数值模拟方法确定防水煤柱的合理留设

摘 要：当煤层开采靠近断层时，因煤层采动将造成地应力重新分布，断层带作为一个弱面可能发生断层活化。文章借助数值模拟来确定开采条件下的断层活化及防水煤柱的合理留设。本次数值模拟分析采用RFPA软件，即真实破裂过程分析（Realistic Failure Process Analysis）（简称：RFPA）。通过所建模型的计算与分析，展现了煤层开采时煤层周围岩石力学性质的变化及对断层的影响，确定了防水煤柱的合理尺寸。

关键词：断层活化；数值模拟；防水煤柱；RFPA

中图分类号：TD822+.3 文献标志码：A 文章编号：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

当煤层开采接近断层时，地应力将重新分布，而断层作为一个软弱面，可能发生活动，即为断层活化。开采条件下的断层活化及防水煤柱的合理留设可借助数值模拟来确定。

本次数值模拟分析采用RFPA软件，即真实破裂过程分析（Realistic Failure Process Analysis）（简称：RFPA），RFPA软件是基于真实破裂过程分析方法研发的一个能够模拟材料渐进破坏的数值试验工具。

1 RFPA程序流程

RFPA程序的工作流程主要由实体建模与网格划分、应力计算及基元相变分析三部分完成，在RFPA系统运行过程中，对每一步应力、应变的计算均采用全量加载，计算步之间相互独立。

2 數值模拟过程及成果分析

2.1 建模

（1）数值模拟模型

本次数值模拟建两个模型：每个模型各含一个断层，倾斜度为72°，断层落差分别为20m、60m，断层上、下盘岩体与破碎带选择合理力学模型与材料参数进行数值模拟。两个模型水平方向取250m，垂直取200m，断层设计未穿过上一层岩土层。为减少计算单元的数量，将距煤层60m以上直至地表的上覆岩土层等效为一重块，厚度20m，其重量由上覆岩土层厚度及重度来确定。为不使重块破坏后对研究岩层造成较大的影响，其抗压强度人为增大到200MPa。（见图1）

（2）材料参数

根据临近钻孔的岩土层物理力学指标资料，并考虑到现位岩体与岩石试样的差异，确定合理、准确的力学参数。

2.2 模拟过程

（1）根据参数自动计算岩体自重应力，生成原始应力场，将所有节点位移赋值为零，并保留应力场。

（2）开采步长为10m，逐步向断层方向推进。

（3）模型分为Ⅰ、Ⅱ两种。模型Ⅰ、Ⅱ分别模拟断层落差分别为20m和60m时煤层开采时发生的顶底板破坏及煤层开采至断层附近时断层的破坏情况。

（4）考察断层带界面的力学效应与破坏状态、断距对防水煤柱的影响以及随开挖的推进煤层周围岩层的动态发展。

（5）通过模拟确定断层附近保护煤柱的厚度。

2.3 计算结果及分析

（1）模型Ⅰ（断距20m）计算结果及分析

模型I为断层落差为20m的数值模型，弹性模量图及最大主应力图见图2～3。

模拟结果表明，随着工作面的推进，开采煤层围岩运动具有如下变化规律：

a. 煤层开采工作面推进10m（距断层140m左右），少量裂隙发育，宏观破坏不明显；煤层周围应力重新分布，在工作面前后方煤壁产生支承压应力升高区，在采空区上方形成正三角形的拉应力升高区。

b. 当工作面推进30m时（距断层120m左右），宏观破坏仍不明显，顶板裂隙及底板破坏有所发展，断层处有少量裂隙出现，断层没有发生明显变化，可以认为断层对煤层的开采没有影响；从最大主应力图上可以看出，顶板上方岩层形成两端以切眼处煤体为后拱脚，煤壁前方应力高峰区为前拱脚的拱形结构，即应力拱。

c. 工作面推进至70m时（距断层80m左右），裂隙尺寸开始串级，由小尺度向大尺度发展，顶板裂隙高度发育至8m左右；同时，底板岩层受到扰动，由于砂岩及煤10-1力学性质偏弱，底板出现拉应力破坏，影响范围至下伏三灰；断层受影响不大，裂隙略有发展。最大主应力影响范围不断扩大，其形态逐渐改变，超前应力现象逐渐明显，超前应力形成的前脚拱随工作面不断前移，拱形范围不断增大。

d. 工作面推进至100m时（距断层50m左右），顶板破坏发育缓慢，最大主应力应力拱高度无明显变化，并趋向平缓，最大主应力外侧的应力拱逐渐呈“马鞍形”，应力影响范围随煤层开采向前扩展；因煤层底板前方因支承压力作用受到压缩，开采过后，应力得到释放，底板处于膨胀状态，且随开采的不断推进过程中，底板一直处于压缩-膨胀-再压缩状态，煤层底板剪切破坏现象加剧。

e. 工作面推进至110m时（距断层40m左右），煤层达到充分采动阶段，顶底板破坏继续发展，底板破坏深度超过10m；覆岩最大主应力分布范围更广，应力对岩层扰动密集，上覆岩层应力拱形成明显的“马鞍形”，应力拱前拱脚发展至断层面，断层附近的开采煤层周围岩层出现裂隙。当工作面推进至120m时（距断层30m左右），断层附近岩层破坏加剧，断层应力变化明显，可以认为煤层的开采会造成断层的活动。因此，可认为当工作面开采至110m时，煤层开采是安全的，此时煤层开采面距断层40m。

（2）模型II（断距60m）计算结果及分析

模型II为采区断层落差为60m的数值模型，弹性模量图及最大主应力图见图4～5。

模拟结果表明，随着煤层的开采，开采煤层围岩运动具有如下变化规律：

a. 煤层开采工作面推进10m（距断层140m左右），裂隙发育不明显；煤层周围应力重新分布，在工作面前后方煤壁产生支承压应力升高区，在采空区上方形成正三角形的拉应力升高区。

b. 当工作面推进30m时（距断层120m左右），顶板裂隙及底板破坏有所发展，断层处上方软弱岩层出现少量裂隙，断层没有发生明显变化；从最大主应力图上可以看出，煤层周围的岩层受到的拉应力为弧形分布，兩侧分布弧形拉应力，在煤层开采面前方产生超前应力，并随着煤层的开采，应力分布随着前移。

c. 当工作面推进至50m时（距断层100m左右），顶板裂隙继续发展，高度8m左右，同时，由于下伏岩层强度较低，底板出现拉应力破坏；断层受影响不大，上方软弱岩层裂隙略有发展。最大主应力影响范围不断扩大，但其形态仍为弧形，超前应力现象逐渐明显，弧形范围不断增大。

d. 工作面推进至70m时（距断层80m左右），裂隙开始由由小尺度向大尺度发展，顶板裂隙高度发育至10m左右，底板岩层拉剪破坏进一步发展，影响范围波及至下伏灰岩；此时，断层受影响不大。最大主应力图显示出，最大主应力影响范围不断扩大，其形态向“马鞍形”过渡，但其仍未完全改变，超前应力影响逐渐明显，不断前移。

e. 工作面推进至100m时（距断层50m左右）， 煤层达到充分采动阶段，由于工作面的不断推进，煤层底板不断受到压缩-膨胀-再压缩循环作用而加剧了剪切破坏，破坏深度超过10m，同时，断层附近岩层开始发育裂隙；最大主应力的应力拱形成明显的“马鞍形”，超前应力的影响推进至断层面。当工作面推进至110m时（距断层40m左右），断层附近岩层破坏迅速加剧，应力变化明显，可以认为，此时断层已经受到比较大的影响，同时，底板破坏迅速发展，上覆岩层变形加剧。因此，可认为工作面开采至距断层100m时，煤层开采是安全的，此时煤层开采面距断层50m。

3 断层各防水煤柱合理尺寸的综合分析

以上分析表明煤层开采时煤层周围岩层力学性质的变化及对断层的影响。断层对煤层的开采是有一定影响的，因此须留设足够的断层保护煤柱厚度来保证煤层开采的安全性。通过数值模拟，可以得到较精确的保护煤柱厚度，对于煤9，断距为20m时保护煤柱厚度为40m，断距为60m时保护煤柱厚度为50m。

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