断层活化及防水煤柱留设数值模拟研究.pdf
《断层活化及防水煤柱留设数值模拟研究.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《断层活化及防水煤柱留设数值模拟研究.pdf(5页珍藏版)》请在文库网上搜索。
1、1042023 年第 10 期断层活化及防水煤柱留设数值模拟研究王 利1 王忠雪2 李 瑶2(1.山东济宁运河煤矿有限责任公司,山东 济宁 272055;2.山东科技大学资源学院,山东 泰安 271019)摘 要 为解决阳城煤矿 1311 工作面 FD121 断层活化造成工作面突水的问题,利用 FLAC3D模拟分析留设不同宽度煤柱及使用“只采不放”方法,对工作面回采过程中覆岩应力场、断层滑移、塑性破坏特性以及断层活化特性等展开研究。结果表明:防水煤柱宽度越小,工作面正应力、剪应力和最大主应力越大;断层面位移越大,上、下盘塑性区接触越大,突水概率越大。邻近 FD121 断层开采时,留设 22 m
2、 煤柱是可靠的,而当只采不放时,“采”部分的煤柱可减小为 16 m。关键词 数值模拟;断层活化;应力场;塑性区;流固耦合中图分类号 TD822+.3 文献标识码 B doi:10.3969/j.issn.1005-2801.2023.10.024Numerical Simulation Study on Fault Activation and Waterproof Coal Pillar SettingWang Li1 Wang Zhongxue2 Li Yao2(1.Shandong Jining Yunhe Coal Mine Co.,Ltd.,Shandong Jining 27205
3、5;2.School of Resources,Shandong University of Science and Technology,Shandong Taian 271019)Abstract:In order to solve the problem of water inrush caused by the activation of the FD121 fault in the 1311 working face of Yangcheng Coal Mine,using FLAC3D to simulate and analyze the setting of coal pill
4、ars with different widths and the use of only mining without caving method,and conducting research on the stress field,fault slip,plastic failure characteristics,and fault activation characteristics of the overlying rock during the mining process of the working face.The results show that the smaller
5、 the width of the waterproof coal pillar,the greater the normal stress,shear stress,and maximum principal stress of the working face;The larger the displacement of the fault plane,the greater the contact between the plastic zones of the upper and lower walls,and the greater the probability of water
6、inrush.When mining near the FD121 fault,setting a 22 m coal pillar is reliable,but when only mining without caving,the mining part of the coal pillar can be reduced to 16 m.Key words:numerical simulation;fault activation;stress field;plastic zone;fluid solid coupling收稿日期 2023-03-11作者简介 王利(1980),男,山东
7、邹城人,2013 年毕业于山东科技大学采矿工程专业,本科,高级工程师,主要从事煤矿安全生产与管理工作。王 利等:断层活化及防水煤柱留设数值模拟研究随着我国浅部煤炭资源开发殆尽,并且煤炭需求量逐年递增,我国未来要转向深部开采,深部煤层赋存条件越来越复杂,特别是断层构造使开采难度大大增加1-2,因此,开展断层发育对工作面开采产生的影响的研究非常重要。在采动影响下,断层上盘和下盘沿断层面发生相对滑移,引起断层活化现象,使得断层的导水性增加,更容易形成突水通道3-4。当前,国内外学者针对采动影响下断层活化机理与其发展现状进行了一系列研究。彭文庆等5运用各力学理论推导了不同断层倾角的防水煤柱宽度计算公式
8、。师维刚等6通过建模分析,对防水隔离煤柱重新分区,规范了相关经验参数取值,使得防水煤柱设计更加全面。姜耀东等7通过在断层模型中添加监测点,观察法向应力和剪应力变化以研究断层活化规律,发现工作面距离断层越近,断层越易于活化。程浩等8模拟研究了断层在采动影响下对煤层顶底板变形的影响过程,对比发现断层情况下更容易引发突水危险。吴俊达等9使用相似材料模拟试验与数值模拟两种方法,对采动影响下断层的活化特征和煤柱留设进行了分析。杨本水等10研究断层对煤层围岩的影响程度,发现断层情况下预留合适长度的煤柱可以有效预防水害。朱光丽等11、张培森等31213、王浩杰等14利用数值模拟方法对断层活化突水的影响因素、
9、覆岩运动破坏形态、1052023 年第 10 期王 利等:断层活化及防水煤柱留设数值模拟研究底板裂隙延伸特征等展开研究。随着煤炭资源开采深度和强度的持续增加,断层活化导致的突水灾害严重威胁生产安全,因此,为了防止断层以及断层附近裂缝造成工作面突水,需要留设尺寸合理的断层保护煤柱。通过 CAE 近些年发展,使用有限差分数值模拟的方法可模拟断层在留设不同宽度防水煤柱时的活化程度,可以为工作面留设防水煤柱的尺寸提供参考依据15。本文通过分析 FLAC3D模拟留设不同宽度煤柱时,煤层开采过程中覆岩应力场变化规律、塑性区破坏特征及孔压和水流速度变化特征,然后综合对比分析,为断层防水保护煤柱宽度留设提供依
10、据。1 地质概况阳城煤矿 1311 综采放顶煤工作面走向长度 517 m,倾向长度 200 m,煤层埋深在-410-640 m,煤岩层倾角平均 20,3 煤厚度平均 7.2 m。煤层及顶板层理发育,内生裂隙较多;1311 工作面可能引起水害的主要充水含水层为山西组 3 煤层顶板砂岩含水层、石炭系太原组三灰以及断层水,其中3 煤顶板砂岩为直接充水含水层。工作面存在一正断层为 FD121 断层,FD121 断层走向 45,倾向315,倾角 50,落差 2050 m。2 数值模拟模型建立合理的计算范围对确保计算精度至关重要,本次模拟确定了如下的计算范围:模型尺寸长 宽 高=825 m200 m265
11、 m。根据研究目的,对断层上、下盘煤层及煤层直接顶网格进行加密处理,网格划分如图 1 所示。在模型的四周边界均约束水平位移,底部边界约束水平位移和垂直位移,上边界为自由面。本模型所受的重力载荷梯度为 25 kPa,上边界模拟岩层等效均布荷载q=h=25009.8350 8.58 MPa。根据大量的岩石力学试验以及工程类比可以得知,Mohr-Coulomb准则能较好地反映出岩石破坏特性,因此选取Mohr-Coulomb 本构模型进行分析。模拟计算所采用的岩体力学参数见表 1。利用数值模拟软件 FLAC3D,分析 1311 工作面开采对 FD121 断层活化的影响。方案一为模拟断层防水煤柱宽度分别
12、留设 33 m、27 m、22 m、16 m和 11 m 时,煤层开采过程对断层活化的影响;方案二为当断层防水煤柱宽度设定在 27 m 不变情况下,在煤柱部分工作面只采不放,逐渐缩小开采部分的煤柱尺寸为 22 m、16 m、11 m 时,煤层开采过程对断层活化的影响。图 1 模型网格划分表 1 各种岩性的物理力学参数岩性体积模量/GPa剪切模量/GPa抗拉强度/MPa内聚力/MPa内摩擦角/()中砂岩3.52.53.018.032细砂岩3.32.42.88.232粉砂岩4.03.02.23.5333 煤1.81.40.91.830泥岩2.81.91.83.432砂质泥岩3.32.42.58.5
13、323 数值模拟结果分析3.1 煤层开采过程中覆岩应力场特征由图 2(a)可知,随着工作面推进,防水煤柱宽度越小,最大剪应力和最大主应力均呈现逐渐增大的趋势。煤柱分别为 33 m、27 m、22 m、16 m 和 11 m 时,工作面采动对应的正应力分别为4.75 MPa、4.82 MPa、4.91 MPa、5.40 MPa 和 5.36 MPa,对应的最大剪应力分别为 2.42 MPa、2.48 MPa、2.52 MPa、2.59 MPa 和 2.77 MPa,对应的最大主应力分别为2.66 MPa、2.68 MPa、2.78 MPa、2.88 MPa 和 3.11 MPa,留设 11 m
14、煤柱较 33 m 煤柱分别增长 12.8%、14.5%和 16.9%。当防水煤柱宽度大于 16 m 时,正应力随防水煤柱宽度的减小而逐渐增长,且在 22 m 时增长趋势更加明显。防水煤柱宽度小于 16 m 时,正应力随防水煤柱宽度的减小而缓慢减小,正应力在防水煤柱宽度为 11 m 时较之 16 m 时降低了约 0.7%。由图2(b)可知,“开采”部分煤柱分别为27 m、22 m、16 m、11 m 时,工作面采动对应的正应力分别 为 4.82 MPa、4.90 MPa、4.91 MPa、5.45 MPa,对应的剪应力分别为 2.482 MPa、2.526 MPa、2.524 MPa、2.465
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 断层 活化 防水 煤柱留设 数值 模拟 研究