基于FLAC-3D的成庄矿多煤层陷落柱防水煤柱留设研究

李小明，李 博，朱庆伟

(华北科技学院 安全工程学院,北京 东燕郊 101601)

基于FLAC-3D的成庄矿多煤层陷落柱防水煤柱留设研究

李小明，李 博，朱庆伟

(华北科技学院 安全工程学院,北京 东燕郊 101601)

运用FLAC-3D模拟软件对成庄矿内贯穿3#、9#、15#煤层的KDX74、JDX75、KDX76陷落柱的防水煤柱预留情况进行数值模拟。通过分别留设不同宽度的防水煤柱进行模拟实验发现，当3#煤层防水煤柱留设20 m，9#煤层防水煤柱留设30 m，开采15#煤层时，当15#煤防水煤柱为20 m时，3#煤层采空区下方塑性破坏区域与陷落柱活化区域导通，表明15#煤层的开采可能导致3#煤层采空区底板突水，故15#煤防水煤柱宽度不应小于30 m。

FLAC-3D;陷落柱;数值模拟;防水煤柱

0 引言

突水是煤矿安全生产的重大灾害之一，也是煤炭安全开采的一大难题[1]。岩溶陷落柱是我国华北型石炭二叠系煤田的一种特殊地质构造，广泛分布于华北和两淮等地的煤田及矿区。在开采过程中，虽然揭露的陷落柱大部分不会发生突水事故，但仍有少部分可能造成突水甚至淹井的危害[2-4]。在采煤过程中，开采引起的扰动会使岩体内部应力应变状态发生变化，在矿山压力和采动破坏的共同作用下会影响陷落柱的导水性，有时甚至会形成导水通道，引起突水[5-7]。防水煤(岩)柱的留设是煤矿防治水工作的重要内容，它的作用是使地表水、地下水或老窑水与作业场地隔离，同时也能保护某些水体或避免产生不良的环境灾害和工程地质问题，因此在开采煤层时留设尺寸合理的放水煤(岩)柱是必要的[8]。本文通过运用FLAC-3D软件对成庄矿贯穿3#、9#、15#煤的岩溶陷落柱的防水煤柱留设问题进行模拟，结果表明：为防止15#煤开采引起3#煤采空区底板突水，3#煤需留设20m的防水煤柱，9#煤需留设30m的防水煤柱，15#煤需留设30m的防水煤柱。

1 主要可采煤层

各主要可采煤层情况详见表1。

表1 各主要可采煤层情况一览

2 陷落柱含水性概况

KDX74陷落柱：物探显示该陷落柱区域均呈现出低阻异常，地震波相应特征反映该处有构造异常，推测KDX74陷落柱导通山西组砂岩含水层，含水性较强。KDX75陷落柱：依据各物探方法的电阻率变化趋势和地震波相应特征，推测该陷落柱含水性较差。KDX76陷落柱：该陷落柱区域均呈现出中高视电阻率形态，推测该区域含水性较差。根据综合物探勘探结果推测陷落柱KDX74、JDX75、KDX76含水性为：9#煤顶界面及15#煤顶界面水平截面反映出陷落柱附近区域视电阻率值偏低，地应力值也较低，推测其含水性程度可能相对较高。

3 KDX74、JDX75、KDX76陷落柱防水煤柱模拟研究分析

3.1 模型建立

KDX74、JDX75、KDX76陷落柱模型，采用莫尔-库伦材料本构模型，建立的数值模型，如图2，长(y方向)宽(x方向)高(z方向)分别为400 m、200 m、200 m，模型顶部施加上覆岩层自重应力。KDX74、JDX75、KDX76陷落柱区域奥灰水水位标高为+510 m，在断层带附近15#煤层标高约为366 m，因此奥灰水水位高于15#煤层约144.5 m左右，模型奥灰岩厚度为28 m，由液体压力公式p=ρgh计算得，模型底部需加载水压1.72 MPa。岩石物理力学性质如表2所示，建立计算模型如图1所示：

表2 岩石物理力学性质

续表

图1 三维计算模型图

3.2 KDX74、JDX75、KDX76陷落柱模拟结果分析

KDX74、JDX75、KDX76陷落柱位置相近，三维地震解译的主采煤层的水平截面积相似，物探解释含水性基本相同，故将其作为一个计算模型进行分析参考。本次选KDX74进行数值模拟。

3.2.1 开采3#煤层防水煤柱留设研究

3号煤层位于山西组下部，沉积稳定，上距砂岩层34.80 m左右，下距砂岩层顶面6.12 m左右，下距9号煤层44.82 m左右。厚4.30 m～7.68 m，平均6.44 m左右。煤层顶板多为粉砂岩，少数为泥岩，底板多为泥岩，少数为粉砂岩。防水煤柱留设不同厚度时采场及陷落柱围岩塑性状态如图2。

图2 3#煤层不同防水煤柱塑性状态图

陷落柱KDX74长轴为103 m，该类型的陷落柱主要应防止陷落柱活化突水，通过比较不同防水煤柱塑性状态可知，随着煤柱宽度的减小，3#煤采空区顶底板塑性范围随之增大，当防水煤柱宽度大于20 m时，3#煤工作面前方顶底板塑性破坏区域与陷落柱活化区域尚未导通，当防水煤柱宽度为10 m时，3#煤工作面顶底板塑性破坏区域与陷落柱导通，因此3#煤层的防水煤柱不应小于10 m。防水煤柱留设不同厚度时采场及陷落柱围岩垂直应力的分布情况如图3。

留设不同煤柱时采场围岩的应力分布如图4所示。3#煤层处的原岩应力约为10.8 MPa，由于工作面的开采，应力向周边围岩转移，工作面周边为应力升高区，防水煤柱内的垂直应力随着煤柱宽度的减小而增加，50 m煤柱内的最大垂直应力为23.15 MPa，20 m防水煤柱内的最大垂直应力为33.98 MPa，表明随着煤柱尺寸的减小，其煤柱内的垂直应力随之增大，即煤柱越小越不利于煤柱的稳定。

图3 3#煤层不同防水煤柱垂直应力分布状态图

3.2.2 开采9#煤层防水煤柱留设研究

9#煤层位于太原组中部,顶底板皆为粉砂岩，局部为泥岩 ,下距15号煤层38.78 m左右，沉积较稳定。防水煤柱留设不同厚度时采场及陷落柱围岩塑性状态如图4。

图4 9#煤层不同防水煤柱塑性状态图

当3#煤留设20 m防水煤柱开采9#煤层，防水煤柱大于20 m时，如图5A、B、C所示，采场的塑性破坏区与陷落柱活化区域尚未导通，表明此时煤柱仍处于安全状态；当防水煤柱为20 m时，如图5D所示，在9#煤层前方顶板与陷落柱边缘裂隙导通，可能形成导水通道。因此KDX74陷落柱留设防水煤柱宽度不小于20 m。开采9#煤层围岩应力状态如图5。

由图6所示，由于3#煤层的开采，3#煤层的底板处于应力降低区，但9#煤层的开采又会对3#煤层围岩产生影响，如图所示，开采3#煤层时煤柱内最大垂直应力为33.98 MPa，而当开采9#煤层后，煤柱内的应力增大至36.93 MPa，且煤柱内的垂直应力随着煤柱宽度的减小而增大，当煤柱减小到20 m时，其垂直应力增至37.75 MPa。

3.2.3 开采15#煤层防水煤柱留设研究

15#煤层位于太原组下部，厚2.17 m～5.20 m，平均3.73 m，一般在3.00 m以上，其厚度变异系数(γ)为16%,可采性指数(km)为1，属全区稳定的主要可采煤层。顶板为石灰岩,个别地段为泥岩,底板为泥岩,局部为粉砂岩。开采15#煤围岩塑性状态如图6。

图6 15#煤层不同防水煤柱塑性状态图

3#煤防水煤柱留20 m，9#煤防水煤柱留30 m，开采15#煤时，当防水煤柱大于20 m时，如图7A、B、C所示采场的塑性破坏区与陷落柱活化区域尚未导通，表明此时煤柱仍处于安全状态；当防水煤柱为20 m时，如图7D所示，在9#煤采空区顶板与陷落柱边缘裂隙导通，可能形成导水通道，因此建议KDX74陷落柱留设防水煤柱宽度不小于30 m。开采15#煤层围岩应力状态如图7。

由图8所示，由于3#煤层和9#煤层的开采，3#煤层的底板处于应力降低区，因此15#煤层围岩的应力相对较低，有利于围岩的稳定，但15#煤层的开采又会对3#煤层围岩产生影响，如图所示，开采3#煤层和9#煤层时煤柱内最大垂直应力为37.32，而当开采15#煤层后，当煤柱减小到20 m时，其垂直应力增至39.99 MPa。

图7 15#煤层不同防水煤柱垂直应力图

4 结论

(1) 随着防水煤柱宽度的减小，3#煤采空区顶底板塑性范围随之增大，当防水煤柱宽度大于20 m时，3#煤工作面前方顶底板塑性破坏区域与陷落柱活化区域尚未导通，当防水煤柱宽度为10 m时，3#煤工作面顶底板塑性破坏区域与陷落柱导通。

(2) 当防水煤柱为20 m时，在9#煤层前方顶板与陷落柱边缘裂隙导通，形成导水通道。因此KDX74陷落柱9#煤层留设防水煤柱宽度不小于20 m。

(3) 3#煤层防水煤柱留20 m，9#煤层防水煤柱留30 m，开采15#煤层时，当防水煤柱大于20 m时，采场的塑性破坏区与陷落柱活化区域尚未导通，表明此时煤柱仍处于安全状态；当15#煤层防水煤柱为20 m时，在3#煤层采空区底板与陷落柱边缘裂隙导通，可能形成导水通道，因此建议KDX74陷落柱15#煤层留设防水煤柱宽度不小于30 m。

(4) 上层煤的开采以及陷落柱防水煤柱的留设会影响下部煤岩的应力应变等状态，下组煤开采同时会影响上部煤层采空区及防水煤柱的稳定性。通过FLAC-3D模拟分析可知：当3#煤层、9#煤层、15#煤层的防水煤柱留设宽度分别为20 m、30 m 、40 m 时，9#煤层的开采不会对3#煤的采空区及防水煤柱造成破坏，15号煤的开采不会对9#煤层的采空区及防水煤柱造成破坏。

(5) 根据模拟结果建议：3#煤层的防水煤柱留设宽度为20 m，9#煤层的防水煤柱留设宽度为30 m，15#煤层留设防水煤柱宽度为40 m。

[1] 李清麟．初始应力的回归与三维拟合[J].岩土工程学报，1998，20(5)：68-7．

[2] 杨林德．岩土工程问题的反演理论与工程实践[M]．北京：科学出版社，1996.

[3] 何满潮．中国煤炭软岩巷道支护理论与实践[M]．徐州：煤炭工业出版社，1998.

[4] 吕爱钟，蒋斌松．岩石力学反问题[M]．北京：煤炭工业出版社，1998.

[5] 赵华安，赵光明，断层下盘留煤柱开采数值模拟[J].煤炭安全，2015(3)：37-40.

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[7] 姜敏，张洪宝，陈飞舟，等，蒋庄煤矿断层附近煤层开采防水煤柱留设分析[J].采矿技术，2012(2)：62-64.

[8] 桂和容．防水煤(岩)柱合理预留的应力分布计算法[M]．北京：煤炭工业出版社，1997.

Research on retaining waterproof pillar of collapse column in multiple colm seam of Chengzhuang Coalmine by the numerical simulation of FLAC3D

LI Xiao-ming,LI Bo,ZHU Qing-wei

(CollegeofSafetyEngineering,NorthChinaInstituteofScienceandTechnology,Yanjiao，101601,China)

Research on retaining waterproof pillar of collapse column KDX74、JDX75、KDX76 running through 3#、9#、15#seam of Chengzhuang Coalmine were studied by using numerical simulation of FLAC-3D.By retaining different width of waterproof coal pillar in the simulation experiments,we found that the plastic yield areas and Collapse column activated region connected under the mined-out area of 3#seam when 15#seam waterproof coal pillar reserved 20 meters in mining 15#coal seam ,3#seam waterproof coal pillar reserved 20 meters and 9#seam waterproof coal pillar reserved 30 meters .it means that the mining of 15#seam will lead to water lnrush from the mined-out area floor of 3#seam,so the width of waterproof coal pillar of 15#coal seam shoud be reserved more then 30 meters.

FLAC-3D；collapse column；numerical smulation；waterproof coal pillars

2016-05-13

中央高校基本科研业务费资助(3142015121,3142015139)

李小明(1970-)，男，山西大同人，博士，华北科技学院安全工程学院副教授，研究方向：矿井水害防治。E-mail：lixm@ncist.edu.cn

TD745

A

1672-7169(2016)04-0043-06