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流-固耦合和采动作用下防隔水煤柱留设问题研究

2025-05-23 38 上传者：管理员

摘要：以151304综采工作面为例，应用经验公式展开防隔水煤柱留设宽度计算；进而应用FLAC3D软件构建起工作面防隔水煤柱模型，对煤层顶板沉降及采场应力、塑性区空隙水压力、煤柱监测节点位移等取值情况展开分析研究。结果表明，模拟分析得出的防隔水煤柱留设宽度位于经验公式区间范围内，取值偏合理与经济，能够保证工作面综采期间防隔水煤柱变形稳定。

关键词：
流-固耦合
煤层抗压强度
生产安全
透水事故
防隔水煤柱
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留设防隔水煤柱是预防煤矿井下突水､透水事故,保持生产安全的有效途径之一｡当前,防隔水煤柱留设宽度的计算主要依托经验公式｡但各煤矿在采高､顶底板岩性等方面存在明显差异,简单套用经验公式确定出的防隔水煤柱宽度往往并不适用｡近年来,国内外学者对煤柱受力､工作面采动､基本顶强度､煤层抗压强度､采深对防隔水煤柱留设的影响展开深入研究,并取得了一定成果｡但对水压､矿压耦合及采动作用对防隔水煤柱影响的研究并不完善,对防隔水煤柱留设宽度以及应力场､流-固耦合影响煤柱变形的研究成果仍较少｡基于此,本文依托综采工作面实际,对水､采动及应力场耦合作用下防隔水煤柱留设宽度进行计算及模拟分析,以期指导煤矿开采实践｡

1、工作面概况

151304综采工作面所处15#煤层､15#煤盘区,工作面标高最高691m,最低641m,走向长度920m,倾斜长度200m,采高2.7m｡煤层上方主要分布粗粉砂岩和泥岩互层直接顶,直接顶和基本顶均较为稳定｡煤层顶底板情况如表1所示｡

表1煤层顶底板情况

现采取留设防隔水煤柱与疏水降压的方法确保工作面安全回采[1]｡就疏水降压措施而言,从2023年5月31日—2024年12月31日累计疏放水2.30276×105m3;观测水压从疏放水开始的0.3MPa降至当前的0MPa｡根据现场实际及钻探疏放情况,所留设的防隔水煤柱最小厚度为30m,超出20m的防隔水煤柱留设厚度设计值,说明151304工作面防隔水煤柱留设厚度符合技术要求｡本文主要对防隔水煤柱留设宽度展开分析研究｡

2、防隔水煤柱留设宽度计算

151304综采工作面回采过程中,按照以下经验公式计算防隔水煤柱宽度[2]:

式中:L为防隔水煤柱宽度的数值,单位m;k为安全系数,在2.0~5.0之间取值;M为煤层采高的数值,单位m;p为水头压力的数值,单位MPa;Kp为煤层抗拉强度的数值,单位MPa;ρ为水密度的数值,单位g/cm3;g为重力加速度的数值,单位m/s2;h为水头高度峰值的数值,单位m｡

因安全系数在2.0~5.0之间取值,将相关参数取值代入式(1)和(2)后得到的防隔水煤柱宽度在2.75~6.85m之间｡由此可见,在工作面老空区积水水头达到30.0m时,工作面开采需要留设的最小防隔水煤柱宽度为2.75m,安全防隔水煤柱宽度为6.85m｡

3、防隔水煤柱模拟分析

3.1模型构建

应用FLAC3D软件展开工作面防隔水煤柱模型构建[3]｡模型底部固定,上表面应力边界主要承载12.05MPa的压应力,水平向施加15.21MPa的压应力｡老空区回填渗透系数为0.1m/s的大空隙率材料｡工作面防隔水煤柱有限元模型如图1所示｡

图1工作面防隔水煤柱有限元模型

模拟过程中,在无水情况下回采工作面,此后回填采空区,待应力场与位移场实现平衡后将此前位移归零,再通过改变防隔水煤柱宽度展开回采｡

3.2模拟结果分析

3.2.1煤层顶板沉降及采场应力

在151304工作面回采后,煤层顶板存在沉降的可能｡工作面回采后在无水和积水情况下煤层顶板位移峰值及应力变化情况模拟结果如表2所示｡在积水和无水的情况下,顶板沉降峰值均随煤柱留设宽度的增大而递减,表明留设大宽度煤柱有助于抑制顶板沉降｡煤柱留设宽度一致时,在积水情况下煤层顶板沉降明显小于无水情况,老空区积水使应力降低是主要原因[4]｡

表2煤层顶板位移峰值及应力变化情况

煤层开挖造成周围应力集中,集中应力可达到原岩竖直应力的4~5倍｡根据实测结果,151304综采工作面周围原岩竖向压应力在15.0MPa左右,开挖区应力峰值理论上应达到60~75MPa｡根据以上模拟结果,煤柱应力值均随煤柱留设宽度的增大而递减,表明煤柱宽度的增大能较好缓解应力集中现象｡

3.2.2塑性区空隙水压力

通过分析151304综采工作面在无水及积水情况下防隔水煤柱留设宽度为3.0､5.0､10.0m时的塑性区分布情况可看出,不同情况下塑性区均呈2个马鞍形;塑性区面积随煤柱尺寸的增大而减小;积水时塑性区面积明显小于无水时｡根据对老空区空隙水压力分布情况的模拟可知,151304综采工作面无承压水威胁,老空区来水以裂隙渗透水为主,且水头峰值为30.0m,则空隙水压力峰值取0.18MPa｡煤柱周围空隙水压力取值位于0.100~0.175MPa之间,模拟值与计算结果基本一致｡因煤柱结构具有一定抗压强度,故仅凭空隙水压力自然不能造成煤柱压坏;煤柱破坏是空隙水压力(即流场)和应力场综合作用的结果｡图中煤柱位于塑性区范围内,说明煤柱存在塑性破坏趋势;而煤柱是否发生裂隙和破坏还取决于相对位移[5]｡

3.2.3煤柱监测节点位移

151304综采工作面煤柱上位移测点布置情况如图2所示｡图中2个监测点均布置于煤柱平面最大水头处且靠近煤柱中间的位置｡根据力学原理,越靠近梁跨中位置,挠度越大｡此外,老空水和顶底板压应力是煤柱应力的主要来源,考虑到老空区空隙水压力较煤柱自身抗压强度小,故煤柱上裂隙是否发生主要取决于顶底板压应力｡剪应力是引发煤柱变形开裂的主因,裂隙一旦发生,则同平面内对角点间相对位移必然增大｡

图2防隔水煤柱位移监测点布置情况

根据监测结果,监测点位移达到平衡状态时相对位移随煤柱留设尺寸的增大而减小;当煤柱留设尺寸在5.0~10.0m之间时,2个监测点位移曲线几乎重合,且随着煤柱尺寸的增大,位移差基本不变｡说明煤柱尺寸一旦达到该水平,煤柱变形便会趋于稳定｡通过分析,此时的煤柱宽度为6.0m,位于经验公式的设置范围内｡

4、现场应用情况

结合钻探结果,151304综采工作面老空区水头高度最大为30.0m,总水量达到200m3,突水威胁较大,也对煤柱留设提出较高要求｡根据数值模拟结果,应在该工作面留设防隔水煤柱并沿煤柱走向布设监测点,展开煤柱位移监测｡

根据监测情况,煤柱上相同平面对角测点相对位移值基本一致,煤柱顶部也无裂隙和渗水｡监测结果与模拟结果基本吻合,说明煤柱留设参数取值切实合理｡

5、结论

综上所述,鉴于流-固耦合和采动作用下顶底板岩体变形及破坏所具有的复杂性特征,煤柱留设宽度的增大能较好抑制煤层顶板沉降,且在老空区积水情况下工作面回采顶板沉降控制效果更为显著｡分析结果也说明,老空区空隙水压力并非压坏煤柱的关键原因,老空水和应力场的联合作用才是引发煤矿突水事故的主因｡151304综采工作面煤柱留设宽度模拟结果位于经验公式计算范围以内,在实际应用中偏安全和经济｡

参考文献:

[1]崔雅.采空区积水腐蚀下对防隔水煤柱留设的影响[J].西部探矿工程,2024,36(1):144-147.

[2]王震.考虑导水裂隙带影响的导水断层防隔水煤柱优化计算[J].能源技术与管理,2023,48(5):96-99.

[3]王利强.受矿坑充水影响工作面防隔水煤柱留设分析[J].能源与节能,2023(7):45-47.

[4]朱敬忠,刘启蒙,刘瑜,等.断层活化特征及防隔水煤柱合理化留设研究[J].煤炭科学技术,2022,50(8):166-171.

[5]李光辉,王杰,谢道雷,等.基于断层封闭性的导水性评价及防隔水煤柱设计[J].中国矿业,2021,30(3):138-143.

文章来源:闫国龙.流-固耦合和采动作用下防隔水煤柱留设问题研究[J].能源与节能,2025,(05):244-246.