采场底板断层防水煤柱留设研究

1、第 24卷 增 2岩石力学与工程学报 Vol.24 Supp.2 2005年 11月 Chinese Journal of Rock Mechanics and EngineeringNov. , 2005 采场底板断层防水煤柱留设研究施龙青 1, 韩 进 1, 2, 刘同彬 3, 景继东 3, 李子林 3(1. 山东科技大学,山东 青岛 266510; 2. 上海大学 机电工程与自动化学院,上海 200072;3. 新汶矿业集团 地质测量处,山东 新汶 271000摘要:采场断层防水煤柱的合理留设关系到煤矿安全较大,其留设不仅要考虑断层本身的性质,还应考虑矿山压 力这个因素。采场附近煤体划分

2、为弹性区和非弹性区,但非弹性区不具有隔水性能。根据采场支承压力的分布特 征,推导出非弹性区范围的计算公式;根据推进方向上采场底板应力分布特征,应用计算机模拟矿山压力高峰应 力在底板中传播的方向,建立采场底板突水的力学模型,得出底板水通道是由断层和被矿山压力破坏的底板岩层 联合组成的结论。其突出的条件为:煤层开采造成的底板破坏深度不小于底板高峰应力线与断层交点的深度。在 此基础上推导出采场断层防水煤柱留设计算公式,并用实例验证该公式的合理性。关键词:采矿工程;采场;断层;防水煤柱;设计中图分类号:TD 82 文献标识码:A 文章编号:1000 6915(2005增 2 5585 06STUDY

3、ON DESIGN OF SAFETY PILLAR AGAINST WATER-INRUSH THROUGH STOPE SILL FAULTSSHI Long-qing1, HAN Jin1, 2, LIU Tong-bin3, JING Ji-dong3, LI Zi-lin3(1. Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266510, China ;2. College of Mechatronics Engineering and Automation, Shanghai University, Shanghai

4、 200072, China ;3. Office of Geology and Survey, Xinwen Mining Group, Xinwen 271000, China Abstract :The rational design of safety pillar against water-inrush through stope sill faults is very important to the safety of coal mines. The characteristics of faults and the underground pressure are consi

5、dered in the design. The coal body around mining area can be divided into two parts:the elastic area and the non-elastic area, where the latter does not have water-resisting function. The formulas to calculate the range of non-elastic area are deduced according to supporting pressure distribution ch

6、aracteristics. Based on the floor stress distribution characteristics in the direction of face advance, the developing direction of peak stress for underground pressure in floor is simulated and the mechanical models of water-inrush from floor are constructed. The results show that the passageway of

7、 water-inrush from floor consists of fault and broken floor strata caused by underground pressure. The condition of water-inrush from floor is that the depth of broken floor strata, caused by underground pressure, is not less than that of the join of peak stress line of underground pressure in floor

8、 with the fault. The formulas to design safe pillar against water-inrush from faults are achieved according to above results and a case study shows that the formula is reasonable.Key words:mining engineering; stope sill; fault ; safety pillar against water-inrush; design收稿日期:2004 02 15; 修回日期:2004 12

9、 08基金项目:国家自然科学基金资助项目 (50374044;山东省优秀中青年科学家科研奖励基金项目 (2004BS08004作者简介:施龙青 (1964 ,男,博士 (博士后 , 1999年于山东科技大学采矿工程专业获博士学位,现任教授,主要从事矿井水害及地质工程方面的 教学与研究工作。 E-mail :shilongqing。 5586 岩石力学与工程学报 2005年 1 引 言目前,断层按照其导水性可划分为导水断层和 不导水断层 1,无论是导水断层还是不导水断层, 现场一般都要求留设断层防水煤柱。现场对采场底 板断层防水煤柱留设没有统一的标准,有的根据断 层的落差,人为制定留设断层防水煤

10、柱的标准;有 的根据储量计算及要求留设断层防水煤柱;有的根 据一些规程规定留设断层防水煤柱 1;有的则是根 据经验公式留设断层防水煤柱。所有这些留设断层 防水煤柱的方法,只考虑断层本身的性质和特征, 而没考虑采场矿山压力这个因素。本文认为,采场 底板断层的突水不应仅仅被看成地质及水文地质现 象的一种表现,而应同时被看成矿山压力显现的一 种特殊表现形式 2。因此,在研究采场底板断层防 水煤柱时,必须考虑矿山压力这个因素。2 采场支承压力的分布特征采场附近煤体上的支承压力往往超过其极限强 度,在煤壁附近形成非弹性区。按照弹塑性软化模 型,分别处于弹性、软化和流动的区域相应地称为 弹性区、塑性区、破

11、碎区 3, 4,如图 1所示。 破碎区; 塑性区; 弹性区图 1 工作面前方煤体变形区域Fig.1 Deformational areas of coal body ahead working face非弹性区包括破碎区和塑性区,其范围 x g 为= 1(1ln 12*c c / (2*c 1g s l P x (1a其中,=sin 1cos 222c max 021c s H K P fk S M h fk p t p(1b式中:f 为岩层与顶底板之间的摩擦系数, h 为煤层厚度, 为煤体的内摩擦角, *c 为单轴压缩时的残余强度, P 为最大支承压力, K max 为峰值应力集中 系数,

12、为上覆岩层的容重, H 为煤层采深, c 为煤体的粘聚力。塑性区 x 2范围为(*c c t02=s S M h x (2 式中:M 0为煤体塑性软化模量,且 , 00tan =M0为煤体塑性软化角; t S 为塑性区煤体应变梯度,且 tan t =S , 为塑性区煤层顶底板变形角之和。破碎区 x 1范围为2g 1x x x = (33 推进方向上采场底板应力分布特征利用 2D 有限元程序分析采场底板应力分布特征。在工作面中部沿推进方向作一剖面,按平 面应变状态建立工作面前后方 70 m、煤层下方 60 m范围的底板岩体,其采深为 300 m,使用支承压力 等效。底板弹性参数 E = 104

13、MPa , = 0.25,岩体 容重 = 25 kN/m3, 均质层状岩体, 侧向水平方向固 定,底板垂向固定。采场底板垂直应力的分布具有以下特征 (如图 2所示 :(1 底板中垂直应力的大小受到煤体支承压力 的控制,支承压力大的部位,对应底板中的垂直应 力也大;支承压力小的部位,对应底板中的垂直应 力亦小,但两者不存在正比关系。(2 底板中应力等值线的分布具有“泡形”特 征。(3 垂直应力随底板深度的增加而减小,其峰 值按负指数规律衰减。(4 底板中高峰应力线不是一条以支承压力高第 24卷 增 2 施龙青等 . 采场底板断层防水煤柱留设研究 5587 注 :垂直应力分布 r /( h图 2

14、底板垂直应力等值线Fig.2 Contour of floor vertical stress峰位置为起点的垂直向下的直线,而是一条深入煤体前方的斜线。底板中水平应力因受垂直应力的集中和卸压的影响,也出现应力升高和降低的现象。从有限元分析可看出, 在煤体下方的浅部, 水平应力相对集中,深部卸压;而在采空区下方,浅部卸压,深部相对集中 (如图 3所示 。注 :水平应力分布 x /( h , = 1/3图 3 底板水平应力等值线Fig.3 Contour of floor horizontal stress底板中的剪应力在原岩应力区为 0,但由于受采动的影响,在煤壁附近的底板中,剪应力有一个增加区

15、 (如图 4所示 。平均应力分布 (xy / h图 4 底板剪应力等值线Fig.4 Contour of floor shear stress根据采场底板中应力分布特征及对底板的破坏情况,底板岩层的活动情况可以划分出如图 5所示 的几个区。这种分区对突水机理具有很重要的意义, 例如位于 I , II 的底板岩层因尚未被采场支承压力而 破坏, 具有原始的隔水能力, 而 III , IV 的底板岩石 因遭受破坏,其隔水能力大大受到损伤。I 原始应力区; II 应力升高区 (压缩区 ; III 应力降低区 (膨胀区 ; IV 应力恢复区 (重新压缩区 ; A 拉伸破裂区; B 层面滑移区; C 软弱

16、岩层剪破裂区; a 1, a 2, a 3 原岩应力等值线; b 高峰应力传播线; c 危险剪切破坏线; 1 原岩应力传播角 , 10°20° 高峰应力传 播角, 20°25° 2 危险剪切破坏方向与法线夹角 , 20°25°图 5 底板活动全貌Fig.5 Full view of floor action4 断层突水条件如图 6所示,煤壁到断层的距离为 a ,高峰应 力传播角为 ,其与倾角为 的断层交于 A 点, z 为 交点距煤层底的深度。以 A 为顶点,弹性区煤层长度 x3为底的三角形面积 S 为90sin(290sin(sin

17、21233+=oxzxS (4图 6 断层突水机理分析图Fig.6 Mechanical figure of water-inrush from fault 又 5588 岩石力学与工程学报 2005年g 3x a x = (5将式 (5代入式 (4,得 (cos(cos sin cos(cos sin g 3x a x z = (6沿底板高峰应力线的倾向方向,支承压力由峰 值状态向原始应力状态过渡,相应地煤层底板由压 缩状态向原岩状态过渡。受到支承压力峰值压缩的 底板一旦遭到破坏,支承压力峰值就会向深部移动, 即离煤壁更远,相应地底板高峰应力线也向深部移 动。因此,未遭受支承压力峰值压缩的底

18、板不会破 坏,从而在底板高峰应力线与断层之间的底板岩层 仍具有原始的隔水性能。沿底板高峰应力线的倾向相反的方向,即向采 空区方向, 支承压力由峰值状态向低应力状态过渡, 相应地煤层底板由压缩状态向膨胀状态过渡。因这 部分的煤层底板都已遭受过支承压力峰值的破坏, 所以丧失原始的隔水性能,有可能成为导水通道。综上所述,底板通过断层构成的突水通道产生 突水的条件为:煤层开采造成的底板破坏深度 h 不 小于底板高峰应力线与断层交点的深度 z ,即h z (75 采场断层防水煤柱留设宽度计算根据式 (6, (7, 可得出采场断层防水煤柱留设 宽度计算公式。式 (7是采场底板水通过断层突出的 条件,所以,

19、采场底板水不突出的条件为z >h (8将式 (6代入式 (8, 得采场断层防水煤柱留设宽 度计算公式为g cos sin cos(x h a +>(9式中:g x h , , 为煤柱设计的重要参数, 而 g x 可根 据式 (1获得, 为采场底板高峰应力线同岩层法线 方向的夹角。大量的现场实测资料、相似材料模拟试验及有 限元分析和文 5表明, 值一般为 21°25°。 h 为矿 山压力对采场底板的破坏深度,该数值可以从四方 面获得:一是理论计算 6; 二是数值模拟 7, 8, 三是经验公式;四是现场实测。其中现场较普遍采用的 是经验公式和现场实测的结果,因此对这

20、两种方法 作一简介。经验公式种类较多,根据全国主要矿区工作面参数与底板破坏深度的关系,给出如下的经验公 式 9:+=8044. 011009. 0H h+24ln 1929. 73311. 0 L f (10式中:H 为采深, 为煤层的倾角, L 为工作面斜长, f 为采场底板岩层坚固性系数。由式 (10可知,矿山压力对采场底板破坏深度 随采深、岩层倾角、工作面斜长的增加而增加,随 坚固性系数的增加而减少。目前现场实测采场底板破坏深度的方法主要采 用钻孔注 (放 水观测法,其工作原理是在工作面开 采之前,向采场底板岩层中钻一定深度的钻孔,在 工作面推进过程中要通过注 (放 水观测钻孔。在工 作

21、面推过前后, 观测钻孔注 (放 水量的变化, 注 (放 水量的变化即是底板岩层渗透性或裂隙状况的变 化,由此判断底板岩层在矿山压力作用下的破坏情 况。图 7是由山东科技大学孙振鹏发明的钻孔注 (放 水测漏设备原理示意图。尽管岩溶地层的分布面积占世界大陆面积的四 分之一,但由于地质条件及煤层赋存状态的差异性, 世界上一些产煤大国, 如美国、 加拿大、 澳大利亚、 德国、英国等,一般都不存在煤矿开采过程中的底 板突水问题。只有在匈牙利、波兰、原南斯拉夫、 西班牙等国,煤矿开发中都不同程度地受到底板 岩溶水的影响 1,国外学者对断层防水煤柱的研 究注重于断层的形成机理及对岩层的力学性质影 响 101

22、3。因此,我国在断层防水煤柱研究方面比较深入。6 陶阳矿中一井 9901工作面突水事故分析6.1 突水经过9901工作面位于陶阳矿东翼 9900采区上山,开采 9煤层。走向长为 180 m,斜长约 60 m,煤厚 1.32 m。采用走向长壁法开采,回采标高 -8.4+15 m。 1971 年 10月开始回采,推进 5 m时,工作面有渗水约 2 m3/h,到 10月 11日当晚推进 11 m时, 工作面后发生底臌突水, 初始水量为 240 m3/h, 到 24时增大到 400 m3/h; 10月 12日早 7时涌水量 达 785 m3/h,淹没 9900采区下山,最终淹没 9900采区。在注浆堵

23、水过程中,最大水量 1 083 m3/h。 突水点地质构造概况见图 8。第 24卷 增 2 施龙青等 . 采场底板断层防水煤柱留设研究 5589 图 7 钻孔双端封堵测漏原理图Fig.7 Principle of drilling hole for tracking down leakage图 8 陶阳矿 9901工作面突水点平面示意图Fig.8 Water-inrush plan view of 9901 working face in Taoyang coal mine6.2 突水原因这是一起具有回采影响沟通断层型突水特征和 底板破坏型特征的突水事故。 F 东 8断层落差 8 m, 倾角

24、60°,具有较宽的断层破坏碎带,表现在其上 盘发育有附生小断层。 F 东 8断层并不是一条很大的断层,断层带宽度一般不会很大,而在该区域断 层带较宽的主要原因是两条火成岩墙的影响。工作 面刚推进 5 m就有渗水现象,说明该断层带导水。 正因为断层破碎带的裂隙发育,损伤度大,工作面 推进仅 11 m时,矿山压力 (初压 对断层带就产生显 5590 岩石力学与工程学报 Industry Publishing House，2000.(in Chinese 3 2005 年 著的破坏作用，表现为出现明显的突水现象。 6.3 断层防水煤柱宽度计算 施龙青. 薄隔水层底板突水机理及预测预报研究博

25、士学位论 文D. 泰安：山东科技大学，1999.(Shi Longqing. Study of the water-inrush mechanism and prediction of thin water-resisting floorPh. D. ThesisD. Taian：Shandong University of Science and Technology，1999.(in Chinese 该工作面采深为 60 m，煤层倾角 10° ，断层倾 ，采高 1.32 m，实测结果非弹性区与采高比 角 60° 底板应力高峰线传播角为 24° 实测底板破坏 ，

26、 为 2， 深度为 10 m，将以上参数带入式(9，有 h cos( a + xg = sin cos 10 cos(60 o 24o + 1.32 × 2 = 12.87 m sin 60 o cos 24o 4 宋振骐. 实用矿山压力控制M. 徐州：中国矿业大学出版社， 1998.(Song Zhenqi. Practical Underground Pressure ControllingM. Xuzhou：China University of Mining and Technology Press，1998.(in Chinese 可知，F 东 8 断层至少需要留设 12.

27、87 m 的防 水煤柱，才能有效地防止底板水通过该断层突出。 而该工作面实际开采时， 留设的防水煤柱只有 5 m， 显然不足，发生突水事故则是必然的。 5 蒋 金 泉 . 采 场 围岩 应 力 与运 动 M. 北 京 ： 煤 炭 工业 出 版 社 ， 1993.(Jiang Jinquan. Stope Adjoining Rock Stress and MovementM. Beijing：China Coal Industry Publishing House，1993.(in Chinese 6 张金才，张玉卓，刘天泉. 岩体渗流与煤层底板突水M. 北京： 地质出版社， 1997.(Zh

28、ang Jincai， Zhang Yuzhuo， Tianquan. Rock Liu Seepage and Water-inrush from Coal FloorM. Beijing：Geological 7 结 论 7 (1 在矿山压力作用下，在采场煤壁附近将出 Publishing House，1997.(in Chinese 冯启言，陈启辉. 煤层开采底板破坏深度的动态模拟J. 矿山压力 与顶板管理，1998，23(3：7173.(Feng Qiyan，Chen Qihui. Broken depth dynamic simulation of coal mining floor

29、J. Rock Pressure and Roof Control，1998，23(3：7173.(in Chinese 8 楮廷民，谭可夫. 承压开采底板破坏深度数值模拟研究J. 陕西煤 炭技术，1999，28(1：1319.(Chu Tingmin，Tan Kefu. Study on numerical simulation of broken depth over artesian waterJ. Shaanxi Coal Technology，1999，28(1：1319.(in Chinese 9 高延法，施龙青，娄华君，等. 底板突水规律与突水优势面M. 徐 州：中国矿业大学出版

30、社，1996.(Gao Yanfa，Shi Longqing，Lou Huajun，et al. Law of Water-inrush from Floor and Preferential PlanM. Xuzhou：China University of Mining and Technology Press， 1996.(in Chinese 10 Ashb M F，Hallam S D. The failure of brittle solids containing small 现弹性区和非弹性区，而非弹性区没有隔水能力， 只有处于弹性区的煤层才有可能起到防水煤柱的作 用。 (2 在矿山压力作用下，采场底板将受到一定 程度的破坏，破坏区域位于底板高峰应力线的后 方，受到破坏的底板不具有隔水能力。 (3 采场工作面底板水通常是通过断层进入受 到破坏的底板，然后进入工作面，间接地通过断层 突出，而不是完全以断层为同道直接进入采场工作 面的。因此，在发生断层突水时，突水点一般距断 层面还有一定的距离。