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考虑断层渗透性的断层防水煤柱合理尺寸留设研究

2025-02-12 65 上传者：管理员

摘要：为解决煤矿开采中断层隔水煤柱合理尺寸的留设问题，以南屯煤矿为例，综合分析了该煤矿地质环境的影响因素。在实际开采过程中，针对断层导水性进行了评价。随后，采用岩性对接关系分析和泥岩涂抹系数法对断层的横向导水性进行了评估，并运用“水岩应力作用分析法”评价了断层的垂向导水性。在此基础上，分区域进行了断层防隔水煤柱留设研究，并基于断层的导水性特征提出了防水煤柱留设的方法，对煤柱的安全性进行了分析。研究结果对于预防和控制断层突水具有实际意义。

关键词：
地质环境
垂向导水性
导水性
流固耦合
防水煤柱
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兖州煤业股份有限公司南屯煤矿(以下简称南屯煤矿)矿井核定生产能力300万t/a｡矿井上､下组煤联合开采,上组煤主采3上､3下煤,下组煤主采16上､17煤｡目前主要是开采山西组的3上､3下煤｡井田主采煤层存在断层附近采煤,同时面临严峻的断层水害问题｡为解决煤矿开采中断层隔水煤柱合理尺寸的留设及隔水煤柱长期稳定性的问题,考虑到矿山压力､岩层的隔水性等因素在煤柱留设中的作用,以及对煤柱长期稳定性的影响,提出留设隔水煤柱时还应考虑断层导水性作用的思路｡通过数值模拟研究得到当断层存在时,在断层处应力值减小,煤柱处于卸压状态｡水在完整岩石中的渗透性很小,可以忽略,但在破碎区和塑性区中,渗透系数增大,煤柱的稳定性要持续几十年甚至更长的时间,因此,考虑断层煤柱的渗透性对煤柱尺寸留设的影响就显得尤为重要｡

现场对采场底板断层防水煤柱留设的研究现状｡卢兴利等[1-4]通过ANSYS､FLAC3D等数值模拟软件进行分析并且利用该方法较准确地分析工作面前方煤壁内的塑性区及煤层顶板支承压力的分布规律｡钱鸣高等[5-7]提出了土体结构性模型理论､关键层理论及覆岩破坏规律,为深入研究矿山压力与岩层控制理论提供了依据｡高超[8]提出特厚煤层综放开采一次性采全高,其采放煤层厚度大,垮落带和裂隙带高度亦相应增大｡缪协兴等[9-13]通过研究建立了保水采煤的隔水关键层矿压模型,同时提出了可用于指导开发保水采煤技术的隔水关键层原理,在采场顶底板突水灾害防治中得到了成功应用｡武强[14-15]进行矿山地质环境动态监测,以期揭示研究区内变化信息的时-空演变规律,为矿业活动和环境治理提供信息和决策服务｡李培超等[16-17]将基于多孔介质的有效应力原理引入流固耦合渗流中,建立起了完备的饱和多孔介质流固耦合渗流的数学模型｡施龙青等[18-20]提出只有弹性区的煤层才能起到防水煤柱的作用,防水煤柱不仅需要考虑断层的自身性质还要考虑矿山压力作用｡

目前,在煤柱留设研究中,对于考虑断层渗透性的断层防水煤柱,其合理尺寸的确定仍需进一步研究,尤其是在断层导水性特征以及流固耦合作用下的破坏特性方面,尚存在不足之处｡

1、断层防隔水煤(岩)柱方法

在《煤矿防治水细则》中,规定了8类防隔水煤(岩)柱的留设方法,对断层煤(岩)柱考虑了2种情况｡

1.1考虑断层导水(见图1)

图1断层煤(岩)柱留设方法(1)

防隔水煤(岩)柱的留设应当考虑2个方向上的压力:(1)煤层底部隔水层能否承受下部含水层水的压力;(2)断层水在顺煤层方向上的压力｡当考虑底部压力时,应当使煤层底板到断层面之间的最小距离(垂距),大于安全防隔水煤(岩)柱宽度Ha的计算值,但不得小于20m｡当考虑断层水在顺煤层方向上的压力时,按《煤矿防治水细则》中附录六之二计算煤柱宽度｡根据以上2种方法计算的结果,取用较大的数值,但仍不得小于20m｡

1.2在煤层位于含水层上方,断层不导水的情况下

断层煤(岩)柱留设方法(2),如图2所示｡

图2断层煤(岩)柱留设方法(2)

防隔水煤(岩)柱的留设尺寸,应当保证含水层顶面与断层面交点至煤层底板间的最小距离,在垂直于断层走向的剖面上大于安全防隔水煤(岩)柱宽度Ha,但不得小于20m｡

以上2种情况过于笼统,未体现渗流性对防水煤柱留设的具体影响和区别｡

2、断层导水性特征分析

断层导水性是一个很重要的问题,对防隔水煤(岩)柱的留设至关重要｡断层的导水性与断层两盘的岩性(对接关系)､断层带本身的特征､地应力场､作用在断层面(带)上的水头压力等均有密切关系,本文从上述几个方面对断层的导水性进行评价｡

2.1岩性并置图法

基于砂泥对接概率法,绘制研究段断层岩性并置图,计算含水层与含水层的对接概率,评价断层垂向导水性,如表1所示｡

表1断层垂向导水程度分级表

2.2泥岩涂抹系数(RSG)法

RSG为断层泥比率,RSG法是定量评价断层岩封闭型断层垂向封闭性的一种方法,是由G.Yielding提出的｡断层的每一点,RSG算法计算滑过断层每点岩层的泥质含量｡

RSG算法中隐含假设:断裂带内形成的断层泥是滑动段内的围岩以相同比例混合而成｡当RSG≤20%时,断层岩为碎裂岩,而当RSG>50%时为泥岩涂抹,20%

基于断层泥比率RSG法(见图3),根据式(1)计算断层每点RSG,从而评价断层垂向导水性｡泥质含量达到一定程度,形成的泥岩涂抹才趋于连续,RSG=20%是泥岩涂抹连续并提供有效封闭的临界值,也是断层是否导水的临界值,所以当RSG<20%导水性好,RSG>20%时断层导水性比较差｡

图3RSG计算模型图

由于本井田主要强含水层为奥陶系灰岩含水层,奥灰水位高,断层是否导通奥灰含水层对矿井安全影响最大,故本报告评价的断层垂向导水性以断层导通奥灰含水层为标准｡在开采煤层附近断层处所受的水压即为奥灰含水层在该处的水头压力｡

断层面所受正压力

取区域主压应力方向100°,计算得p=18.0294MPa｡

3、考虑断层渗透性的断层防水煤柱合理尺寸留设研究数值模拟分析

根据矿井断层导水性综合评价结果,可以评判该矿井断层防隔水煤岩柱留设｡按照《煤矿防治水细则》进行设计规划｡为揭示隔水煤(岩)柱留设问题,进行数值模拟建模分析,流固耦合模拟考察结果,受断层影响时矿井水压力和开采距离以及煤柱宽度对围岩性质的影响｡

3.1模型的建立

结合矿区断层的详实调查和揭露情况,如图4所示｡设计长度达120m,走向开采长度为200m的工作面｡采用一次性采全高的策略,考虑到厚煤层开采厚度一般为3.70~7.99m,故选取煤层的理想厚度为5m｡为保证模拟的准确性,设计了一个长×宽×高=400m×270m×200m的仿真计算模型,以规避边界效应的潜在影响｡开度为2m､落差为20m､倾角为60°的正断层｡流体-固体耦合的仿真计算采用了各向同性计算模型,水压施加在模型的底部､断层面和工作面处的水压力设定为大气压,其余边界则被定义为不透水｡

图4模拟计算模型

煤层开采模拟分5步进行,每次开采40m｡分别分析底板承压水压力和工作面开采长度对模型整体总位移及模型上边界总位移的影响;当没有隔水层时,承压水压力和开采距离对地层中孔隙水压力分布的影响;以及当存在隔水层时,煤柱留设长度对工作面和断层处的应力分布的影响和对工作面涌水量的影响等方面进行模拟分析｡

模拟计算中应用的岩石力学性质参数,如表2所示｡

表2岩石力学性质参数

3.2煤柱尺寸对断层处应力分布的影响

留设隔水煤柱是预防断层突水的有效方法,煤层的导水性比岩层的导水性要大得多,煤层的强度较小,在地质构造和采动影响下,煤层中的节理裂隙更容易发生扩展和贯通｡下面分别对不留煤柱､留设小的隔水煤柱和留设大煤柱等情况下的断层和工作面处的Vonmises应力分布情况进行讨论｡

断层和工作面处的Vonmises应力分布情况,如图5所示｡当不留设隔水煤柱时,在工作面超前支承压力的作用下,断层区域内Vonmises应力较高,破坏较严重,对采煤工作不利(见图5(a))｡当留设小的隔水煤柱时,虽然能起到一定的阻水作用,但断层区域的Vonmises应力反而增大,破坏区域增大(见图5(b))｡随着煤柱尺寸的增加(见图5(c)),断层区的破坏逐渐减小,且煤柱中的高应力区域也在减小,破坏区不再相互沟通,对煤柱防水有利｡从图5(c)中可以看出,煤柱长度为60m时,便可以达到良好的防水效果,此时断层中的破坏区域较小,且煤柱中的破坏区未相互沟通｡当煤柱长度为80m时,煤柱中未破坏区域更大,对断层的影响更小,但却造成了资源的浪费,因此,煤柱长度取60m为宜｡

由图5可以看出,随着工作面的推进,煤层顶板的支承压力峰值也向前推进｡工作面距离断层越近,即留设的煤柱尺寸较短时,压力峰值将会越靠近断层,而断层处岩石力学性质一般较弱,压力峰值传递到断层以后会影响到断层的稳定｡

不留设煤柱和留设煤柱尺寸分别为20､40､60､80m时的Vonmises应力分布随着煤柱留设尺寸的变化曲线,如图6所示｡当不留设煤柱时,由于断层的卸压作用,靠近断层一侧的工作面处未形成应力高峰区,此时,如果查明断层不含水或者不能导通含水层等水源时,可以直接通过断层,断层的存在对采煤有利｡但断层一般都含水或者易于与水源导通,此时就需要留设防水煤柱｡

图5断层和工作面处的Vonmises应力分布情况

3.3煤柱尺寸对地层中孔隙压力分布及工作面涌水量的影响

分别对隔水煤柱长度为30m和60m这2种情况下,工作面长度为160m时的涌水情况进行分析,如图7所示｡

图6不留设煤柱和留设煤柱时的Vonmises应力分布变化曲线

图7隔水煤柱长度为30m和60m下的涌水情况

当煤柱长度为30m时,由于隔水层的作用,水流仍旧沿着断层向上导升｡而在底板中的渗流量较少,由于隔水煤柱较小,工作面与断层之间的距离较短,而工作面开采以后可以看作是水力自由边界,在水压力的作用下,承压水沿着煤柱和顶板中的节理裂隙等向工作面中渗流,渗流量速度较大｡而当煤柱长度为60m时,工作面与断层之间的距离增大,即水力自由边界与水源之间的距离增加,水流在含有节理裂隙等的岩层中渗流时,水压力会有很大程度的下降｡而且煤柱尺寸增加以后,工作面与断层之间的岩层和煤层整体强度也有所增加,破坏程度降低,对渗流也有较强的抑制作用｡

在工作面上下左右边界上,达西渗流速度场上渗透速度模量之和随着断层隔水煤柱长度的增加而变化的关系,如图8所示｡随着煤柱宽度增加,渗流速度场模量之和随之降低,也就是渗入工作面中的水流量随着隔水煤柱尺寸的增加而减少｡

图8不同煤柱长度时工作面中渗流速度场模量之和

4、结语

综合分析各煤柱尺寸工况状态可以得到以下结论:

(1)煤体及断层破坏带两侧岩体强度一般比其他岩层强度低,因此,煤层和断层处是易于发生变形破坏和失稳的部位｡断层带的存在会阻碍岩层开挖后应力重新分布中应力的传递｡

(2)随着工作面的推进,断层防水煤柱尺寸不断缩小时,工作面前方的煤柱及断层处应力集中程度不断增大,当破裂区相互沟通时即会引起断层活化｡峰值压力向前发展,峰值压力影响到断层时会影响断层区域的破裂发展｡

(3)煤柱尺寸增加以后,工作面与断层之间的岩层和煤层整体强度也有所增加,破坏程度降低,对渗流也有较强的抑制作用｡

参考文献:

[1]卢兴利,尤春安,孙锋,等.断层保护煤柱合理留设的数值模拟分析[J].岩土力学,2006,27(S1):239-242.

[2]冯启言,周来,荆升国,等.煤层底板破坏的断层效应模拟及其在防治水中的应用[J].高校地质学报,2010,16(1):19-25.

[3]董永,孟祥瑞,高召宁.断层影响下防水煤柱留设合理宽度研究[J].煤炭科学技术,2014,42(S1):241-243.

[4]李见波,尹尚先,刘义生,等.赵各庄矿极复杂区域保护煤柱留设数值模拟研究[J].煤炭工程,2016,48(1):103-106.