采场底板断层防水煤柱留设研究

第24卷增2岩石力学与工程学报Vol.24 Supp.2 2005年11月Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Nov.，2005 采场底板断层防水煤柱留设研究施龙青1，韩进1，2，刘同彬3，景继东3，李子林3(1. 山东科技大学，山东青岛 266510；2. 上海大学机电工程与自动化学院，上海 200072；3. 新汶矿业集团地质测量处，山东新汶 271000)摘要：采场断层防水煤柱的合理留设关系到煤矿安全较大，其留设不仅要考虑断层本身的性质，还应考虑矿山压力这个因素。

采场附近煤体划分为弹性区和非弹性区，但非弹性区不具有隔水性能。

根据采场支承压力的分布特征，推导出非弹性区范围的计算公式；根据推进方向上采场底板应力分布特征，应用计算机模拟矿山压力高峰应力在底板中传播的方向，建立采场底板突水的力学模型，得出底板水通道是由断层和被矿山压力破坏的底板岩层联合组成的结论。

其突出的条件为：煤层开采造成的底板破坏深度不小于底板高峰应力线与断层交点的深度。

在此基础上推导出采场断层防水煤柱留设计算公式，并用实例验证该公式的合理性。

关键词：采矿工程；采场；断层；防水煤柱；设计中图分类号：TD 82 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2005)增2–5585–06STUDY ON DESIGN OF SAFETY PILLAR AGAINST WATER-INRUSHTHROUGH STOPE SILL FAULTSSHI Long-qing1，HAN Jin1，2，LIU Tong-bin3，JING Ji-dong3，LI Zi-lin3(1. Shandong University of Science and Technology，Qingdao266510，China；2. College of Mechatronics Engineering and Automation，Shanghai University，Shanghai200072，China；3. Office of Geology and Survey，Xinwen Mining Group，Xinwen271000，China)Abstract：The rational design of safety pillar against water-inrush through stope sill faults is very important to the safety of coal mines. The characteristics of faults and the underground pressure are considered in the design. The coal body around mining area can be divided into two parts：the elastic area and the non-elastic area，where the latter does not have water-resisting function. The formulas to calculate the range of non-elastic area are deduced according to supporting pressure distribution characteristics. Based on the floor stress distribution characteristics in the direction of face advance，the developing direction of peak stress for underground pressure in floor is simulated and the mechanical models of water-inrush from floor are constructed. The results show that the passageway of water-inrush from floor consists of fault and broken floor strata caused by underground pressure. The condition of water-inrush from floor is that the depth of broken floor strata，caused by underground pressure，is not less than that of the join of peak stress line of underground pressure in floor with the fault. The formulas to design safe pillar against water-inrush from faults are achieved according to above results and a case study shows that the formula is reasonable.Key words：mining engineering；stope sill；fault；safety pillar against water-inrush；design收稿日期：2004–02–15；修回日期：2004–12–08基金项目：国家自然科学基金资助项目(50374044)；山东省优秀中青年科学家科研奖励基金项目(2004BS08004)作者简介：施龙青(1964–)，男，博士(博士后)，1999年于山东科技大学采矿工程专业获博士学位，现任教授，主要从事矿井水害及地质工程方面的• 5586 • 岩石力学与工程学报 2005年1 引 言目前，断层按照其导水性可划分为导水断层和不导水断层[1]，无论是导水断层还是不导水断层，现场一般都要求留设断层防水煤柱。

现场对采场底板断层防水煤柱留设没有统一的标准，有的根据断层的落差，人为制定留设断层防水煤柱的标准；有的根据储量计算及要求留设断层防水煤柱；有的根据一些规程规定留设断层防水煤柱[1]；有的则是根据经验公式留设断层防水煤柱。

所有这些留设断层防水煤柱的方法，只考虑断层本身的性质和特征，而没考虑采场矿山压力这个因素。

本文认为，采场底板断层的突水不应仅仅被看成地质及水文地质现象的一种表现，而应同时被看成矿山压力显现的一种特殊表现形式[2]。

因此，在研究采场底板断层防水煤柱时，必须考虑矿山压力这个因素。

2 采场支承压力的分布特征采场附近煤体上的支承压力往往超过其极限强度，在煤壁附近形成非弹性区。

按照弹塑性软化模型，分别处于弹性、软化和流动的区域相应地称为弹性区、塑性区、破碎区[3，4]，如图1所示。

Ⅰ—破碎区；Ⅱ—塑性区；Ⅲ—弹性区图1 工作面前方煤体变形区域Fig.1 Deformational areas of coal body ahead working face非弹性区包括破碎区和塑性区，其范围x g 为[]⎭⎬⎫⎩⎨⎧−−=−)1(1ln 12*c c /)(2*c 1g ξσξσξs l P x (1a)其中，⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎪⎪⎪⎪⎪⎬⎫−====ϕϕγξξsin 1cos 222c max 021c s H K P fk S M h fk p t p(1b)式中：f 为岩层与顶底板之间的摩擦系数，h 为煤层厚度，ϕ为煤体的内摩擦角，*c σ为单轴压缩时的残余强度，P 为最大支承压力，K max 为峰值应力集中系数，γ为上覆岩层的容重，H 为煤层采深，c 为煤体的粘聚力。

塑性区x 2范围为)(*c c t02σ−=s S M h x (2) 式中：M 0为煤体塑性软化模量，且，00tan θ=Mθ0为煤体塑性软化角；t S 为塑性区煤体应变梯度，且αtan t =S ，α为塑性区煤层顶底板变形角之和。

破碎区x 1范围为2g 1x x x −= (3)3 推进方向上采场底板应力分布特征利用2D –σ有限元程序分析采场底板应力分布特征。

在工作面中部沿推进方向作一剖面，按平面应变状态建立工作面前后方70 m 、煤层下方60 m 范围的底板岩体，其采深为300 m ，使用支承压力等效。

底板弹性参数E = 104 MPa ，µ = 0.25，岩体容重γ = 25 kN/m 3，均质层状岩体，侧向水平方向固定，底板垂向固定。

采场底板垂直应力的分布具有以下特征(如图2所示)：(1) 底板中垂直应力的大小受到煤体支承压力的控制，支承压力大的部位，对应底板中的垂直应力也大；支承压力小的部位，对应底板中的垂直应力亦小，但两者不存在正比关系。

(2) 底板中应力等值线的分布具有“泡形”特征。

(3) 垂直应力随底板深度的增加而减小，其峰值按负指数规律衰减。

(4) 底板中高峰应力线不是一条以支承压力高第24卷增2 施龙青等. 采场底板断层防水煤柱留设研究 • 5587 •注：垂直应力分布σr /(γ h)图2 底板垂直应力等值线Fig.2 Contour of floor vertical stress峰位置为起点的垂直向下的直线，而是一条深入煤体前方的斜线。

底板中水平应力因受垂直应力的集中和卸压的影响，也出现应力升高和降低的现象。

从有限元分析可看出，在煤体下方的浅部，水平应力相对集中，深部卸压；而在采空区下方，浅部卸压，深部相对集中(如图3所示)。

注：水平应力分布σx/(λγ h)，λ= 1/3图3 底板水平应力等值线Fig.3 Contour of floor horizontal stress底板中的剪应力在原岩应力区为0，但由于受采动的影响，在煤壁附近的底板中，剪应力有一个增加区(如图4所示)。

平均应力分布(τxy/γ h)图4 底板剪应力等值线Fig.4 Contour of floor shear stress情况，底板岩层的活动情况可以划分出如图5所示的几个区。

这种分区对突水机理具有很重要的意义，例如位于I，II的底板岩层因尚未被采场支承压力而破坏，具有原始的隔水能力，而III，IV的底板岩石因遭受破坏，其隔水能力大大受到损伤。

I—原始应力区；II—应力升高区(压缩区)；III—应力降低区(膨胀区)；IV—应力恢复区(重新压缩区)；A—拉伸破裂区；B—层面滑移区；C—软弱岩层剪破裂区；a1，a2，a3—原岩应力等值线；b—高峰应力传播线；c—危险剪切破坏线；θ1—原岩应力传播角，10°～20°；θ—高峰应力传播角，20°～25°；θ2—危险剪切破坏方向与法线夹角，20°～25°图5 底板活动全貌Fig.5 Full view of floor action4 断层突水条件如图6所示，煤壁到断层的距离为a，高峰应力传播角为θ，其与倾角为α的断层交于A点，z为交点距煤层底的深度。