基于FLAC-3D的成莊礦多煤層陷落柱防水煤柱留設(shè)研究

李小明，李 博，朱慶偉

(華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院,北京 東燕郊 101601)

基于FLAC-3D的成莊礦多煤層陷落柱防水煤柱留設(shè)研究

李小明，李 博，朱慶偉

(華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院,北京 東燕郊 101601)

運用FLAC-3D模擬軟件對成莊礦內(nèi)貫穿3#、9#、15#煤層的KDX74、JDX75、KDX76陷落柱的防水煤柱預(yù)留情況進行數(shù)值模擬。通過分別留設(shè)不同寬度的防水煤柱進行模擬實驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)3#煤層防水煤柱留設(shè)20 m，9#煤層防水煤柱留設(shè)30 m，開采15#煤層時，當(dāng)15#煤防水煤柱為20 m時，3#煤層采空區(qū)下方塑性破壞區(qū)域與陷落柱活化區(qū)域?qū)?，表?5#煤層的開采可能導(dǎo)致3#煤層采空區(qū)底板突水，故15#煤防水煤柱寬度不應(yīng)小于30 m。

FLAC-3D;陷落柱;數(shù)值模擬;防水煤柱

0 引言

突水是煤礦安全生產(chǎn)的重大災(zāi)害之一，也是煤炭安全開采的一大難題[1]。巖溶陷落柱是我國華北型石炭二疊系煤田的一種特殊地質(zhì)構(gòu)造，廣泛分布于華北和兩淮等地的煤田及礦區(qū)。在開采過程中，雖然揭露的陷落柱大部分不會發(fā)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]。在采煤過程中，開采引起的擾動會使巖體內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)發(fā)生變化，在礦山壓力和采動破壞的共同作用下會影響陷落柱的導(dǎo)水性，有時甚至?xí)纬蓪?dǎo)水通道，引起突水[5-7]。防水煤(巖)柱的留設(shè)是煤礦防治水工作的重要內(nèi)容，它的作用是使地表水、地下水或老窯水與作業(yè)場地隔離，同時也能保護某些水體或避免產(chǎn)生不良的環(huán)境災(zāi)害和工程地質(zhì)問題，因此在開采煤層時留設(shè)尺寸合理的放水煤(巖)柱是必要的[8]。本文通過運用FLAC-3D軟件對成莊礦貫穿3#、9#、15#煤的巖溶陷落柱的防水煤柱留設(shè)問題進行模擬，結(jié)果表明：為防止15#煤開采引起3#煤采空區(qū)底板突水，3#煤需留設(shè)20m的防水煤柱，9#煤需留設(shè)30m的防水煤柱，15#煤需留設(shè)30m的防水煤柱。

1 主要可采煤層

各主要可采煤層情況詳見表1。

表1 各主要可采煤層情況一覽

2 陷落柱含水性概況

KDX74陷落柱：物探顯示該陷落柱區(qū)域均呈現(xiàn)出低阻異常，地震波相應(yīng)特征反映該處有構(gòu)造異常，推測KDX74陷落柱導(dǎo)通山西組砂巖含水層，含水性較強。KDX75陷落柱：依據(jù)各物探方法的電阻率變化趨勢和地震波相應(yīng)特征，推測該陷落柱含水性較差。KDX76陷落柱：該陷落柱區(qū)域均呈現(xiàn)出中高視電阻率形態(tài)，推測該區(qū)域含水性較差。根據(jù)綜合物探勘探結(jié)果推測陷落柱KDX74、JDX75、KDX76含水性為：9#煤頂界面及15#煤頂界面水平截面反映出陷落柱附近區(qū)域視電阻率值偏低，地應(yīng)力值也較低，推測其含水性程度可能相對較高。

3 KDX74、JDX75、KDX76陷落柱防水煤柱模擬研究分析

3.1 模型建立

KDX74、JDX75、KDX76陷落柱模型，采用莫爾-庫倫材料本構(gòu)模型，建立的數(shù)值模型，如圖2，長(y方向)寬(x方向)高(z方向)分別為400 m、200 m、200 m，模型頂部施加上覆巖層自重應(yīng)力。KDX74、JDX75、KDX76陷落柱區(qū)域奧灰水水位標(biāo)高為+510 m，在斷層帶附近15#煤層標(biāo)高約為366 m，因此奧灰水水位高于15#煤層約144.5 m左右，模型奧灰?guī)r厚度為28 m，由液體壓力公式p=ρgh計算得，模型底部需加載水壓1.72 MPa。巖石物理力學(xué)性質(zhì)如表2所示，建立計算模型如圖1所示：

表2 巖石物理力學(xué)性質(zhì)

續(xù)表

圖1 三維計算模型圖

3.2 KDX74、JDX75、KDX76陷落柱模擬結(jié)果分析

KDX74、JDX75、KDX76陷落柱位置相近，三維地震解譯的主采煤層的水平截面積相似，物探解釋含水性基本相同，故將其作為一個計算模型進行分析參考。本次選KDX74進行數(shù)值模擬。

3.2.1 開采3#煤層防水煤柱留設(shè)研究

3號煤層位于山西組下部，沉積穩(wěn)定，上距砂巖層34.80 m左右，下距砂巖層頂面6.12 m左右，下距9號煤層44.82 m左右。厚4.30 m～7.68 m，平均6.44 m左右。煤層頂板多為粉砂巖，少數(shù)為泥巖，底板多為泥巖，少數(shù)為粉砂巖。防水煤柱留設(shè)不同厚度時采場及陷落柱圍巖塑性狀態(tài)如圖2。

圖2 3#煤層不同防水煤柱塑性狀態(tài)圖

陷落柱KDX74長軸為103 m，該類型的陷落柱主要應(yīng)防止陷落柱活化突水，通過比較不同防水煤柱塑性狀態(tài)可知，隨著煤柱寬度的減小，3#煤采空區(qū)頂?shù)装逅苄苑秶S之增大，當(dāng)防水煤柱寬度大于20 m時，3#煤工作面前方頂?shù)装逅苄云茐膮^(qū)域與陷落柱活化區(qū)域尚未導(dǎo)通，當(dāng)防水煤柱寬度為10 m時，3#煤工作面頂?shù)装逅苄云茐膮^(qū)域與陷落柱導(dǎo)通，因此3#煤層的防水煤柱不應(yīng)小于10 m。防水煤柱留設(shè)不同厚度時采場及陷落柱圍巖垂直應(yīng)力的分布情況如圖3。

留設(shè)不同煤柱時采場圍巖的應(yīng)力分布如圖4所示。3#煤層處的原巖應(yīng)力約為10.8 MPa，由于工作面的開采，應(yīng)力向周邊圍巖轉(zhuǎn)移，工作面周邊為應(yīng)力升高區(qū)，防水煤柱內(nèi)的垂直應(yīng)力隨著煤柱寬度的減小而增加，50 m煤柱內(nèi)的最大垂直應(yīng)力為23.15 MPa，20 m防水煤柱內(nèi)的最大垂直應(yīng)力為33.98 MPa，表明隨著煤柱尺寸的減小，其煤柱內(nèi)的垂直應(yīng)力隨之增大，即煤柱越小越不利于煤柱的穩(wěn)定。

圖3 3#煤層不同防水煤柱垂直應(yīng)力分布狀態(tài)圖

3.2.2 開采9#煤層防水煤柱留設(shè)研究

9#煤層位于太原組中部,頂?shù)装褰詾榉凵皫r，局部為泥巖 ,下距15號煤層38.78 m左右，沉積較穩(wěn)定。防水煤柱留設(shè)不同厚度時采場及陷落柱圍巖塑性狀態(tài)如圖4。

圖4 9#煤層不同防水煤柱塑性狀態(tài)圖

當(dāng)3#煤留設(shè)20 m防水煤柱開采9#煤層，防水煤柱大于20 m時，如圖5A、B、C所示，采場的塑性破壞區(qū)與陷落柱活化區(qū)域尚未導(dǎo)通，表明此時煤柱仍處于安全狀態(tài)；當(dāng)防水煤柱為20 m時，如圖5D所示，在9#煤層前方頂板與陷落柱邊緣裂隙導(dǎo)通，可能形成導(dǎo)水通道。因此KDX74陷落柱留設(shè)防水煤柱寬度不小于20 m。開采9#煤層圍巖應(yīng)力狀態(tài)如圖5。

由圖6所示，由于3#煤層的開采，3#煤層的底板處于應(yīng)力降低區(qū)，但9#煤層的開采又會對3#煤層圍巖產(chǎn)生影響，如圖所示，開采3#煤層時煤柱內(nèi)最大垂直應(yīng)力為33.98 MPa，而當(dāng)開采9#煤層后，煤柱內(nèi)的應(yīng)力增大至36.93 MPa，且煤柱內(nèi)的垂直應(yīng)力隨著煤柱寬度的減小而增大，當(dāng)煤柱減小到20 m時，其垂直應(yīng)力增至37.75 MPa。

3.2.3 開采15#煤層防水煤柱留設(shè)研究

15#煤層位于太原組下部，厚2.17 m～5.20 m，平均3.73 m，一般在3.00 m以上，其厚度變異系數(shù)(γ)為16%,可采性指數(shù)(km)為1，屬全區(qū)穩(wěn)定的主要可采煤層。頂板為石灰?guī)r,個別地段為泥巖,底板為泥巖,局部為粉砂巖。開采15#煤圍巖塑性狀態(tài)如圖6。

圖6 15#煤層不同防水煤柱塑性狀態(tài)圖

3#煤防水煤柱留20 m，9#煤防水煤柱留30 m，開采15#煤時，當(dāng)防水煤柱大于20 m時，如圖7A、B、C所示采場的塑性破壞區(qū)與陷落柱活化區(qū)域尚未導(dǎo)通，表明此時煤柱仍處于安全狀態(tài)；當(dāng)防水煤柱為20 m時，如圖7D所示，在9#煤采空區(qū)頂板與陷落柱邊緣裂隙導(dǎo)通，可能形成導(dǎo)水通道，因此建議KDX74陷落柱留設(shè)防水煤柱寬度不小于30 m。開采15#煤層圍巖應(yīng)力狀態(tài)如圖7。

由圖8所示，由于3#煤層和9#煤層的開采，3#煤層的底板處于應(yīng)力降低區(qū)，因此15#煤層圍巖的應(yīng)力相對較低，有利于圍巖的穩(wěn)定，但15#煤層的開采又會對3#煤層圍巖產(chǎn)生影響，如圖所示，開采3#煤層和9#煤層時煤柱內(nèi)最大垂直應(yīng)力為37.32，而當(dāng)開采15#煤層后，當(dāng)煤柱減小到20 m時，其垂直應(yīng)力增至39.99 MPa。

圖7 15#煤層不同防水煤柱垂直應(yīng)力圖

4 結(jié)論

(1) 隨著防水煤柱寬度的減小，3#煤采空區(qū)頂?shù)装逅苄苑秶S之增大，當(dāng)防水煤柱寬度大于20 m時，3#煤工作面前方頂?shù)装逅苄云茐膮^(qū)域與陷落柱活化區(qū)域尚未導(dǎo)通，當(dāng)防水煤柱寬度為10 m時，3#煤工作面頂?shù)装逅苄云茐膮^(qū)域與陷落柱導(dǎo)通。

(2) 當(dāng)防水煤柱為20 m時，在9#煤層前方頂板與陷落柱邊緣裂隙導(dǎo)通，形成導(dǎo)水通道。因此KDX74陷落柱9#煤層留設(shè)防水煤柱寬度不小于20 m。

(3) 3#煤層防水煤柱留20 m，9#煤層防水煤柱留30 m，開采15#煤層時，當(dāng)防水煤柱大于20 m時，采場的塑性破壞區(qū)與陷落柱活化區(qū)域尚未導(dǎo)通，表明此時煤柱仍處于安全狀態(tài)；當(dāng)15#煤層防水煤柱為20 m時，在3#煤層采空區(qū)底板與陷落柱邊緣裂隙導(dǎo)通，可能形成導(dǎo)水通道，因此建議KDX74陷落柱15#煤層留設(shè)防水煤柱寬度不小于30 m。

(4) 上層煤的開采以及陷落柱防水煤柱的留設(shè)會影響下部煤巖的應(yīng)力應(yīng)變等狀態(tài)，下組煤開采同時會影響上部煤層采空區(qū)及防水煤柱的穩(wěn)定性。通過FLAC-3D模擬分析可知：當(dāng)3#煤層、9#煤層、15#煤層的防水煤柱留設(shè)寬度分別為20 m、30 m 、40 m 時，9#煤層的開采不會對3#煤的采空區(qū)及防水煤柱造成破壞，15號煤的開采不會對9#煤層的采空區(qū)及防水煤柱造成破壞。

(5) 根據(jù)模擬結(jié)果建議：3#煤層的防水煤柱留設(shè)寬度為20 m，9#煤層的防水煤柱留設(shè)寬度為30 m，15#煤層留設(shè)防水煤柱寬度為40 m。

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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?；究蒲袠I(yè)務(wù)費資助(3142015121,3142015139)

李小明(1970-)，男，山西大同人，博士，華北科技學(xué)院安全工程學(xué)院副教授，研究方向：礦井水害防治。E-mail：lixm@ncist.edu.cn

TD745

A

1672-7169(2016)04-0043-06