断层防水煤(岩)柱安全宽度的计算与评价_图文

1、第28卷第4期 辽宁工程技术大学学报（自然科学版） 2009年8月V ol.28 No.4 Journalof Liaoning Technical University （Natural Science） Aug. 2009 收稿日期：2007-02-14基金项目：国家重点基础研究发展规划基金资助项目973(2002CB412702 作者简介：崔芳鹏（1979-），男，河南 新乡人，博士研究生，主要从事工程地质、地质灾害等方面的研究。本文编校：于永江文章编号：1008-0562(200904-0517-04断层防水煤（岩）柱安全宽度的计算与评价崔芳鹏1，武 强2，胡瑞林1，徐文杰1，李彦周3

2、，杨武洋2（1. 中国科学院 地质与地球物理研究所 工程地质力学重点实验室, 北京 100029；2. 中国矿业大学 地球与测绘工程学院,北京 100083；3. 开滦集团 荆各庄矿业分公司, 河北 唐山 063000）摘 要：针对如何确定导水断层附近的防水煤（岩）柱宽度是困扰煤炭开采的问题，以开滦集团荆各庄矿3092工作面为例，综合运用经验公式、数值模拟和原位探测来确定其断层防水煤（岩）柱的安全宽度，最终得出了符合实际的且小于原留设宽度的断层防水煤（岩）柱安全宽度，为该矿节约了可采储量，延长了矿井服务年限，具有显著的社会和经济效益；同时该法为本矿及相似矿井以后处理类似问题提供了参考，具有较高

3、理论和现实意义。 关键词：断层防水煤（岩）柱；安全宽度；数值模拟；原位探测；计算与评价 中图分类号：TD 822.3 文献标识码：ACalculation and evaluation on the safe width of fault waterpro ofcoal (rock pillarCUI Fangpeng，WU Qiang2，HU Ruilin1，XU Wenjie1，LI Yanzhou3，YANG Wuyang2（1. Key Laboratory of Engineering Geomechanics, Institute of Geology and Geophysics

4、, Chinese Academy of Science, Beijing 100029, China; 2. College of Earth Science and Surveying Engineering, China University of Mining and Technology, Beijing 100083, China; 3. Jinggezhuang Mining Subsidiary Company, KailuanGroup, Tangshan 063000, China）Abstract ：It is always difficult to determine

5、the safe width of waterproof coal (rock pillar around faults. This paper presents a method for the determination of safe width of waterproof coal (rock pillar around fault based on the geological conditions at No 3092 working face in Jinggezhuang Coal Mine, Kailuan. The method has applied various sy

6、nthetically empirical formulas, numerical simulation and field exploration. In this way, a smaller safe width of waterproof coal (rock pillar around fault is obtained comparing to previous safe width. Therefore, it results in an increase of recoverable reserves and mine life in Jinggezhuang Coal Min

7、e. In particular, the method can be applied in other mines with similar geological conditions.Key words：fault waterproof coal (rock pillar；safe width；numerical simulation；field exploration；calculation and evaluation0 引 言统计资料表明，矿井突水80 %与断层有关1。过去，在断层防水煤（岩）柱留设方面，多采用国内外经验数据或公式，所留设的防水煤（岩）柱，其尺寸有时过大，致使积压了大

8、量的煤炭资源；有时过小，加之水文地质条件不清，从而引发了较严重的水害事故。因此，如何根据现有的工程、水文地质条件计算出尽可能符合实际结果的断层防水煤（岩）柱安全宽度，既不使煤层开采引发水害事故，又不浪费宝贵的煤炭资源，对某些严重受断层水威胁的矿井具有极为重要的现实和理论意义。1 工程概况开滦（集团）荆各庄矿业分公司位于河北省唐山市北偏东约13 km处，矿井的9煤层为主采煤层之一，厚度017.67 m，平均厚度7.43 m。煤层为黑色、条带状构造，玻璃光泽，以亮煤为主，间夹暗色条带，局部含丝炭，偶含黄铁矿膜，半亮光亮型。煤层的容重为1.44 t/m3。该煤层位于井田西南部的3092工作面在开采时

9、受到井田内F 3断层的威胁，F 3为逆断层，位于井田南部，构成了井田的天然边界，走向35º60º，倾角南东，断层面倾角35º46º，累计落差70145 m，辽宁工程技术大学学报（自然科学版） 第28卷518 延伸长度3 500 m。这组断层在地质及水文地质方面对井田起着十分重要的作用，断层带附近地层被断褶得错综复杂，支离破碎，其两侧延续到相当范围，裂隙节理丛生，使地层具有强充水性。更为重要的是它与上下含水层水力联系的未知性，使邻近区域内水文地质条件复杂化2。由于F 3断层与各承压含水层的水力联系的未知性，故在进行经验公式、数值模拟计算时根据断层水压的不同

10、要分为以下几种情况： 断层导通第四系底部卵石孔隙承压含水层（含水层 ）：位于冲积层下部、基岩面以上。断层导通煤5以上砂岩裂隙承压含水层（含水层）：本含水层边界为冲积层覆盖下的基岩露头，它受底卵含水层（）的补给，位于煤层9煤层上方约5070 m处，常年平均水位标高约-100 m。断层不导水或者导水性很弱。在以上每种情况里，经验公式和数值模拟计算所用到的相关参数可以该含水层的有关数据作为参考。此外，各煤层又可分为一次采全高、分层开采两种开采情况来进行计算。2 断层防水煤（岩）柱安全宽度计算2.1 经验公式计算对于本文F 3断层防水煤（岩）柱安全宽度的计算而言，由于含水层均位于可采煤层的上覆岩层中，

11、所以经计算得出的防水煤（岩）柱宽度既要满足不被顺层水压突破的要求，又要考虑导水裂隙带对断层的影响，使其发育程度不能接触到断层而对导水断层构成破坏，即断层防水煤（岩）柱的安全宽度计算要用两种方法3（一种是考虑顺层水压的计算方法，另一种是由导水裂隙带和保护带高度等间接计算的方法），最后求其较大值。根据该采区的各项水文地质工程地质条件，计算出的防水煤（岩）柱宽度中的最大值为81.158 m，在断层导水性未知的情况下，本宽度即为最安全的断层防水煤（岩）柱安全宽度值（表4）。 2.2 数值模拟计算（1）研究范围的选定本次研究内容是荆各庄井田南部向斜轴东部采区9煤层3092工作面回采过程对其顶板稳定性的影

12、响和其附近的F 3断层防水煤（岩）柱宽度的确定。该面位于矿井开采第二水平（-475 m-375 m）的底端，其尺寸约为840 m×120 m×5 m（长×宽×高）。在平面位置上，所取模型范围纵横方向的对称轴与工作面纵横方向的对称轴重合，且为了消除其边界效应，取模型长度为1 145 m，宽度为500 m；在垂向上，要使模型的底端位于标高-540 m处，上部将整个第四系冲积层去掉，代之以基岩面至地表的岩体自重应力，这样建立的模型其长、宽、高尺寸依次为1 145 m、500 m、264 m。（2）计算模型及边界条件 采用FLAC 3D 计算程序4，将模型剖分为

13、34800个单元，横、纵向上可视为变形为零的简支边界，在垂向上，顶部边界为基岩面，视为由模型上覆岩层的重量引起的应力边界。底部边界设计为垂向变形为零的简支边界。在倾斜的断层面上，可视为由断层上盘岩层和断层水压共同作用引起的垂直作用于断层面的应力边界。（3）计算参数及材料特性据实际情况，将研究区内岩层自基岩面向下至模型底部划分为8个层组，其采用的岩石物理力学参数均经过实验室测定且经过一定的强度折减（表1）。岩石是一种脆性材料，当外荷载达到岩石强度以后，材料发生断裂破坏，产生弱化现象，应属于弹塑性体5，故本次计算本构模型选取莫尔库仑弹塑性材料模型。表1 数值模型岩石物理力学参数 Tab.1 roc

14、k physical and mechanical parameters in numerical model组 序弹 模 /GPa泊松比内聚力 /MPa内摩 擦角/（º）抗拉 强度/MPa密 度 /(kg·m -31 0.03 0.310.1 30 0.1 2.1e3 2 24.25 0.217.125451.97 2.7e3 3 20.19 0.256.36 43 2.11 2.5e3 4 30.12 0.227.12 381.81 2.6e35 1.50 0.361.00 25 0.03 1.4e3 6 10.81 0.242.95 300.98 2.2e37 2.0

15、0 0.331.18 28 0.10 2.0e3 8 40.12 0.248.11 352.09 2.6e32.2.4 数值模拟结果分析与评价（1）数值模拟计算结果综合数值模拟结果可以看出，不同开采方法对顶板冒裂带发育高度产生了不同影响，即一次采全高对岩层的影响较分层开采大（表3），因此建议采用分层开采方式；再者，在相同开采条件下，断层导通不同承压含水层时，顶板冒裂带的发育高度和煤层在断层处承受的水压大小成正比，水压高则冒裂带高度相应增加，因此本文以方案I A3作为重点的分析对象（图1图2）。第4期 崔芳鹏，等：断层防水煤（岩）柱的安全宽度计算与评价519表2 断层防水煤(岩柱安全宽度数值模拟

16、设计方案 Tab.2 numerical simulation design for fault waterproofcoal (rock pillar safe width calculatingI 、断层导通第四系底部卵石孔隙承压含水层（含水层）开采方式II 、断层导通煤5以上砂岩裂隙承压含水层（含水层）III 、断层不导水或者导水性很弱 上分层回采A 1 200 m 400 m 800 m 回采煤柱20 m 回采煤柱40 m400 m 800 m 回采煤柱40 m回采煤柱60 m中分层回采A 2 200 m 400 m 800 m 回采煤柱20 m 回采煤柱40 m400 m 800 m

17、 回采煤柱40 m回采煤柱60 mA 分 层 回 采下分层回采A 3200 m 400 m 800 m 回采煤柱20 m 回采煤柱40 m400 m 800 m 回采煤柱40 m回采煤柱60 mB 一次采全高200 m 400 m 800 m 回采煤柱20 m 回采煤柱40 m400 m 800 m 回采煤柱40 m回采煤柱60 m表3 不同条件和开采方式下煤层顶板冒裂带发育高度值 Tab.3 height of fractured zone in coal seam-roof in differentconditions and mining methods断层导通的含水层 分层开采/m一次

18、全采/m第四系底部卵石孔隙承压含水层(断层水压约4.6MPa 37 44煤5以上砂岩裂隙承压含水层 (断层水压约为3.8MPa33 38断层不导水或导水性很弱31 35 a. 预留煤（岩）柱100m b. 预留煤（岩）柱80m c. 预留煤（岩）柱60m图1 综放采场竖直位移分布图（方案I A3）Fig.1 distribution of vertical displacement on longitudinal section plan in the middle of model (scheme I A3 a. 预留煤（岩）柱100 mb. 预留煤（岩）柱80 mc. 预留煤（岩）柱60

19、m图2 综放采场塑性区分布图（方案I A3）Fig.2 distribution of plastic zone on longitudinal section plan in the middle of model (scheme I A3（2）综放采场覆岩与断层的位移场由图1可以看出：岩层中发生的位移与岩层距离采空区的大小成正比，随着断层防水煤（岩）柱宽度的减小，断层面上的位移随之增大，当达到临界断层防水煤（岩）柱宽度时，足以导致岩层破坏的垂向位移发展到断层面上，使断层面上的高压承压含水层与采空区连通而发生突水事故。（3）综放采场覆岩与断层的破坏场由图2可以看出：煤层开采后，煤层顶底板岩层

20、中发生了剪切和轴向受拉破坏。随着工作面长度的增加，这种塑性破坏区域随之增大，且随着断层防水煤（岩）柱宽度的减小，这种塑性破坏进一步发展以致影响到断层面的稳定性，致使断层面上的高压水与采空区发生导通而发生突水事故，而在本文中给出的工程地质、水文地质条件下，断层防水煤（岩）柱的临界宽度为约60 m（表4）。从弹塑性区域分布图上还可以看出，在垂直方向上受采空区影响的区域（按距离采空区由小到大）产生如下的变化：塑性区弹塑性区弹性区6，有力的证明了煤层顶板发生变形破坏的“上三带”理论，即自采空区顶部而上的岩层中依次为冒落带、裂隙带和整体移动带（弯曲带）。 2.3 煤（岩）柱安全宽度综合分析综合考虑理论计

21、算和数值模拟的计算结果，加上一定的折减和安全系数，在各种情况下其断层防水煤（岩）柱宽度必须80 m（表4），比原来留设的防水煤（岩）柱宽度缩小了近20 m。辽宁工程技术大学学报（自然科学版） 第28卷520 表4 断层防水煤（岩）柱安全宽度综合计算值Tab.4 different numerical values in fault waterproof coal(rock pillar safe width calculating经验计算/m数值模拟/m 断层导通的含水层直接计算(考虑顺层水压 间接 计算分层 开采一次 全采第四系底部卵石孔隙承压含水层(断层水压约4.6MPa 52.82081

22、.158 52 58煤5以上砂岩裂隙 承压含水层(断层水压约3.8MPa 47.81274.275 50 54 断层不导水或导水性很弱31.63331.633 32 353 采空区冒裂高度SYT 法探测原位试验采用SYT 法通过对煤层采空区内岩层发生松动、冒落后地应力、电阻率变化的测量，求出在一定时间期限内，采空区上方岩石冒落、松动、裂隙延伸后影响的高度及范围，用测出的导水裂隙带发育高度来验证经验公式和数值模拟的计算结果，从而用更接近实际情况的导水裂隙带发育高度求出最终的断层防水煤（岩）柱的安全宽度。经该法探测的导水裂隙带最大发育高度为约42 m，与经验公式(41.6 m和数值模拟(37 m的

23、计算结果基本吻合，以此导水裂隙带发育高度最大值计算出来的断层防水煤（岩）柱安全宽度须80 m。4 结 论断层防水煤（岩）柱安全宽度计算是一个受多因素影响的过程。在本文中，充分考虑了煤岩层和断层的岩石力学性质、水文和工程地质条件，对煤层开采引起的围岩应力变化、变形与破坏规律进行了分析研究，得到如下主要研究结果：（1）运用经验公式和数值模拟进行了计算，得出了该工作面断层防水煤（岩）柱的临界宽度值（80 m），比该矿原留设的防水煤（岩）柱宽度缩短了近20 m，有效的节约了可采储量。（2）经过原位探测的采空区导水裂隙带高度值（约40 m）与经验公式计算的结果（41.6 m）基本吻合，此结果对数值模拟中不同情况下计算的导水裂隙带发育高度进行了去伪存真（最接近结果的数值为37 m），最后综合考虑这三个结果，修正后最终确定断层防水煤（岩）柱的开采安全宽度。（3）从现场实测结果看出，采用方案I A3的经验公式和数值模拟结果最接近实际情况，由此推断断层很可能已经发育导通第四系底部卵石孔隙承压含水层，因此必须确保断层防水煤岩柱宽度80 m，还要做好矿井防治水相关工作。（4）从工程地质观点出发，认为断层防水煤（岩）柱的留设计算实质是一项工程地质力学问题，是工程岩体发生变形、破坏与失稳的问题，而不是单纯的水文地质问题。或者说，它是特定地质结构、地下水、地壳应力场条