赵庄二号井3#煤层陷落柱防水煤柱数值模拟研究

姚 轲，张珏赟

(华北科技学院安全工程学院，北京东燕郊 101601)

赵庄二号井3#煤层陷落柱防水煤柱数值模拟研究

姚 轲，张珏赟

(华北科技学院安全工程学院，北京东燕郊 101601)

运用FLAC－3D软件对赵庄二号井的DX17陷落柱的防水煤柱进行了数值模拟研究。通过留设不同宽度的保护煤柱，分析煤系煤层周围及陷落柱附近塑性区及最小主应力变化情况，得出了陷落柱防水煤柱的合理留设宽度，3#煤层临近陷落柱开采时，留设70 m的防水煤柱是可靠的。

FLAC－3D;陷落柱;数值模拟;防水煤柱

我国许多煤田的水文地质条件十分复杂，在开采过程中受多种水体的威胁，防水问题一直是煤矿安全生产的一大技术难题，防水煤柱的合理留设，是带压开采至关重要的一个环节，合理的留设防水煤柱是防止地质构造突水的重要措施。通过FLAC－3软件对煤矿陷落柱进行数值模拟，是解决防水煤柱预设问题的重要途径之一。

1 井田陷落柱分布情况

区内主要断层和褶曲的走向多为北北东向;西北部褶曲因受后期构造运动的影响向西偏转成北东东向，经三维地震勘探，井田内和外围共发现陷落柱36个。其中除了X10陷落柱顶面只发育到15#煤层外，在3#煤层中共发育35个陷落柱，其中对3#煤层开采影响较大的陷落柱有DX13、DX16、DX17、DX25、DX35、DX36，本文以DX17陷落柱为研究对象，分析煤层临近陷落柱开采时防水煤柱的留设。

赵庄二号井田位于山西省长治市西南侧，井田南北约2.00 km，东西约7.00 km，面积13.426 km2。

2 防水煤柱的宽度计算

根据《煤矿防治水规定》和《矿井水文地质规程》，回采工作面与强含水层或导水断层对接。煤柱的宽度计算公式为式

式中:L——煤柱留设的宽度，m;

K——安全系数，一般取2～5;

M——煤层厚度或采高，m;

P——水头压力，MPa;

KP——煤的抗张强度，MPa.

由井田勘探地质报告可知，3#煤层采高为5.2 m，水头压力为3.2 MPa，煤的抗拉强度查表可得:KP=2.86 MPa.安全系数取5，经计算可得断层防水煤柱的宽度为24 m。

3 DX17陷落柱防水煤柱的模拟分析

3.1 陷落柱位置及产状

1101巷掘进至1101二号横川拐点坐标东南约8 m，工作面揭露陷落柱DX17，根据现场观测，主要充填物为砂岩、泥岩，大小不一、棱角明显、杂乱无章、泥质胶结，顶板裂隙有2 m3/h淋水。原预计的DX17陷落柱，为两个陷落柱，对另一陷落柱编号为X36。该陷落柱长轴48 m，与1101巷掘进方向基本一致，短轴22m。对1101巷掘进影响很大，局部为半煤岩巷，煤层倾角变化大，有淋水现象，淋水量约0.5～2 m3/h。

3.2 数值模拟分析

3.2.1 模型的建立

根据现场地质条件并考虑边界的影响，建立数值模拟模型(如图1)长(y方向)、宽(x方向)、高(z方向)分别为800 m、500 m、200 m，为消除边界效应，工作面两端各留50 m的边界煤柱，岩石物理力学性质见表1。

图1 数值模拟模型图

表1 岩石物理力学性质

3.2.2 边界条件

(1)应力及边界条件

3#煤层平均垂深约为400 m左右，上覆岩层的平均体积力取27 kN/m3，所以模型内初始地应力应力取10.8kN，模型的左右力学边界为固定水平移动，底板力学边界为固定各个方向的移动，顶部力学边界自由边界。

(2)流体边界

模型的前后左右为不透水边界，含水层顶部为压力水头边界，压力水头按照模拟要求设置，为了模拟符合含水层的富水性，设置模型底部为透水边界，固定水头压力，含水层的初始饱和度设为1，含水层以上的岩石初始饱和度设为0。底层设为各向同性，均匀等效连续介质。

3.2.3 FLAC数值模拟结果

工作面推至距断层不同位置处采场围岩塑性状态和采场围岩垂直应力的分布情况如图2所示。(左侧为采场围岩塑性状态图，右侧为采场围岩垂直应力分布图)

图2 工作面推至距断层不同位置处采场围岩塑性状态和采场围岩垂直应力云图

图2 工作面推至距断层不同位置处采场围岩塑性状态和采场围岩垂直应力云图(续)

图2 工作面推至距断层不同位置处采场围岩塑性状态和采场围岩垂直应力云图(续)

图2 工作面推至距断层不同位置处采场围岩塑性状态和采场围岩垂直应力云图(续)

图2 工作面推至距断层不同位置处采场围岩塑性状态和采场围岩垂直应力云图(续)

如图2 A－1、F－1所示，当工作面距离陷落柱80 m以远时，工作面的开采对陷落柱无明显的影响，当工作面推至距陷落柱60m～70m时，3#煤层顶板的直接顶和基本顶主要以细砂岩、粉砂岩为主，无明显的塑性破坏，但其顶板上方20 m以上泥岩、灰岩开始发生塑性破坏，主要以剪切破坏为主，但破坏区域与陷落柱尚不完全导通;当工作面推至距陷落柱50 m时，3#煤层工作面顶底板右上角和右下角的塑性破坏范围明显增大，但破坏范围尚未与陷落柱导通;当工作面距陷落柱40 m时，采空区底板下方塑性破坏区域与陷落柱活化区域导通，此时3#煤底板有突水危险，因此建议DX17陷落柱的3#煤层防水煤柱宽度不小于50 m，取70 m。

由图2 A－2、F－2可以看出，随着3#煤层的开采，采空区底板处于应力降低区，而在陷落柱侧留设的防水煤柱内的垂直应力峰值较大;当工作面推至距陷落柱90 m时，其防水煤柱内的垂直应力峰值约为19.08 MPa，当工作面推至距陷落柱80 m时，其防水煤柱内的垂直应力峰值约为27.9 MPa;当工作面推至距陷落柱50 m时，防水煤柱内的垂直应力峰值约为40 MPa。其后，煤柱内的垂直应力基本稳定。

围岩破坏的主要形式有拉伸破坏和剪切破坏，如图3所示，即由于采空区顶板覆岩的跨落，上覆岩层向下移动，在采空边缘位置处的老顶发生回转，导致采空区左上方和右上方顶板的剪应力相对集中，其最大剪应力约为9.7 MPa，超过岩体的抗剪强度，即剪切破坏时采动顶底板破坏的主要形式。

图3 工作面剪应力分析云图

4 结论

(1)根据对 DX17的模拟分析可知:建议DX17陷落柱的3#煤层防水煤柱宽度不小于50 m，取70 m。

(2)当工作面推至距陷落柱50 m时，防水煤柱内的垂直应力峰值约为40 MPa。其后，煤柱内的垂直应力基本稳定。

(3)在工作面开采前应加强探测，在工作面回采时应加强超前探水，当工作面用水异常或有突水危险时，采用注浆加固堵水等措施进行加固、堵水，先治理后开采。

［1］ 唐东旗，侯江涛.任楼煤矿F3－F4断层间块段留设防水煤柱开采数值模拟［J］.资源环境与工程，2006(5)，553－556.

［2］ 黄墩杰.82采区F高长营断层防水煤柱留设研究［J］.现代矿业，2012(12)，71－73.

［3］ 施龙青，韩进，刘同彬，等.采场底板断层防水煤柱留设研究［J］.岩石力学与工程学报，2005(24)，5585－5590.

［4］ 许进鹏，张乃宏，童世杰，等.陷落柱防水煤柱留设的探讨［J］.煤炭科技，2002(3)，7－8.

［5］ 尹尚先.陷落柱防水煤柱留设对围岩变形影响的数值模拟［J］.煤炭学报，2006，31(2):179－182.

［6］ 邓虎，田建良，唐骏.承压水上开采防水煤柱临界宽度研究［J］.能源技术与管理，2010(6):8－10.

Numerical Simulation Study on the Waterproof Coal Pillars of Collapse pile at 3#Coal Seam in the Zhaozhuang II Mine Shaft

YAO Ke，ZHANG Jue－yun

(College of Safety Engineering，North China Institute of Science and Technology，Yanjiao，101601，China)

The waterproof coal of the DX17 Collapse pile in Zhaozhuang II Mine Shaft were studied by numerical simulation adopting FLAC－3D software.By leaving coal pillars with different width，the changing of the plastic zone and the smallest main stress around the coal seam and near the collapse pile was analysed and the coal pillars'rational leaving width was obtained，it's reliable to leave waterproof coal pillars of 70m in width at the mining of collapse pile neav 3#coal seam.

FLAC－3D;Collapse pile;numerical simulation;waterproof coal pillars

TD822

A

1672－7169(2016)06－0012－08

2016－09－16

中央高校基本科研业务费资助项目(3142015131，3142015133)

姚轲(1991－)，男，湖北黄冈人，华北科技学院在读硕士研究生，研究方向:安全工程。E－mail:522476158@qq.com