基于离散元的断层防水煤柱留设规律研究

收稿日期:2015-08-25;2016-01-19修订基金项目:国家“十二五冶科技支撑计划项目(2012BAK04B00)作者简介:刘发义(1973—),男,山西襄汾人,在读工程硕士,工程师,从事矿井“一通三防冶、煤层瓦斯抽采技术管理工作。E-mail:[e-mail]。刘发义,张玉东.基于离散元的断层防水煤柱留设规律研究[J].矿业安全与环保,2016,43(3):71-73.文章编号:1008-4495(2016)03-0071-03基于离散元的断层防水煤柱留设规律研究刘发义1,2,张玉东3(1.河南理工大学资源环境学院,河南焦作454000;2.山西晋城煤业集团赵庄煤矿,山西长子046605;3.中煤科工集团重庆研究院有限公司水文物探研究分院,重庆400039)摘要:通过对某煤矿2321工作面突水模型、2313工作面开采模型进行基于离散元的数值模拟分析,总结出采动条件下留设不同宽度的防水煤柱时采空区围岩应力场的变化规律,以及该矿断层防水煤柱宽度的计算公式。研究结果表明,奥灰顶界断层破碎带附近最小主应力大于该区域奥灰水压是断层突水的必要非充分条件,同时2313工作面开采时F6断层不需留设防水煤柱。关键词:断层突水;离散元;防水煤柱;煤柱宽度中图分类号:TD745摇摇摇文献标志码:B摇摇摇网络出版时间:2016-06-0518:13网络出版地址:(1.SchoolofResourcesandEnvironment,HenanPolytechnicUniversity,Jiaozuo454000,China;2.ZhaozhuangMine,ShanxiJinchengAnthraciteMiningGroupCo.,Ltd.,Changzi046605,China;3.ChinaCoalTechnologyandEngineeringGroupChongqingResearchInstitute,Chongqing400039,China)Abstract:Inthispaper,numericalsimulationandanalysisbasedonthediscreteelementweremadeonthewaterinrushmodelof2321workingfaceandtheminingmodelof2313workingface,thechangingregularityofthesurroundingrockstressfieldinthegobwhenthewaterproofcoalpillarsindifferentwidthwereremainedundertheminingconditionwassummarized,andcalculationformulaofthethefaultwaterproofpillarwidthofthisminewasobtained.TheresearchresultsshowedthattheminimumprincipalstressnearthefaultfracturedzoneonthetopboundaryofOrdovicianlimestonehigherthantheOrdovicianlimestonewaterpressurewasthenecessarybutnotsufficientconditionofwaterinrushfromfault,anditwasnotnecessarytoremainthewaterproofcoalpillarforF6faultintheminingof2313workingface.Keywords:faultwaterinrush;discreteelement;waterproofcoalpillar;coalpillarwidth1摇研究背景据资料统计,我国煤矿的突水事故80%以上与断层相关[1]。山东某煤矿位于济宁煤田西北部,该矿井断层较为发育,共发现落差大于等于20m的断层44条。其中2321工作面宽约130m,F4断层(经钻探验证为不导水断层)防水煤柱宽度最小26m,3煤距下伏奥灰约212m,由于F4断层的影响,使3煤与对盘奥灰间距仅为64m左右(见图1)。图1摇2321工作面地质剖面简图·17·第43卷摇第3期2016年6月摇摇摇摇摇摇摇矿业安全与环保MININGSAFETY&ENVIRONMENTALPROTECTION摇摇摇摇摇摇摇摇摇Vol郾43No郾3Jun郾20162007年12月,2321工作面推进到302m时,工作面附近的F4断层发生了突水,工作面最大水量达到180郾4m3/h,当天水量基本稳定在167m3/h左右,此后水量基本在150m3/h左右。同时,后续开采的2313工作面(F6断层附近,经钻探验证为不导水断层)的断层煤柱留设宽度亟待研究确定。2313工作面地质剖面简图见图2。图2摇2313工作面地质剖面简图2摇基于离散元的断层防水煤柱宽度数值模拟研究摇摇根据断裂力学及裂隙流相关理论分析和试验证实[2-5],断层原始导升带附近断层面的垂向应力小于地下水的压力是断层导水的必要非充分条件。因此,为防范断层突水,只要留设一定宽度的防水煤柱,以保证原始导升带处的垂直于断层面的应力大于地下水的压力就可以了。在开采情况下工作面底板应力的变化较为复杂,一般采用数值计算方法较为可靠,笔者通过模拟不同宽度的防水煤柱下开采,观察哪一种情况满足断层导水的上述条件,从而确定防水煤柱的临界值。2.1摇2321工作面防水煤柱留设2321工作面倾斜宽143m,距断层面煤柱宽26m,断层面两侧20m为断层破碎带,模拟结果见图3。研究结果表明,奥灰顶界断层破碎带附近最小主应力为8MPa,小于该区域承受的奥灰水压8郾5MPa,即在水压的作用下,断层破碎带形成2种导水模式:淤原本闭合的裂隙(主要为垂直于最小主应力的裂隙)张开;于被充填物充填的裂隙张开度变大,从而使充填物被水冲走。当这些发生开张的裂隙连通时,最终发生突水,如前文所述该工作面实际开采过程中也发生了突水;反之,当奥灰顶界断层破碎带附近最小主应力大于该区域承受的奥灰水压时,则岩层中的裂隙受压闭合或张开度变小,形成有效隔水带。因此,2321工作面断层突水的必要条件是奥灰顶界F4断层破碎带边界最小主应力大于水压8郾5MPa。图3摇2321工作面最小主应力等值线图为了研究2321工作面正确的煤柱留设方法,本次分别模拟了在回采条件下,留设不同宽度的煤柱时,断层破碎带附近的应力变化。2321工作面回采模拟结果见表1。表1摇2321工作面回采模拟结果煤柱宽度/m断层破碎带最小主应力/MPa有效隔水带/m突水安全级别判定268郾00危险318郾42郾6警戒368郾65郾0安全摇摇综上所述,结合实际揭露情况F4断层破碎带宽度,建议F4断层附近防水煤柱在临界宽度基础上,增加5~10m安全系数值,即F4断层附近防水煤柱应留设41~46m时才能避免本次突水事故的发生。2.2摇2313工作面防水煤柱留设F6断层位于2313工作面附近,经钻探验证为不导水断层,但是在工作面回采条件下是否突水需要进一步研究。分别模拟了该工作面留设不同宽度煤柱情况下,断层突水的可能性。2313工作面煤柱留设数值模拟结果见表2。表2摇2313工作面煤柱留设数值模拟结果煤柱宽度/m断层破碎带最小主应力/MPa有效隔水带/m突水安全级别判定4714郾8118安全3714郾797安全2714郾398安全1713郾896安全013郾193安全摇摇由表2可见,F6断层破碎带附近水压8郾5MPa远小于其最小主应力(13郾1~14郾8MPa),故当防水·27·Vol郾43No郾3Jun郾2016摇摇摇摇摇摇摇摇摇矿业安全与环保MININGSAFETY&ENVIRONMENTALPROTECTION摇摇摇摇摇摇摇第43卷摇第3期2016年6月煤柱宽度为0~47m时,水压不会使裂隙张开度变大,断层突水的可能性不大。实际开采中,该工作面可以不留设防水煤柱。3摇矿井断层防水煤柱留设规律分析目前,对于采场底板应力场分布规律研究主要是应力解析法和数值模拟法,但是这两种方法均难以被煤矿工作人员所掌握,不易推广。因此,统计出本井田内断层附近2313、2319和2321三工作面的底板最小主应力分布规律,以此为基础推导出其他相邻类似工作面底板最小主应力分布规律,见表3。表3摇煤层底板最小主应力统计最小主应力/MPa最小主应力等值线距工作面底板深度/m2313工作面2319工作面2321工作面平均深度最大深度228郾4229郾0633郾4630郾3133郾46446郾0939郾5542郾2842郾6446郾09662郾5453郾6152郾3056郾1562郾55879郾7867郾5067郾8871郾7279郾7810118郾86107郾0081郾52102郾46118郾8712130郾73153郾60102郾60128郾98153郾6014131郾60摇摇由表3可统计出矿井工作面煤层底板最小主应力等值线与距煤层底板深度的关系。对于其他类似断层附近工作面底板最小主应力分布规律,当含水层(本井田主要指奥灰含水层)富水性差时,可取平均深度计算(见图4);当富水性较好时,可取最大深度计算(见图5)。图4摇底板最小主应力等值线与距煤层底板深度(三工作面平均值)的关系图5摇底板最小主应力等值线与距煤层底板深度(三工作面中最大值)的关系如上所述,煤层底板最小主应力滓=p(p为相同深度的水压)的等值线与断层破碎带内导升带(h3)发生重叠,是不导水断层回采时发生突水的必要非充分条件,此时断层导升带边缘p滓,断层中裂隙张开度变大。为了防止断层发生突水,应在煤层底板最小主应力(滓=p)的等值线与断层导升带之间保留一定厚度的有效隔水带(h2),见图6。图6摇断层防水煤柱留设计算简图根据余弦定理可得本矿井类似断层防水煤柱宽度计算公式为:L2+L22-2LL2cos琢=(h1+h2+h3)2(1)式中:L为断层防水煤柱宽度,m;L2为煤层与对盘含水层之间距离,m;琢为煤层与断层面夹角,(毅);h1为煤层底板最小主应力滓=p的等值线与煤层底板的最大距离,m;当底板含水层富水性较弱,或断层附近富水性较弱时,h1可根据图4计算;当底板含水层富水性较强,或断层附近富水性较强时,h1可根据图5计算;h2为有效隔水带厚度,可借鉴《煤矿防治水规定》附录三中对于保护带厚度的取值,m;h3为断层破碎带内导升带高度,可根据实测资料或区域资料选取,m。4摇结论1)通过应用离散元的方法模拟分析了2321工作面开采过程中F4断层突水的机理,得出该工作面断层突水的必要非充分条件是奥灰顶界断层破碎带附近最小主应力大于该区域承受的奥灰水压。2)研究认为2321工作面对F4断层应留设46m防水煤柱才能避免突水事故;2313工作面开采对F6断层可不留设防水煤柱,经实践证明该结论是正确的。3)通过总结矿井工作面底板应力场分布规律,推导出本矿井断层防水煤柱留设宽度计算方法。(下转第76页)·37·第43卷摇第3期2016年6月摇摇摇摇摇摇摇矿业安全与环保MININGSAFETY&ENVIRONMENTALPROTECTION摇摇摇摇摇摇摇摇摇Vol郾43No郾3Jun郾2016岩性以石灰岩为主。钻孔深度为335m,止测深度为329m。盐化后测试4条井液电阻率曲线,见表1。表1摇含水层测井参数曲线代号测量时间段恢复时间/min测量水位/m籽020140727T2340—20140728T002014郾91籽120140728T013