富水区煤柱留设数值模拟研究

范红斌

(山西潞安化工集团 常村煤矿,山西 长治 046102)

研究富水区煤柱的留设宽度对于含水煤矿的开采极为重要。师维刚等[1]通过建模分析,对防水隔离煤重新分区,规范了相关经验参数取值,使得防水煤住设计更加全面,彭文庆等[2]运用各力学理论准导了不同断层倾角的防水煤任宽度计算公式;刘宁平等[3]以实际的矿区为背景利用有限元的方法研究了支护强度与煤柱留设宽度的关系;高晓旭等[4]提供理论分析与计算得到了某矿工作面的煤柱留设宽度,并投入了实际工程应用,提高了回采率;张金贵等[5]研究了不同宽度下煤柱的受力变形特征,确定了合理的煤柱宽度,并进行了工程验证。

本文采用二维有限差分的数值方法,以某矿区工程地质及水文地质条件为依据,建立数值模拟模型,分析了开采过程中的6个主要破坏阶段,确定了留设煤柱的宽度和最终开采布局。

1 煤矿水文地质参数

根据某矿的水文地质资料获得断层力学参数、岩体水力学参数分别如表1、表2所示。

表1 断层力学参数

表2 岩体水力学参数

2 基于FLAC2D的数值模拟模型的建立

2.1 二维有限差分模型

设计平面应变二维模型高1 240 m,宽2 354 m,计算单元的规格为10～30 m.模型两侧限制水平方向移动,模型底边限制水平方向和垂直方向移动,具体模型如图1所示。

图1 二维计算模型图

本计算中的岩体采用理想弹塑性本构模型Mohr-Coulomb屈服准则描述:

(1)

式中:σ1、σ3分别是最大和最小主应力,MPa;c、φ分别是粘结力和摩擦角,°.

当fs>0时,材料将发生剪切破坏。在通常应力状态下,岩体的抗拉强度很低,因此可根据抗拉强度准则(σ3≥σT)判断岩体是否产生拉破坏。

2.2 数值模拟结果

为了解算最佳防水煤柱的宽度,从断层开始上行开采,直至采到基岩不整合面,从而可以划分上覆岩体破断阶段。根据计算结果,可以得到开采过程中覆岩的典型破坏阶段,如表3所示。覆岩及主要隔水层在不同推进阶段的破坏场如图2所示。留置安全防水煤柱是为了使上覆岩层的破坏不要与第四系沟通,尤其不要出现拉破坏沟通,防止水以倾灌的方式进入工作面,造成涌水危害。在上行开采推进的各个过程中,当推进760 m时,即煤柱140 m,基岩不整合面的破坏区域与第四系沟通。当推进完毕后,整个第四系与基岩侵蚀面完全拉断。为了安全起见,选取防水煤柱宽度为150 m.

图2 开采覆岩阶段破坏场图

表3 开采覆岩典型破坏阶段

接下来进行区间煤柱设计,分别取的煤柱宽度40 m,20 m进行数值模拟,结果如图3所示,发现当煤柱20 m 时,破坏场处于临界状态。为了安全起见,取得煤柱宽度40 m.第二工作面开采80 m时第三含水层破坏刚好达到了临界状态,直接取得第二工作面80 m。第二工作面与第三工作面间设不同煤岩破坏情况如图4所示,最终取得区间煤柱40 m.之后的工作面设计及区间煤柱的设计采取类似的方法。最终确定区间煤柱的宽度为40 m,工作面宽度为80 m.最终的开采布局如图5所示。

图3 不同开采距离覆岩破坏场图

图4 不同煤柱宽度覆岩破坏图

图5 最终开采布局示意

工作面开采涌水量渗流迹线如图6所示,第二工作面开采,即距离第四系不整合面 350 m时涌水量为590.7 m3/h.

图6 工作面开采渗流迹线

3 结 语

本文采用二维有限差分的数值方法,以某矿区工程地质及水文地质条件为依据,建立相似模型及数值模拟模型,分析了开采过程中顶板及覆岩的裂隙发育规律和6个主要破坏阶段,得到结论如下:

1) 由于开采扰动,第1隔水层最先被拉断,其次第2隔水层发生区域性破断。第3隔水层的破坏不是连续的,而是采动310 m时,远第四系一端最先发生破坏;采动350 m时,近第四系一端而后产生拉断,最终第3隔水层连通(采动460 m)会造成工作面涌水激增。

2) 开采的过程中,覆岩的破坏以剪切破坏为主,而主要隔水层的破坏以拉破坏为主。在推进过程中第四系地表始终存在拉破坏区域,剪切破坏的区域逐渐扩大直至与基岩连通。不整合面的破坏场逐渐发育,随开采推进破坏由剪切破坏逐渐向拉破坏转变,直至接触面上大范围的拉裂。

3) 根据覆岩破坏情况与第四系的关系,确定了近第四系煤柱的留设宽度150 m,进一步分析了不同工作面尺寸和区间煤柱宽度对覆岩破坏的影响。确定了工作面参数为:开采工作面 80 m再设40 m 区段煤柱。