤柱寬度為150 m.

圖2 開采覆巖階段破壞場圖

表3 開采覆巖典型破壞階段

接下來進行區間煤柱設計,分別取的煤柱寬度40 m,20 m進行數值模擬,結果如圖3所示,發現當煤柱20 m 時,破壞場處于臨界狀態。為了安全起見,取得煤柱寬度40 m.第二工作面開采80 m時第三含水層破壞剛好達到了臨界狀態,直接取得第二工作面80 m。第二工作面與第三工作面間設不同煤巖破壞情況如圖4所示,最終取得區間煤柱40 m.之后的工作面設計及區間煤柱的設計采取類似的方法。最終確定區間煤柱的寬度為40 m,工作面寬度為80 m.最終的開采布局如圖5所示。

圖3 不同開采距離覆巖破壞場圖

圖4 不同煤柱寬度覆巖破壞圖

圖5 最終開采布局示意

工作面開采涌水量滲流跡線如圖6所示,第二工作面開采,即距離第四系不整合面 350 m時涌水量為590.7 m3/h.

圖6 工作面開采滲流跡線

3 結 語

本文采用二維有限差分的數值方法,以某礦區工程地質及水文地質條件為依據,建立相似模型及數值模擬模型,分析了開采過程中頂板及覆巖的裂隙發育規律和6個主要破壞階段,得到結論如下:

1) 由于開采擾動,第1隔水層最先被拉斷,其次第2隔水層發生區域性破斷。第3隔水層的破壞不是連續的,而是采動310 m時,遠第四系一端最先發生破壞;采動350 m時,近第四系一端而后產生拉斷,最終第3隔水層連通(采動460 m)會造成工作面涌水激增。

2) 開采的過程中,覆巖的破壞以剪切破壞為主,而主要隔水層的破壞以拉破壞為主。在推進過程中第四系地表始終存在拉破壞區域,剪切破壞的區域逐漸擴大直至與基巖連通。不整合面的破壞場逐漸發育,隨開采推進破壞由剪切破壞逐漸向拉破壞轉變,直至接觸面上大范圍的拉裂。

3) 根據覆巖破壞情況與第四系的關系,確定了近第四系煤柱的留設寬度150 m,進一步分析了不同工作面尺寸和區間煤柱寬度對覆巖破壞的影響。確定了工作面參數為:開采工作面 80 m再設40 m 區段煤柱。