富水區(qū)煤柱留設(shè)數(shù)值模擬研究

范紅斌

(山西潞安化工集團(tuán) 常村煤礦,山西 長治 046102)

研究富水區(qū)煤柱的留設(shè)寬度對(duì)于含水煤礦的開采極為重要。師維剛等[1]通過建模分析,對(duì)防水隔離煤重新分區(qū),規(guī)范了相關(guān)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)取值,使得防水煤住設(shè)計(jì)更加全面,彭文慶等[2]運(yùn)用各力學(xué)理論準(zhǔn)導(dǎo)了不同斷層傾角的防水煤任寬度計(jì)算公式;劉寧平等[3]以實(shí)際的礦區(qū)為背景利用有限元的方法研究了支護(hù)強(qiáng)度與煤柱留設(shè)寬度的關(guān)系;高曉旭等[4]提供理論分析與計(jì)算得到了某礦工作面的煤柱留設(shè)寬度,并投入了實(shí)際工程應(yīng)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(jìn)行了工程驗(yàn)證。

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

1 煤礦水文地質(zhì)參數(shù)

根據(jù)某礦的水文地質(zhì)資料獲得斷層力學(xué)參數(shù)、巖體水力學(xué)參數(shù)分別如表1、表2所示。

表1 斷層力學(xué)參數(shù)

表2 巖體水力學(xué)參數(shù)

2 基于FLAC2D的數(shù)值模擬模型的建立

2.1 二維有限差分模型

設(shè)計(jì)平面應(yīng)變二維模型高1 240 m,寬2 354 m,計(jì)算單元的規(guī)格為10～30 m.模型兩側(cè)限制水平方向移動(dòng),模型底邊限制水平方向和垂直方向移動(dòng),具體模型如圖1所示。

圖1 二維計(jì)算模型圖

本計(jì)算中的巖體采用理想彈塑性本構(gòu)模型Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則描述:

(1)

式中:σ1、σ3分別是最大和最小主應(yīng)力,MPa;c、φ分別是粘結(jié)力和摩擦角,°.

當(dāng)fs>0時(shí),材料將發(fā)生剪切破壞。在通常應(yīng)力狀態(tài)下,巖體的抗拉強(qiáng)度很低,因此可根據(jù)抗拉強(qiáng)度準(zhǔn)則(σ3≥σT)判斷巖體是否產(chǎn)生拉破壞。

2.2 數(shù)值模擬結(jié)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(jù)計(jì)算結(jié)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(jìn)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(xiàn)拉破壞溝通,防止水以傾灌的方式進(jìn)入工作面,造成涌水危害。在上行開采推進(jìn)的各個(gè)過程中,當(dāng)推進(jìn)760 m時(shí),即煤柱140 m,基巖不整合面的破壞區(qū)域與第四系溝通。當(dāng)推進(jìn)完畢后,整個(gè)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(jìn)行區(qū)間煤柱設(shè)計(jì),分別取的煤柱寬度40 m,20 m進(jìn)行數(shù)值模擬,結(jié)果如圖3所示,發(fā)現(xiàn)當(dāng)煤柱20 m 時(shí),破壞場處于臨界狀態(tài)。為了安全起見,取得煤柱寬度40 m.第二工作面開采80 m時(shí)第三含水層破壞剛好達(dá)到了臨界狀態(tài),直接取得第二工作面80 m。第二工作面與第三工作面間設(shè)不同煤巖破壞情況如圖4所示,最終取得區(qū)間煤柱40 m.之后的工作面設(shè)計(jì)及區(qū)間煤柱的設(shè)計(jì)采取類似的方法。最終確定區(qū)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(shí)涌水量為590.7 m3/h.

圖6 工作面開采滲流跡線

3 結(jié) 語

本文采用二維有限差分的數(shù)值方法,以某礦區(qū)工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件為依據(jù),建立相似模型及數(shù)值模擬模型,分析了開采過程中頂板及覆巖的裂隙發(fā)育規(guī)律和6個(gè)主要破壞階段,得到結(jié)論如下:

1) 由于開采擾動(dòng),第1隔水層最先被拉斷,其次第2隔水層發(fā)生區(qū)域性破斷。第3隔水層的破壞不是連續(xù)的,而是采動(dòng)310 m時(shí),遠(yuǎn)第四系一端最先發(fā)生破壞;采動(dòng)350 m時(shí),近第四系一端而后產(chǎn)生拉斷,最終第3隔水層連通(采動(dòng)460 m)會(huì)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(jìn)過程中第四系地表始終存在拉破壞區(qū)域,剪切破壞的區(qū)域逐漸擴(kuò)大直至與基巖連通。不整合面的破壞場逐漸發(fā)育,隨開采推進(jìn)破壞由剪切破壞逐漸向拉破壞轉(zhuǎn)變,直至接觸面上大范圍的拉裂。

3) 根據(jù)覆巖破壞情況與第四系的關(guān)系,確定了近第四系煤柱的留設(shè)寬度150 m,進(jìn)一步分析了不同工作面尺寸和區(qū)間煤柱寬度對(duì)覆巖破壞的影響。確定了工作面參數(shù)為:開采工作面 80 m再設(shè)40 m 區(qū)段煤柱。