斷層防水煤柱留設計算研究綜述

王天皓 魯海峰

（安徽理工大學，安徽 淮南 232000）

0 引言

在煤礦安全生產中，礦井突水是十分常見的問題。研究以往突水事故資料可知，絕大多數事故的發(fā)生都與斷層相關［1-2］。留設一定寬度的斷層防水煤柱是礦井生產實踐中應用較多的避免突水事故發(fā)生的方法。煤柱一方面可以起到阻隔斷層水直接涌入工作面的作用，另一方面可以達到避免開采擾動影響斷層使其活化的效果。但留設過長，難免會造成資源浪費；若留設過短，則無法保證起到應有的保護作用。此外，由于我國淺部煤層資源銳減，大量礦井轉而向深部煤層開采，隨著開采強度和深度的增加，煤層開采的地質構造趨于復雜，在這樣的情況下，留設安全且合理的斷層防水煤柱顯得尤為重要。

1 斷層防水煤柱留設基本原則

為科學合理地留設防水煤柱，保證井下施工人員的安全，提高資源利用率，必須遵守下列原則［3-4］：①在有發(fā)生突水水害的可能，但又不適合疏放的工作區(qū)，必須留設防水煤柱。②留設的防水煤柱必須與工作區(qū)所在地點的水文地質條件、圍巖的物性參數等自然因素緊密結合，更要與采煤方法、開采強度等人為因素相適應。③若要將兩種或兩種以上的煤柱設計在同一地點，各煤柱應同時滿足所需條件。

2 斷層防水煤柱計算方法

防水煤柱尺寸的計算方法有多種，包括理論公式計算、數值模擬方法和相似模擬試驗。

2.1 理論公式計算

當斷層為導水或含水斷層時［3］，計算如下。

①當煤層位于上盤時，順層防水煤柱寬度計算公式見式（1）。

式中：L為煤柱寬度，m；M為煤層厚度，m；KP為煤層抗張強度，MPa；P為煤柱所受靜水壓力，MPa；K為安全系數。

②當煤層與斷層夾角小于15°時，應將發(fā)生底板突水的可能性考慮在內。此時底板防水煤柱的寬度計算公式見式（2）。

式中：H安為安全防水煤柱厚度，m；P為防水巖柱所受的靜水壓力，MPa；T為突水系數，MPa/m。

根據H安計算斷層煤柱寬度公式見式（3）。

式中：θ為煤層與斷層的夾角。

③考慮礦山壓力計算時，將煤壁支撐力分為破碎區(qū)、塑性區(qū)和彈性區(qū)。需要保證破碎區(qū)與塑性區(qū)之和小于防水煤柱留設寬度，且煤柱留設寬度大于承壓水力劈裂極限值。從防治煤壁導水單一因素考慮，煤柱寬度應按照圖1 中L1與L2之和留設。從煤柱底板單一因素入手，留設寬度應大于L，留設寬度應為L''，這樣才可以有效控制底板突水。煤柱留設寬度公式見式（4）和式（5）［4］。

圖1 防水煤柱應力分析

式中：L'為煤壁導水單一因素下的留設寬度；L1為計算出的煤壁破碎區(qū)；L2為計算出的煤壁塑性區(qū)。

式中：L''為煤柱底部突水單一因素下的留設寬度；θ為斷層傾角。

2.2 數值模擬計算

斷層防水煤柱留設寬度可借助FLAC3D、MATLAB、ANSYS等模擬軟件［5］進行計算。

FLAC3D軟件可用來計算三維巖土體及結構在工程中的應力應變情況［6］，對煤層沉陷、變形等工程問題使用FLAC3D軟件進行模擬分析是可行的。

在斷層防水煤柱留設中，使用MATLAB 軟件編制程序，運用有限元分析法，簡化復雜運算。

ANSYS 軟件［7］是以有限元分析為基礎的軟件，ANSYS軟件能提供多種分析類型，除此之外還有方便使用者設計的參數化設計語言和產品優(yōu)化設計等附加功能。

2.3 相似模擬試驗

確定斷層防水煤柱留設時，在相似模擬試驗中可人為對試驗條件進行操控，以此推斷單一因素或多重因素對防水煤柱留設的影響規(guī)律，且能對影響因素進行多次觀測探究。這種試驗周期短，并能得到清晰明了的結果［8］。

3 斷層防水煤柱計算研究進展

3.1 理論計算研究

目前，斷層防水煤柱留設理論計算主要方法有彈性力學法、彈塑性理論法、材料力學法等，本研究主要按照是否考慮礦山壓力因素進行區(qū)別?？紤]礦山壓力因素方面，劉洋、施龍青等［9-10］首先對煤柱在礦壓和斷層構造應力作用下的物性狀態(tài)進行分析，將斷層防水煤柱進行分區(qū)，得到不同傾角情況下較為合理的斷層防水煤柱寬度計算公式。董永等［11］通過分析礦山壓力、承壓水劈裂作用和力的作用，進而確定回采鄰近斷層時底板的最大深度和煤壁前方屈服區(qū)寬度等因素，推導出斷層防水煤柱留設的公式。

在未考慮礦山壓力因素方面，徐斌等［12］通過建立力學模型和歸納法選出防水煤柱尺寸計算公式，使得防水煤柱的穩(wěn)定性和隔水性能在深部急傾斜留設時被充分考慮。馮本超等［13］根據正斷層和煤柱相關變化特點，建立了斷層上盤防水煤柱寬度的計算公式，提出主要的影響因素有斷層傾角、煤層開采厚度、煤的抗張強度和開采深度等。靳子棟等［14］將煤層分為深部與淺部煤層，按照斷層導水性的差異采用不同突水系數進行計算，運用材料力學觀點，選取并核算超前距等因素，結合實例提出突水系數按0.1 MPa/m計算。

3.2 數值模擬計算研究

目前，斷層防水煤柱留設數值模擬計算主要包括有限差分法分析軟件及有限元分析軟件等。有限差分法分析軟件方面，李洪恩［15］針對開灤林西礦深部斷層防水煤柱寬度留設問題，結合理論計算與數值模擬確定了斷層防水煤柱寬度，并得到斷層防水煤柱留設受斷層與煤層傾角影響較大的結論。劉晉予、崔芳鵬、孫學陽等［16-18］通過將理論公式計算結果與FLAC3D軟件數值模擬相結合，對工作面進行防水煤柱留設計算，從而證明FLAC3D軟件對承壓含水層斷層突水的分析具有利用價值。戰(zhàn)玉寶等［19］利用FLAC3D軟件，對某礦區(qū)四采二煤層的防水煤柱留設進行流固耦合分析，研究認為相較于不考慮流固耦合時，考慮流固耦合時的塑性范圍較大，但塑性區(qū)發(fā)育形態(tài)大致相同，因此，防水煤柱合理留設時，應考慮流固耦合。

有限元分析軟件方面，王忻［20］以范各莊礦12#煤層導水斷層為研究背景，用F-RFPA2D 軟件對斷層防水煤柱寬度進行模擬計算，研究表明，將理論公式結果與軟件結果結合將更加經濟合理。彭文慶等［21］以摩爾庫倫準則為依據，計算出了突水的斷層傾角臨界值。運用力學理論，綜合考慮防水煤柱自身穩(wěn)定程度以及導水裂隙帶位置、斷層、含水層三者之間關系，推導出不同斷層傾角時防水煤柱寬度計算公式，并在此基礎上運用MATLAB 軟件編程得到具體礦區(qū)的合理防水煤柱留設寬度。盧興利［22］在考慮斷層防水煤柱留設影響因素的情況下，通過有限元分析軟件ANSYS 建立力學模型，系統(tǒng)提出模型的耦合計算方法，并計算出了合理的斷層防水煤柱留設寬度。

3.3 相似模擬試驗計算研究

相似模擬試驗大多通過使用相似材料來搭建模型的方法進行試驗，所以，暫不進行分類。黃凱［23］以龍東煤礦東二采區(qū)邊界斷層F孫為背景，通過相似模擬試驗和經驗公式驗證，確定了此斷層防水煤柱留設寬度應大于50 m。畢堯山等［24］將相似模擬和數值模擬結合運用，確定對應斷層防水煤柱安全寬度。張俊［25］以五溝煤礦F14斷層為例，系統(tǒng)調研斷層附近相關地質資料，結合使用二維固液相似材料試驗與FLAC3D軟件，研究在不同寬度防水煤柱下，斷層破碎帶影響范圍及應力場、滲流場作用下斷層突水機理，綜合斷層防水煤柱理論計算結果，最終確定防水煤柱留設寬度。唐東旗等［26］通過收集任樓礦F3、F4斷層對應地質資料，采用相似模擬試驗和FLAC軟件分別對兩斷層的防水煤柱留設進行研究，將防水煤柱留設寬度進行縮小，有效提高了資源的利用率。

4 結論

合理的斷層防水煤柱寬度對含斷層煤層的安全開采意義重大，許多學者為此付出了巨大的努力，他們主要通過理論計算法、數值模擬方法、相似材料模擬等3 種研究方法對斷層防水煤柱的留設寬度進行確定。使用理論計算法來解決防水煤柱留設問題時存在缺少針對性、考慮因素不全面等問題，但作為常規(guī)防水煤柱計算方法，仍具有一定的可靠性。數值模擬法可通過軟件對煤層破壞進行快速、嚴密的模擬分析，但仍存在一定困難，例如巖體參數的選擇及初始條件的賦予等，這些都會對模擬結果造成影響。相似模擬試驗可以人為對試驗驗條件進行操控，以此推斷單一因素或多重因素對防水煤柱留設的影響規(guī)律，并得到清晰明了的結果，但是由于人為操作的原因也可能帶來一定的誤差。因此，將理論計算與數值模擬方法或相似材料模擬方法相結合，可以在保證安全開采、有效提高資源利用率的前提下更好地確定其寬度。同時，這種方法也將成為今后斷層防水煤柱留設研究的發(fā)展趨勢。