數值模擬方法確定防水煤柱的合理留設

穆明+王懷文

摘 要：當煤層開采靠近斷層時，因煤層采動將造成地應力重新分布，斷層帶作為一個弱面可能發生斷層活化。文章借助數值模擬來確定開采條件下的斷層活化及防水煤柱的合理留設。本次數值模擬分析采用RFPA軟件，即真實破裂過程分析（Realistic Failure Process Analysis）（簡稱：RFPA）。通過所建模型的計算與分析，展現了煤層開采時煤層周圍巖石力學性質的變化及對斷層的影響，確定了防水煤柱的合理尺寸。

關鍵詞：斷層活化；數值模擬；防水煤柱；RFPA

中圖分類號：TD822+.3 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）28-0033-03

Abstract： When coal seams are close to faults， the stress distribution will be re distributed due to mining， and the faults will be activated as a weak surface. In this paper， numerical simulation is used to determine the activation of faults and the reasonable size of coal pillars under mining conditions.This numerical simulation uses RFPA， that is Realistic Failure Process Analysis. Through the calculation and analysis of the model， it shows the changes of rock mechanical properties around the coal seam and the influence to the fault during coal seam mining， and determines the reasonable size of the waterproof coal pillar.

Keywords： fault activation； numerical simulation； waterproof coal pillar； RFPA

當煤層開采接近斷層時，地應力將重新分布，而斷層作為一個軟弱面，可能發生活動，即為斷層活化。開采條件下的斷層活化及防水煤柱的合理留設可借助數值模擬來確定。

本次數值模擬分析采用RFPA軟件，即真實破裂過程分析（Realistic Failure Process Analysis）（簡稱：RFPA），RFPA軟件是基于真實破裂過程分析方法研發的一個能夠模擬材料漸進破壞的數值試驗工具。

1 RFPA程序流程

RFPA程序的工作流程主要由實體建模與網格劃分、應力計算及基元相變分析三部分完成，在RFPA系統運行過程中，對每一步應力、應變的計算均采用全量加載，計算步之間相互獨立。

2 數值模擬過程及成果分析

2.1 建模

（1）數值模擬模型

本次數值模擬建兩個模型：每個模型各含一個斷層，傾斜度為72°，斷層落差分別為20m、60m，斷層上、下盤巖體與破碎帶選擇合理力學模型與材料參數進行數值模擬。兩個模型水平方向取250m，垂直取200m，斷層設計未穿過上一層巖土層。為減少計算單元的數量，將距煤層60m以上直至地表的上覆巖土層等效為一重塊，厚度20m，其重量由上覆巖土層厚度及重度來確定。為不使重塊破壞后對研究巖層造成較大的影響，其抗壓強度人為增大到200MPa。（見圖1）

（2）材料參數

根據臨近鉆孔的巖土層物理力學指標資料，并考慮到現位巖體與巖石試樣的差異，確定合理、準確的力學參數。

2.2 模擬過程

（1）根據參數自動計算巖體自重應力，生成原始應力場，將所有節點位移賦值為零，并保留應力場。

（2）開采步長為10m，逐步向斷層方向推進。

（3）模型分為Ⅰ、Ⅱ兩種。模型Ⅰ、Ⅱ分別模擬斷層落差分別為20m和60m時煤層開采時發生的頂底板破壞及煤層開采至斷層附近時斷層的破壞情況。

（4）考察斷層帶界面的力學效應與破壞狀態、斷距對防水煤柱的影響以及隨開挖的推進煤層周圍巖層的動態發展。

（5）通過模擬確定斷層附近保護煤柱的厚度。

2.3 計算結果及分析

（1）模型Ⅰ（斷距20m）計算結果及分析

模型I為斷層落差為20m的數值模型，彈性模量圖及最大主應力圖見圖2～3。

模擬結果表明，隨著工作面的推進，開采煤層圍巖運動具有如下變化規律：

a. 煤層開采工作面推進10m（距斷層140m左右），少量裂隙發育，宏觀破壞不明顯；煤層周圍應力重新分布，在工作面前后方煤壁產生支承壓應力升高區，在采空區上方形成正三角形的拉應力升高區。

b. 當工作面推進30m時（距斷層120m左右），宏觀破壞仍不明顯，頂板裂隙及底板破壞有所發展，斷層處有少量裂隙出現，斷層沒有發生明顯變化，可以認為斷層對煤層的開采沒有影響；從最大主應力圖上可以看出，頂板上方巖層形成兩端以切眼處煤體為后拱腳，煤壁前方應力高峰區為前拱腳的拱形結構，即應力拱。

c. 工作面推進至70m時（距斷層80m左右），裂隙尺寸開始串級，由小尺度向大尺度發展，頂板裂隙高度發育至8m左右；同時，底板巖層受到擾動，由于砂巖及煤10-1力學性質偏弱，底板出現拉應力破壞，影響范圍至下伏三灰；斷層受影響不大，裂隙略有發展。最大主應力影響范圍不斷擴大，其形態逐漸改變，超前應力現象逐漸明顯，超前應力形成的前腳拱隨工作面不斷前移，拱形范圍不斷增大。endprint

d. 工作面推進至100m時（距斷層50m左右），頂板破壞發育緩慢，最大主應力應力拱高度無明顯變化，并趨向平緩，最大主應力外側的應力拱逐漸呈“馬鞍形”，應力影響范圍隨煤層開采向前擴展；因煤層底板前方因支承壓力作用受到壓縮，開采過后，應力得到釋放，底板處于膨脹狀態，且隨開采的不斷推進過程中，底板一直處于壓縮-膨脹-再壓縮狀態，煤層底板剪切破壞現象加劇。

e. 工作面推進至110m時（距斷層40m左右），煤層達到充分采動階段，頂底板破壞繼續發展，底板破壞深度超過10m；覆巖最大主應力分布范圍更廣，應力對巖層擾動密集，上覆巖層應力拱形成明顯的“馬鞍形”，應力拱前拱腳發展至斷層面，斷層附近的開采煤層周圍巖層出現裂隙。當工作面推進至120m時（距斷層30m左右），斷層附近巖層破壞加劇，斷層應力變化明顯，可以認為煤層的開采會造成斷層的活動。因此，可認為當工作面開采至110m時，煤層開采是安全的，此時煤層開采面距斷層40m。

（2）模型II（斷距60m）計算結果及分析

模型II為采區斷層落差為60m的數值模型，彈性模量圖及最大主應力圖見圖4～5。

模擬結果表明，隨著煤層的開采，開采煤層圍巖運動具有如下變化規律：

a. 煤層開采工作面推進10m（距斷層140m左右），裂隙發育不明顯；煤層周圍應力重新分布，在工作面前后方煤壁產生支承壓應力升高區，在采空區上方形成正三角形的拉應力升高區。

b. 當工作面推進30m時（距斷層120m左右），頂板裂隙及底板破壞有所發展，斷層處上方軟弱巖層出現少量裂隙，斷層沒有發生明顯變化；從最大主應力圖上可以看出，煤層周圍的巖層受到的拉應力為弧形分布，兩側分布弧形拉應力，在煤層開采面前方產生超前應力，并隨著煤層的開采，應力分布隨著前移。

c. 當工作面推進至50m時（距斷層100m左右），頂板裂隙繼續發展，高度8m左右，同時，由于下伏巖層強度較低，底板出現拉應力破壞；斷層受影響不大，上方軟弱巖層裂隙略有發展。最大主應力影響范圍不斷擴大，但其形態仍為弧形，超前應力現象逐漸明顯，弧形范圍不斷增大。

d. 工作面推進至70m時（距斷層80m左右），裂隙開始由由小尺度向大尺度發展，頂板裂隙高度發育至10m左右，底板巖層拉剪破壞進一步發展，影響范圍波及至下伏灰巖；此時，斷層受影響不大。最大主應力圖顯示出，最大主應力影響范圍不斷擴大，其形態向“馬鞍形”過渡，但其仍未完全改變，超前應力影響逐漸明顯，不斷前移。

e. 工作面推進至100m時（距斷層50m左右）， 煤層達到充分采動階段，由于工作面的不斷推進，煤層底板不斷受到壓縮-膨脹-再壓縮循環作用而加劇了剪切破壞，破壞深度超過10m，同時，斷層附近巖層開始發育裂隙；最大主應力的應力拱形成明顯的“馬鞍形”，超前應力的影響推進至斷層面。當工作面推進至110m時（距斷層40m左右），斷層附近巖層破壞迅速加劇，應力變化明顯，可以認為，此時斷層已經受到比較大的影響，同時，底板破壞迅速發展，上覆巖層變形加劇。因此，可認為工作面開采至距斷層100m時，煤層開采是安全的，此時煤層開采面距斷層50m。

3 斷層各防水煤柱合理尺寸的綜合分析

以上分析表明煤層開采時煤層周圍巖層力學性質的變化及對斷層的影響。斷層對煤層的開采是有一定影響的，因此須留設足夠的斷層保護煤柱厚度來保證煤層開采的安全性。通過數值模擬，可以得到較精確的保護煤柱厚度，對于煤9，斷距為20m時保護煤柱厚度為40m，斷距為60m時保護煤柱厚度為50m。

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