數(shù)值模擬方法確定防水煤柱的合理留設(shè)

穆明+王懷文

摘 要：當(dāng)煤層開采靠近斷層時(shí)，因煤層采動(dòng)將造成地應(yīng)力重新分布，斷層帶作為一個(gè)弱面可能發(fā)生斷層活化。文章借助數(shù)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(shè)。本次數(shù)值模擬分析采用RFPA軟件，即真實(shí)破裂過程分析（Realistic Failure Process Analysis）（簡(jiǎn)稱：RFPA）。通過所建模型的計(jì)算與分析，展現(xiàn)了煤層開采時(shí)煤層周圍巖石力學(xué)性質(zhì)的變化及對(duì)斷層的影響，確定了防水煤柱的合理尺寸。

關(guān)鍵詞：斷層活化；數(shù)值模擬；防水煤柱；RFPA

中圖分類號(hào)：TD822+.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：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(dāng)煤層開采接近斷層時(shí)，地應(yīng)力將重新分布，而斷層作為一個(gè)軟弱面，可能發(fā)生活動(dòng)，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(shè)可借助數(shù)值模擬來確定。

本次數(shù)值模擬分析采用RFPA軟件，即真實(shí)破裂過程分析（Realistic Failure Process Analysis）（簡(jiǎn)稱：RFPA），RFPA軟件是基于真實(shí)破裂過程分析方法研發(fā)的一個(gè)能夠模擬材料漸進(jìn)破壞的數(shù)值試驗(yàn)工具。

1 RFPA程序流程

RFPA程序的工作流程主要由實(shí)體建模與網(wǎng)格劃分、應(yīng)力計(jì)算及基元相變分析三部分完成，在RFPA系統(tǒng)運(yùn)行過程中，對(duì)每一步應(yīng)力、應(yīng)變的計(jì)算均采用全量加載，計(jì)算步之間相互獨(dú)立。

2 數(shù)值模擬過程及成果分析

2.1 建模

（1）數(shù)值模擬模型

本次數(shù)值模擬建兩個(gè)模型：每個(gè)模型各含一個(gè)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(xué)模型與材料參數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬。兩個(gè)模型水平方向取250m，垂直取200m，斷層設(shè)計(jì)未穿過上一層巖土層。為減少計(jì)算單元的數(shù)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(duì)研究巖層造成較大的影響，其抗壓強(qiáng)度人為增大到200MPa。（見圖1）

（2）材料參數(shù)

根據(jù)臨近鉆孔的巖土層物理力學(xué)指標(biāo)資料，并考慮到現(xiàn)位巖體與巖石試樣的差異，確定合理、準(zhǔn)確的力學(xué)參數(shù)。

2.2 模擬過程

（1）根據(jù)參數(shù)自動(dòng)計(jì)算巖體自重應(yīng)力，生成原始應(yīng)力場(chǎng)，將所有節(jié)點(diǎn)位移賦值為零，并保留應(yīng)力場(chǎng)。

（2）開采步長(zhǎng)為10m，逐步向斷層方向推進(jìn)。

（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(shí)煤層開采時(shí)發(fā)生的頂?shù)装迤茐募懊簩娱_采至斷層附近時(shí)斷層的破壞情況。

（4）考察斷層帶界面的力學(xué)效應(yīng)與破壞狀態(tài)、斷距對(duì)防水煤柱的影響以及隨開挖的推進(jìn)煤層周圍巖層的動(dòng)態(tài)發(fā)展。

（5）通過模擬確定斷層附近保護(hù)煤柱的厚度。

2.3 計(jì)算結(jié)果及分析

（1）模型Ⅰ（斷距20m）計(jì)算結(jié)果及分析

模型I為斷層落差為20m的數(shù)值模型，彈性模量圖及最大主應(yīng)力圖見圖2～3。

模擬結(jié)果表明，隨著工作面的推進(jìn)，開采煤層圍巖運(yùn)動(dòng)具有如下變化規(guī)律：

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

b. 當(dāng)工作面推進(jìn)30m時(shí)（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(fā)展，斷層處有少量裂隙出現(xiàn)，斷層沒有發(fā)生明顯變化，可以認(rèn)為斷層對(duì)煤層的開采沒有影響；從最大主應(yīng)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(yīng)力高峰區(qū)為前拱腳的拱形結(jié)構(gòu)，即應(yīng)力拱。

c. 工作面推進(jìn)至70m時(shí)（距斷層80m左右），裂隙尺寸開始串級(jí)，由小尺度向大尺度發(fā)展，頂板裂隙高度發(fā)育至8m左右；同時(shí)，底板巖層受到擾動(dòng)，由于砂巖及煤10-1力學(xué)性質(zhì)偏弱，底板出現(xiàn)拉應(yīng)力破壞，影響范圍至下伏三灰；斷層受影響不大，裂隙略有發(fā)展。最大主應(yīng)力影響范圍不斷擴(kuò)大，其形態(tài)逐漸改變，超前應(yīng)力現(xiàn)象逐漸明顯，超前應(yīng)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(jìn)至100m時(shí)（距斷層50m左右），頂板破壞發(fā)育緩慢，最大主應(yīng)力應(yīng)力拱高度無明顯變化，并趨向平緩，最大主應(yīng)力外側(cè)的應(yīng)力拱逐漸呈“馬鞍形”，應(yīng)力影響范圍隨煤層開采向前擴(kuò)展；因煤層底板前方因支承壓力作用受到壓縮，開采過后，應(yīng)力得到釋放，底板處于膨脹狀態(tài)，且隨開采的不斷推進(jìn)過程中，底板一直處于壓縮-膨脹-再壓縮狀態(tài)，煤層底板剪切破壞現(xiàn)象加劇。

e. 工作面推進(jìn)至110m時(shí)（距斷層40m左右），煤層達(dá)到充分采動(dòng)階段，頂?shù)装迤茐睦^續(xù)發(fā)展，底板破壞深度超過10m；覆巖最大主應(yīng)力分布范圍更廣，應(yīng)力對(duì)巖層擾動(dòng)密集，上覆巖層應(yīng)力拱形成明顯的“馬鞍形”，應(yīng)力拱前拱腳發(fā)展至斷層面，斷層附近的開采煤層周圍巖層出現(xiàn)裂隙。當(dāng)工作面推進(jìn)至120m時(shí)（距斷層30m左右），斷層附近巖層破壞加劇，斷層應(yīng)力變化明顯，可以認(rèn)為煤層的開采會(huì)造成斷層的活動(dòng)。因此，可認(rèn)為當(dāng)工作面開采至110m時(shí)，煤層開采是安全的，此時(shí)煤層開采面距斷層40m。

（2）模型II（斷距60m）計(jì)算結(jié)果及分析

模型II為采區(qū)斷層落差為60m的數(shù)值模型，彈性模量圖及最大主應(yīng)力圖見圖4～5。

模擬結(jié)果表明，隨著煤層的開采，開采煤層圍巖運(yùn)動(dòng)具有如下變化規(guī)律：

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

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

c. 當(dāng)工作面推進(jìn)至50m時(shí)（距斷層100m左右），頂板裂隙繼續(xù)發(fā)展，高度8m左右，同時(shí)，由于下伏巖層強(qiáng)度較低，底板出現(xiàn)拉應(yīng)力破壞；斷層受影響不大，上方軟弱巖層裂隙略有發(fā)展。最大主應(yīng)力影響范圍不斷擴(kuò)大，但其形態(tài)仍為弧形，超前應(yīng)力現(xiàn)象逐漸明顯，弧形范圍不斷增大。

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

e. 工作面推進(jìn)至100m時(shí)（距斷層50m左右）， 煤層達(dá)到充分采動(dòng)階段，由于工作面的不斷推進(jìn)，煤層底板不斷受到壓縮-膨脹-再壓縮循環(huán)作用而加劇了剪切破壞，破壞深度超過10m，同時(shí)，斷層附近巖層開始發(fā)育裂隙；最大主應(yīng)力的應(yīng)力拱形成明顯的“馬鞍形”，超前應(yīng)力的影響推進(jìn)至斷層面。當(dāng)工作面推進(jìn)至110m時(shí)（距斷層40m左右），斷層附近巖層破壞迅速加劇，應(yīng)力變化明顯，可以認(rèn)為，此時(shí)斷層已經(jīng)受到比較大的影響，同時(shí)，底板破壞迅速發(fā)展，上覆巖層變形加劇。因此，可認(rèn)為工作面開采至距斷層100m時(shí)，煤層開采是安全的，此時(shí)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(shí)煤層周圍巖層力學(xué)性質(zhì)的變化及對(duì)斷層的影響。斷層對(duì)煤層的開采是有一定影響的，因此須留設(shè)足夠的斷層保護(hù)煤柱厚度來保證煤層開采的安全性。通過數(shù)值模擬，可以得到較精確的保護(hù)煤柱厚度，對(duì)于煤9，斷距為20m時(shí)保護(hù)煤柱厚度為40m，斷距為60m時(shí)保護(hù)煤柱厚度為50m。

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