数值模拟方法确定防水煤柱的合理留设
沿空留巷煤柱合理预留宽度研究
2651 前言在多年的开采过程中，众多开采难题制约着发展，其中沿空留巷煤柱留设稳定性是一个较为突出的问题。
沿空留巷是指利用上个采空区的运输巷道或者回风巷道为下个工作面开采提供条件的一种技术，但受到工作面采动影响，此时留巷极易发生垮落变形，留巷煤柱上方覆岩在达到承载极限后会发生断裂，严重影响煤柱稳定性[1-2]，造成巷道报废，严重困扰着煤矿安全生产，所以针对沿空留巷煤柱留设宽度进行研究对于留巷成功与否十分关键[3-4]，此前众多学者对此进行过一定的研究，本文基于前人的研究，对煤柱合理留设宽度进行分析，为矿井安全提升，效益提升做出一定的贡献。
2 矿井概况及数值模拟研究正利矿位于山西省岚县县城东南10km处，井田面积为9.26km 2，设计生产能力1.5Mt/a。
14102综采工作面现开采山西组4#煤层，煤层平均厚度3.5m。
工作面在回采后，此时的煤柱的应力分布情况不仅与巷道掘进和工作面回采支撑压力有关有关，同时其与煤柱宽度有着密切的关系，煤柱与煤柱宽度有关，支撑压力与煤柱宽度存在3种情况：分别为当煤柱宽度较小，此时的支撑压力范围会超过煤柱宽度，此时的煤柱塑性区域增大，由于回采及掘进的影响使得煤柱两侧的 支撑压力暴增，煤柱承担载荷较大，随着支撑时间的不断推移，此时由于覆岩和采动双重作用下，此时的煤柱稳定性进一步被破坏，但塑性区域发生贯通时，此时的煤柱无法 承担载荷，从而发生失稳破坏，严重威胁着矿井安全。
当煤柱宽度较大时，此时支撑 压力影响范围小于煤柱宽度，在巷道回采及掘进双重作用下，此时煤柱两侧的支撑压力值仍会升高，达到支撑压力的峰值，但此时煤柱中间部位仍为弹性区域，煤柱的支撑压力呈现出类似“马鞍”形态，能承担较大荷载，此时巷道稳定性得到有效保障。
当煤柱宽度极大时，此时支撑压力影响范围远小于煤柱压力影响范围，巷道掘进和回采的影响下煤柱两侧的支承压力仍会升高，达到支撑压力峰值时，此时的弹性核区的支撑压力原低于原岩应力。
建筑物下保护煤柱留设方法
建筑物下保护煤柱留设方法说实话建筑物下保护煤柱留设方法这事，我一开始也是瞎摸索。
我最初就知道这煤柱留设肯定得考虑建筑物的重量、地基情况之类的。
我试过一种特别简单，但糙得不行的办法。
我就大概估计了一下建筑物多重，然后按照以往一些很宽泛的经验，在建筑物底下留了一块煤。
结果呢，不是这块煤柱留大了，导致资源浪费，就是留小了，感觉对建筑物有点威胁。
我当时就意识到，这样可不行，没有严谨的计算方法是不科学的。
后来我就开始去找各种相关公式。
有一个方法吧，要考虑很多的参数，像什么煤体的抗压强度啦，还有建筑物施加的应力这些。
我就像做菜一样，要把各种配料的量都搞清楚。
这个抗压强度就像是面粉的筋度一样，不同的煤它的“筋度”不同，能承载的压力就不一样。
在计算的时候，要先确定这个煤体到底算是“高筋面粉”还是“低筋面粉”。
然后再看建筑物的应力，就像给这块煤柱上面放了多重的东西一样，这个东西又分布得均不均匀，就像你在盘子里堆食物，是堆得很整齐还是东一块西一块地乱堆。
不过我在计算建筑物应力的时候犯过错误。
我只考虑了建筑物本身的重量，就像只算上了房子是砖头钢筋的重量，却忘记了一些活荷载，像屋子里住人啊，放些大型设备之类的情况。
这个让我的计算结果偏差挺大的。
还有地质构造这个因素也特别重要。
有些地方的地质就像裂了缝的盘子，煤柱在这种地方留设就得小心再小心。
我开始不知道，也是按照普通情况算，后来发现不行。
要是遇到地质有褶皱或者断层，这煤柱的形状可能还得调整调整，不能是规规矩矩的方形或者圆形了。
后来又尝试了整合多个方法。
把不同计算方式得出的结果，取一个比较保险的值。
就像出门多带点钱，有时候怕这个计算少算了什么，多留一点就更安全。
到现在呢，我觉得建筑物下保护煤柱留设方法，重中之重就是各种数据一定要收集齐了算准了，越详细越好。
然后就是多参考一些实际的成功案例，看看人家在类似情况下是怎么干的。
每个建筑物和煤田都有各自的特点，都得具体情况具体分析。
承压水上工作面断层防水煤柱留设数值模拟研究
采范围内ꎬ断层落差平均为 ５８ ｍꎬ１３０３ 工作面剖面 如图 １ 所示ꎮ
图 １ １３０３ 工作面剖面
２ 断层防水煤柱留设计算
在矿山压力作用下ꎬ煤层在开挖过程中ꎬ当工作 面煤壁前方的垂直压力高于煤层底板自身抗压强 度ꎬ此时底板发生破坏ꎬ沿工作面煤壁向前ꎬ依次分 为破碎区、塑性区、弹性区ꎬ三区中塑性区破坏范围 最深ꎬ也是导水通道的主要位置ꎮ
２ ６００
４. ２
３. ２
４. ６
４. ３１
３６
１
７. ０
１ ４００
１. ２
０. ６
０. ８
１. １０
１９
４
１８
２ ６００
４. ２
３. ２
４. ６
４. ３１
３６
３
９
２ ２００
据不完全统计ꎬ８５％ 以上的煤矿底板突水事故 均是由断层引起的[１] ꎮ 随着开采深度的不断加大ꎬ 底板承压水越来越显现ꎬ断层突水已成为制约煤层 安全高效生产的一个重要因素[２ －４] ꎮ 解决和预防断 层突水多采用留设断层防水煤柱的方法ꎮ 但是断层 煤柱留设没有一个明确的标准ꎬ常用的方法多从矿 山压力角度ꎬ给出应力峰值计算方法ꎬ认为当煤层底 板的最大破坏深度值大于应力峰值点到断层的距离 时会发生突水ꎮ 对断层防水煤柱留设的研究大多停 留在矿山压力上ꎬ没有综合考虑水压和断层岩石力 学性质等因素ꎮ 断层煤柱的留设应该考虑多个因素 的相互作用ꎬ要结合矿山压力作用ꎬ承压水和地质构 造力的作用ꎮ 本文以王楼矿 １３０３ 工作面为研究背 景ꎬ采用 ＦＬＡＣ３Ｄ数值模拟最终得出断层防水煤柱宽 度ꎬ为以后防水煤柱的研究提供借鉴[５ －６] ꎮ
５０ ｍ边 界 煤 柱ꎬ 从 第 ５１ｍ 处 进 行 开 挖ꎬ 每 次 开 挖 １ 所示ꎮ
近距离薄煤层开采断层防水煤柱留设分析
ｌ ６ 煤层顶板直接充水含水层为十 灰， 据邻 区煤矿 抽水试验资料 ， 其富水性较弱。
关于 ｌ ６ 煤 层 受 奥灰 底 鼓 水 的影 响 程度 ， 由于揭 露 １ ６ 煤 底至 奥灰 顶 间距 的钻 孔较 少 。现 据 已有 资料及 邻 区资料 对开 采取 １ ６ 煤层 的安 全 隔水层 厚度 进行 预计 。
，
方法也各有 区别 ， 存在按 照断层落差人为的制定煤柱 留设 宽度 ， 按 照矿 井储 量 就要 计算 防水煤 柱 宽度 ， 按 照
煤矿 规程 留设 断层 煤 柱 以及 按 照根据 经 验公式 设 计 防 水 煤柱 等 等方 法 ， 由于 煤 矿 地 质条 件及 岩 石 力 学 条
按《 煤矿防治水规定 ￣ （ ２ ｏ ｏ ９ 年） 附录四中安全隔水
井 田东 、 西、 南、 北 各 为断层 切 断 ， 落差 大 于 ２ ０ ｍ 的
Ｈ＿ 一 水压值 ， 为６ ２ ０ ． Ｏ Ｏ ｔ ｆ ／ ｍ２ 。
断层 ３ ６ 条， 落差 １ Ｏ ～２ ０ ｍ的断层 １ ６ 条 。断层承局部导 水或弱 导水 ， 水 文 地质 条 件属 于 简单一 中等类 型 ， 矿 井 最大涌 水 量 为 １ ９ ９ ０ 年１ ２ 月２ ２日的 ６ ４ ６ ． ６ ８ ｍ。 ／ ｈ ， 近５ 年 平均涌水量为 ２ ６ ３ ． ９ ５ ｍ。 ／ ｈ 。 ２ 煤层 充水 因素 分析
Ｌ （ 、 一ｒ Ｌ ） ／ ４ Ｋ ｐ －５ ６ ． １ ８ ｍ
件 的差 异 ， 单 独 采 用 这些 方 法 计 算 断 层 防水 煤 柱 不 尽 准确 ， 而充 分 考 虑岩 石 的物 理 力 学特 性 的数值 计 算 方 法可 以弥 补 上述 方法 的不 足 ］ ， 为此 ， 在 理论 分 析地 质 构造 、 断层 特 征及 充水 因素 的基 础上 ， 采 用理 论计 算 及
各类防隔水煤(岩)柱的留设
各类防隔水煤（岩）柱的留设一、煤层露头防隔水煤（岩）柱的留设，按以下公式计算： 1、煤层露头无覆盖或被粘土类微透水松散层覆盖时： Ｈ防=Ｈ冒+Ｈ保2、煤层露头被松散富含水层覆盖时（见附图7-1）： Ｈ防=Ｈ裂+Ｈ保根据上两式计算的值，不得小于20m 。
式中冒高（H 冒）、裂高（H 裂）的计算参照《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》的相关规定。
式中：H 防-----防隔水煤（岩）柱高度（m ）； H 冒-----采后冒落带高度（m ）；H 裂-----垂直煤层的导水裂隙带最大高度（m ）； H 保-----保护层厚度（m ）； α------煤层倾角（°）。
附图 6-1附图7-1二、含水或导水断层防隔水煤柱的留设（附图7-2）可参照以下经验公式计算：0.5L 20m 式中：L----煤柱留设的宽度（m ） K----安全系数（一般取2-5）； M-----煤层厚度或采高（m ）； P-----水头压力（kgf/cm 2）； K P ----煤的抗张强度（kgf/cm 2）。
附图 8-2附图7-2三、煤层与强含水层或导水断层接触，并局部被覆盖时（附图7-3），防水煤柱的留设：（b）附图8-3（c）（a）附图7-31.当含水层顶面高于最高导水裂隙带上限时，防水煤柱可按附图7-3a、b留设。
计算公式为：123cosL L L L H H ctg H ctgθθα=++=++安裂裂2.最高裂隙带上限高于断层上盘含水层时，防水煤柱按附图7-3c留设。
计算公式为：()()() 123sin cos cosL L L L H ctg H M ctg ctgααθαθα=++=-++⋅+安安≥20m以上两式中：L-----防隔水煤（岩）柱宽度（m）,L1、L2、L3为分段宽度；H裂-----最大导水裂隙带高度（m）；θ----断层倾角（°）；α ----岩层塌陷角（°）；M-----断层上盘含水层层面高出下盘煤层底板的高度（m）；H安----导水裂隙带至含水层间防水岩柱的厚度（m）。
任楼煤矿F3-F4断层间块段留设防水煤柱开采数值模拟
３４６ ０ ９ ７００
３４ ６０ ９７ ５０
３４ ７０ ９７０ ０
／ ／。 ＾
／ ｜ 、／ 、 ／ ＼ ＼ ＼ 、
／
／
的规定 ， 一般都是根据传统的经验公式留设 ， 致使煤柱 有时过 大 ， 积压 了大量 的煤 炭资源 ¨ Ｊ 卫 。如本 次研究 所
选 的试 验点 皖北 任楼矿 Ｆ 一Ｆ 层块 段 ， 断 由于 留设 断 层煤 柱 ， 使煤 柱 压煤 １７４万 吨 ； 时 过 小 ， 之 水 致 ０． 有 加
深（ 见图 １ 图 ２ 。在 Ｆ 、 断 层 问块 段 内有 ４ ４ — 、 ） Ｆ ７ 、６
一 ’ Ｃ
，
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二 ＝＝＝
—— ——
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１ １— —
／ Ｌ一一 ■ 二 一一 ／ ６７。Ｈ＝７５ｍ ， ，Ｌ 一二 Ｆ
文地质条件不清 ， 从而引发 了较严重 的水害事故 。因 此 ， 何安 全 留设 断层 防水 煤柱 ， 如 使煤 炭 资源 能够 尽 可
能地 开发利 用是 矿业工 程 领域 中的攻 关课 题 。 本次选 用常 用 的二维 Ｆ Ａ Ｌ Ｃ数值 计 算 软 件来 模 拟 主采煤 层顶 底板 在采 动 影 响 下 岩体 的应 力 、 移 和 破 位 坏特 征 ， 以对合 理 留设 防水 煤柱 提 供科学 依据 。
１２ Ｆ、４ ． ３ Ｆ 断层 水 文状 况
“ 灰” 和 煤 系基底 奥 陶系灰 岩 （ 太 ） 以下 简称 “ 奥灰 ” 是 ） 矿 区 的 主 要 含 水 体 。 太灰 水 上 距 开 采 煤 层 １０ ｍ 以 ３
收 稿 日期 ：２０ ０ ０ ６— ４一Ｉ ； 改 回 日期 ：２ ０ ８ 、 断层 剖 面 图 ３Ｆ
峰峰矿区煤层开采防水煤柱计算留设方法
峰峰矿区煤层开采防隔水煤（岩）柱计算留设方法冀中能源峰峰集团科技发展部关永强前言安全技术措施是指运用工程技术手段消除物的不安全因素，实现生产工艺和机械设备等生产条件本质安全的措施。
防止事故发生的安全技术措施是指为了防止事故发生，采取的约束、限制能量或危险物质，防止其意外释放的安全技术措施。
常用的防止事故发生的安全技术措施有：①消除危险源。
②限制能量或危险物质。
③隔离。
④故障——安全设计。
⑤减少故障和失误。
留设防隔水煤（岩）柱是目前最经济、最安全、效果最好、操作最简单、最常用的一种防治水安全技术措施，留好防隔水煤（岩）柱对保障矿井安全具有十分重要的意义，由于对防水煤柱的留设认识不足和管理不到位等多种原因导致的水害事故，是有着深刻的教训的，这里举2个峰峰集团的例子。
事例一：一矿奥灰突水淹井及损失情况：1960年6月4日一矿1532野青工作面，因接近断层，防水煤柱留设不足，加之采掘破坏，导致断层下盘奥灰强含水层突出，突水量达150m3/min，致使一矿淹井，造成停产9年零5个月，仅堵排水费用高达1660.22万元，损失极为严重。
事例二：孙庄矿奥灰突水淹井及损失情况：1996年11月24日23时40分，因峰峰矿区界城镇北界城小煤矿非法越层越界开采孙庄矿井田边界F6断层防水煤柱，引发断层下盘奥灰强含水层突出，突水量达150m3/min，造成孙庄矿淹井，停产1年零8个月，直接经济损失2.24亿元。
之所以介绍这2个例子无非是提醒在座的各位，从理念上提高对留设防水煤柱安全重要性和巨大经济价值以及对矿井安全的巨大危害的认识程度，提升安全警觉性，做好矿井防治水工作，确保矿井安全正常运转。
下面我就给大家讲一讲防隔水煤（岩）柱的有关问题。
1、防隔水煤（岩）柱的概念在受水害威胁的地段，预留一定宽度和高度的煤层不采，使工作面和水体保持一定的距离，以防止地下水溃人工作面，这部分不采的煤层称为防隔水煤（岩）柱。
2、防隔水煤（岩）柱的类型防隔水煤（岩）柱分为：冲积层防隔水煤（岩）柱，地表水体防隔水煤（岩）柱，煤层露头防隔水煤（岩）柱，水淹区和老空积水区防隔水煤（岩）柱，相邻井田边界防隔水煤（岩）柱、上下水平，相邻采区或相邻工作面防隔水煤（岩）柱，断层防隔水煤（岩）柱，陷落柱防隔水煤（岩）柱、封闭不良钻孔防水隔离煤柱等。
三维数值模拟在防水煤柱留设中的应用
某井 田为一倾 向 Ｎ 的缓倾斜 单斜 构造 ， 层走 向 ＮＥ ０ ， 文地质块段 。井 田正断 层 Ｆ — ｗ 地 ６。 ６６受先期 北 东 向应力 影响 ， 断层 走 倾 角 １ 。 ３ 。井 田深 部边 界 以北 为徐 庄断 层 ， ５－ ２ ， 南部 与西 部被 石 向为北东 向 ， 角 ７ 。断距 较 大 ， 大处 达 １０ｍ。现 开采 Ｆ — 倾 ０， 最 ８ ６６ 楼沛城断 层 、 庄断层 所切 割 ， 部边界 为刘仙庄 断层 。这些断 断层 上盘 ７号煤层 ， 徐 东 由于 Ｆ — ６６断层下盘上升 ， 使得 Ｆ — ６６断层下盘
三 维 数 值 模 拟 在 防 水 煤 柱 留 设 中 的应 用
谭 巧军 任 磊
摘 要 ： 根据某井 田内各岩层 的物理性质 ， 结合防水煤柱的 留设情况 ， 对运 用 Ｆ Ａ ｓ软件模 拟三维状态下覆岩受采动破 Ｌ Ｃ。 坏情况 以及地下水 的流动状 态作 了论述 ， 从而 更直观地解决 防水煤柱 留设 问题。
层落差均在数 百米 以上 ， 导水 性弱 ， 田浅部 边界 以南 有较 大面 灰岩 抬升 ，６６断层上盘煤层 与断 层下盘灰 岩直 接接触 ， 井 Ｆ— 且底 板 积的奥陶系灰 岩隐伏 出露 ， 各皋岩含水层 通过第 四系底部砂 砾层 有无 突水 可能 ， 尚无 法得 知。断层在深 部高压 水的作 用下 ， 是否
型。本工程采用膨 润土 泥浆 ， 并配火 碱 、 聚丙 烯 酰胺 （ ＩＰ 。膨 填黏土把粘性 较好 的黏土 回填 到 漏浆 孔 中 ， Ｐ－ ） Ｉ 一般 回填 到 塌孔 处 润土泥浆 的密度较小 ， 浇筑混 凝土 时的 置换效果 较好 ， 利于 成 １ｍ以 上， 有 静置 １ｄ ， ～２ｄ 然后 重新 冲击钻进 ， 一般 都能 达到封 堵 桩质 量 ， 同时也便 于泥浆 循环使 用。在成孔 和清孔 换浆 时 ， 须 目的 。２ 泥浆护壁 。通过制 造优 质泥 浆对 孔壁 封堵 达到 止漏 效 必 ） 依靠泥浆将钻渣带 出孔外 。排除 的泥浆 一般 不作 净化处 理和 重 果 。３ 灌注砂浆直接封堵 。４ 钢护筒护壁 。若覆盖层中隐伏有较 ） ） 复使用 ， 适宜冲击钻机成孔 ， 见表 ｉ 。 大的溶洞 ， 可能发生护筒连同周 围土层 一并坍塌 的事故 ， 有 钢护筒
7.3防水煤柱留设
7.3防水煤柱留设7.3.1断层防水煤柱留设因本矿井3号煤层开采时断层、陷落柱是奥陶灰突水的重要通道。
因此，必须对导水断层留设防水煤柱，防水煤柱的留设方法可依据《煤矿防治水规定》附录三的公式计算，本矿区含水或导水断层防隔水煤柱的留设方案如下：由于本井内没有发现较大的断层，因此，本报告只考虑小断层的煤柱留设情况。
当断层落差小于隔水层厚度（取3号煤层的99.09m ）时，含水或导水断层防隔水煤柱的留设参照经验公式计算： L=0.5KM P3K P ≥20m (7-1) H a =ST P +10,L= αsin a H ≥20m (7-2) 式中：L —防隔水层煤柱宽度，m ；K —安全系数，一般取2～5；M —煤层厚度或采高，m ；P —煤层厚度或采高，m ；Kp —煤的抗拉强度，Mpa ；H a —导水裂隙带至含水层防水岩柱的厚度，m ；α—断层倾角，（°）经以上公式（7-1）和（7-2）计算，所得结果取较大值为留设的防水煤柱宽度。
今后如在地质勘探和采掘活动后，发现有新的断层，矿方应按照以上计算方法自行计算断层防水煤柱的宽度；对落差小于5m的断层应在探明去其导水性后，再确定是否留设防水煤柱或采取注浆加固措施。
7.3.2陷落柱保护煤柱留设目前本矿井内尚未发现陷落柱，但不排除存在隐伏陷落柱的可能。
陷落柱是奥灰突水的主要通道，为防止陷落柱突水事故，确保矿井安全生产，对导水陷落柱必须留设防水煤柱。
现分述如下：①导水陷落柱对于一些导水陷落柱，如果所处的位置对回采影响不大，可以只留设保护煤柱而不封堵。
这类落陷柱突水隐患很大，留设防水煤柱时一定要考虑其特征，做到万无一失。
首先，必须查明有无与陷落柱连通的导水断层。
如果存在断层，即使断层距很小，也会作为突水通道将陷落柱内的水导入矿井，从而导致断层突水事态扩大。
即使没有人为干扰的情况，突水通道也会在高压水作用下发生冲刷或扩容，随时有增大涌水、发生灾害的可能。
断层防水或安全保护煤柱合理留设的分析计算方法
’愕
等效移置（围岩压力的） ＨＪＨ。一ｊ、ｍ节点的埋深（ｍ）
式中：ｒｉｇ一水的ＡＲＤ（ｋｇ／ｅｍ３） 三、无拉应力分析
通过上述分析，即可进行岩石力学有限元计 算。但从计算的结果看，可能在模型的某些局部地
方出现拉应力。实际上，这些拉应力有时是不存在 的，因为当某处岩体抗拉强度小于拉应力时首先破 裂，从而使该处岩石拉应力变为零，然后岩体内应
转次数多而且周转时间短，所以从综合经济效
益来讲，大钢模板的使用不仅节约了投资而且加快
了施工进度。
从质量方面分析，工程巾运用大钢模板使整个 墙面体系形成一个整体，这样在浇筑混凝土时，可‘
以按照施工规范一次性给予浇筑，有助于提高混凝 土强度的整体性，同时外钢管支架也形成一个整 体，这样就避免了混凝土局部胀模的现象，使用大钢
件尺寸有明显的关系，即“尺寸效应”，其规律性可
用下式描述： Ｒｅ＝（Ｒｃ）Ｏ（Ｄｏ／Ｄ）ｍ……（１）
式中：Ｒｅ＝（Ｒｃ）Ｏ（Ｄｏ／Ｄ）ｏ——分别是试件有
效直径为Ｄ、Ｄ０（ｃｍ）时的单轴极限抗压强度（ｋｇ／
区，在分析其应力分布规律的基础上，确不定期在 断层附近出现最大主拉应力的单元，单元的主拉应
力一定随着煤柱尺寸的增大而减小，关系式：岩体 的受拉破坏主要是由于岩体内所产生的拉应力超 过了岩体的抗拉强度。于是可求出处于极限平衡 状态下的煤柱宽度： Ｈ“＝Ｆ。（ｏｒ一）盯一＝Ｒ。。……（４） 当然，在大量细致的调查研究和严格遵守参数修 正原则的基础上。同时考虑煤矿生产过程中的实践经 验，确定出可靠的将更能保证断层煤柱的合理性。 （责任编辑：熊红婴）
２、模型边界条件 模型内各质点的移动量大小不一，远离采空区 处的质点移动量较小；同时，煤层顶板质点的移动 量远大于底板。所以对于一个确定的模式来说，下 部边界的各节点以及部分远离采空区的边界上各 节点均可予以约束（即ｕ＝Ｏ，ｖ＝０）；其他边界上各 节点均可自由移动（即Ｕ≠Ｏ，ｖ＃０）。
采场底板断层防水煤柱留设研究
采场底板断层防水煤柱留设研究本文针对采场底板断层防水煤柱留设问题进行了深入研究，采用理论分析、数值模拟和实验研究相结合的方法，总结出采场底板断层防水煤柱留设的影响因素及其作用机理。
同时，本文结合具体案例分析了采场底板断层防水煤柱留设的应用实践，并探讨了可能的改进方案。
本研究对完善采场底板断层防水煤柱留设理论体系具有重要的科学意义，同时对提高矿井安全生产水平具有积极的推动作用。
矿井地下水控制是采矿工程中的重要环节，其中防水煤柱的留设是关键之一。
特别是采场底板断层防水煤柱留设，对矿井安全生产具有重要意义。
然而，针对采场底板断层防水煤柱留设的研究并不多，缺乏系统的理论和指导方法。
因此，本文开展采场底板断层防水煤柱留设的研究，旨在为其留设提供科学依据和改进空间。
前人对采场底板断层防水煤柱留设的研究主要集中在防水煤柱的合理宽度、断层位置与走向对防水煤柱留设的影响以及数值模拟方法的应用等方面。
然而，由于采场底板断层地质条件的复杂性和不确定性，防水煤柱留设仍存在一定的盲目性，缺乏对其影响因素及其作用机理的深入探讨。
本文采用理论分析、数值模拟和实验研究相结合的方法，对采场底板断层防水煤柱留设展开研究。
通过理论分析建立防水煤柱留设的基本模型，明确影响因素及其作用机理；利用数值模拟方法对不同工况下的防水煤柱留设进行模拟，分析各因素对防水煤柱稳定性的影响；通过实验研究对理论分析和数值模拟结果进行验证和优化。
本文通过理论分析、数值模拟和实验研究，总结出采场底板断层防水煤柱留设的主要影响因素包括断层位置、走向、倾角、采场底板厚度、岩层力学性质及水文地质条件等。
同时，本文发现防水煤柱的稳定性受多种因素影响，单一因素的改变并不能有效提高防水煤柱的稳定性，需要综合考虑多因素进行优化设计。
对比分析显示，数值模拟方法在预测防水煤柱稳定性方面具有较高的准确性和可靠性，可以为实际工程应用提供有力支持。
本文结合具体案例分析了采场底板断层防水煤柱留设的应用实践。
煤矿工业广场保护煤柱留设计算方法
提高稳定性的措施
优化设计
根据地质条件和采矿需求，合理设计煤柱的 尺寸和位置，提高其稳定性。
排水降压
降低地下水压力，减轻其对煤柱稳定性的影 响。
加强支护
在煤柱周围实施支护措施，如打设锚杆、喷 射混凝土等，增强煤柱的承载能力。
实时监测
对煤柱进行实时监测，及时发现不稳定迹象， 采取措施防止事故发生。
05
通过研究保护煤柱留设计的计算方法，可以更好地保障煤矿 工业广场的安全和稳定，提高煤矿生产效率，降低生产成本 ，为煤炭工业的可持续发展提供有力保障。
02
保护煤柱留设的基本原则
保护煤柱的概念
01
保护煤柱是指在矿井开采过程中 ，为了保护地面重要建筑、水体 、交通要道等设施的安全，在开 采空间中预留的一部分煤层。
技术。
基于可靠度理论的留设方法
总结词
该方法基于可靠度理论，通过分析煤柱在不同工况下的失效概率，确定其合理尺寸。
详细描述
基于可靠度理论的留设方法是一种基于概率的方法。它通过分析煤柱在不同工况下的失效概率，综合 考虑地质条件、采矿技术、安全系数等因素，确定煤柱的合理尺寸。这种方法能够更全面地评估煤柱 的安全性和可靠性，但需要较复杂的计算和分析。
为确保安全，对煤柱进行加固 处理，如注浆、锚杆等措施。
实施效果
通过数值模拟和实际监测数据对比，验证了煤柱 留设方案的合理性和有效性。
实施过程中未出现任何安全事故，保证了工业广 场内建筑物和设施的安全。
有效降低了周边环境的灾害风险，提高了矿区的 整体安全性。
06
结论与展望
研究结论
保护煤柱留设是保障煤矿工业广场安全的重要措施，合理的留设方法可以有效减少 采动损害，提高资源利用率。
综采工作面煤柱合理留设宽度的确定
煤柱水平应力/MPa
煤柱水平应力/MPa
-15m -10m -5m 5m 10m 15m 20m
5
10
15
20
距离采空区域距离/m
（d）20m
图 2 不同煤柱宽度下的垂直应力曲线图
由图 2 可知，不同煤柱下的垂直应力是随着回
采长度的变化进行动态变化的一个过程，当采掘工
作面距监测点 20m 至-15m 时，垂直应力增长速度加
收稿日期：2021-01-22 作者简介：高飞（1994—），男，山西临县人，西山煤电西曲矿。
以某矿为研究背景，采用数值模拟的方法对工作面开采过程中煤柱垂直应力、水平应力进行研究，得出煤柱留设的
合理宽度。研究表明：煤柱垂直应力变化表现出先增加后减小的特征，即随着煤柱宽度的增加应力呈现双峰变化；
水平应力随着煤柱宽度的增加而增大，呈现单峰变化；煤柱宽度范围在 14-16m。本研究成果可为类似地质条件下
（c）16m
煤柱水平应力/MPa
2.0 1.8 1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0
0
-15m -10m -5m 5m 10m 15m 20m
5
10
15
20
距离采空区距离/m
（d）20m
断层防水煤柱留设计算研究综述
总第809期第15期2023年8月河南科技Henan Science and Technology矿业与水利工程收稿日期：2023-04-18作者简介：王天皓（1998—），男，硕士生，研究方向：工程地质。
通信作者：鲁海峰（1982—），男，博士，教授，研究方向：工程地质。
断层防水煤柱留设计算研究综述王天皓鲁海峰（安徽理工大学，安徽淮南232000）摘要：【目的】留设科学合理的断层防水煤柱可以在提高资源利用率的前提下，有效防止断层煤层开采过程中突水事故发生，因此对断层防水煤柱宽度的计算方法进行分类综述具有理论意义。
【方法】通过对断层防水煤柱宽度计算方法进行横向对比和纵向总结，分析了各类计算方法的特点，并对其发展方向提出了展望。
【结果】断层防水煤柱宽度计算方法主要有理论计算、数值模拟、相似材料模拟等，应针对具体情况选择合适的计算方法。
【结论】在实际运用中，影响断层防水煤柱宽度的因素复杂且多样，必要时可采取综合的计算方法。
关键词：断层防水煤柱；理论计算；数值模拟；相似材料模拟中图分类号：TD822.3文献标志码：A文章编号：1003-5168（2023）15-0062-04DOI ：10.19968/ki.hnkj.1003-5168.2023.15.012Summary of Research on Design Calculation of Fault Waterproof CoalPillar SettingWANG Tianhao LU Haifeng(Anhui University of Science and Technology,Huainan 232000,China)Abstract:[Purposes ]The scientific and reasonable fault waterproof coal pillar can effectively prevent wa⁃ter inrush accidents in the process of fault coal seam mining under the premise of improving resource uti⁃lization.Therefore,it is of theoretical significance to classify and summarize the calculation methods of fault waterproof coal pillar width.[Methods ]Through the horizontal comparison and vertical summary of the calculation methods of fault waterproof coal pillar width,the characteristics of various calculation methods are analyzed,and the development direction is prospected.[Findings ]The calculation methods of fault waterproof coal pillar width mainly include theoretical calculation,numerical simulation and similar material simulation.The appropriate calculation method should be chosen for the specific situa⁃tion.[Conclusions ]In practical application,the factors affecting the width of fault waterproof coal pillar are complex and diverse,and comprehensive calculation method can be adopted if necessary.Keywords:fault waterproof coal pillar;theoretical calculation;numerical simulation;similar materialsimulation 0引言在煤矿安全生产中，矿井突水是十分常见的问题。
基于离散元的断层防水煤柱留设规律研究
基于离散元的断层防水煤柱留设规律研究刘发义;张玉东【摘要】通过对某煤矿2321工作面突水模型、2313工作面开采模型进行基于离散元的数值模拟分析,总结出采动条件下留设不同宽度的防水煤柱时采空区围岩应力场的变化规律,以及该矿断层防水煤柱宽度的计算公式.研究结果表明,奥灰顶界断层破碎带附近最小主应力大于该区域奥灰水压是断层突水的必要非充分条件,同时2313工作面开采时F6断层不需留设防水煤柱.【期刊名称】《矿业安全与环保》【年(卷),期】2016(043)003【总页数】4页(P71-73,76)【关键词】断层突水;离散元;防水煤柱;煤柱宽度【作者】刘发义;张玉东【作者单位】河南理工大学资源环境学院,河南焦作 454000;山西晋城煤业集团赵庄煤矿,山西长子 046605;中煤科工集团重庆研究院有限公司水文物探研究分院,重庆 400039【正文语种】中文【中图分类】TD745刘发义，张玉东.基于离散元的断层防水煤柱留设规律研究［J］.矿业安全与环保，2016，43（3〕：71-73.据资料统计,我国煤矿的突水事故80%以上与断层相关［1］。
山东某煤矿位于济宁煤田西北部,该矿井断层较为发育,共发现落差大于等于20 m的断层44条。
其中2321工作面宽约130 m,F4断层（经钻探验证为不导水断层）防水煤柱宽度最小26 m, 3煤距下伏奥灰约212 m,由于F4断层的影响,使3煤与对盘奥灰间距仅为64 m左右（见图1）。
2007年12月,2321工作面推进到302 m时,工作面附近的F4断层发生了突水,工作面最大水量达到180.4 m3/h,当天水量基本稳定在 167 m3/h左右,此后水量基本在150 m3/h左右。
同时,后续开采的2313工作面（F6断层附近,经钻探验证为不导水断层）的断层煤柱留设宽度亟待研究确定。
2313工作面地质剖面简图见图2。
根据断裂力学及裂隙流相关理论分析和试验证实［2-5］,断层原始导升带附近断层面的垂向应力小于地下水的压力是断层导水的必要非充分条件。
断层防水矿柱合理留设数值模拟分析与评价
断层防水矿柱合理留设数值模拟分析与评价赵恰;王军;杨柱【摘要】According to hydrogeological properties of Ⅰ# orebody and mining method for it, a numerical model was established by using software Phase2 based on the basic theory of fluid-solid coupling. The influence of waterproof pillar thickness on local groundwater seepage, as well as fault, surrounding rock deformation and damage characteristics, was analyzed. A reasonable thickness for waterproof pillar was finally determined for Ⅰ# orebody based on an empirical formula. Result s show that a waterproof pillar shall be with thickness of 15~20 m for Ⅰ# orebody according to the numerical simulation, while the empirical formula calculation led to the thickness at 16.59 m. As a result, the waterproof pillar for Ⅰ# orebody at the exist ing underground water level is designed to be with a thickness of 17 m based on a comprehensive consideration.%根据某磁铁矿床Ⅰ#矿体的水文地质特征和采矿方法,基于流-固耦合原理,利用Phase2软件建立了数值模型,分析研究了防水矿柱厚度对局部地下水渗流场的影响以及断层、围岩变形和破坏特征,并结合经验公式法得出了Ⅰ#矿体合理的断层防水矿柱厚度.结果表明,对于Ⅰ#矿体数值模拟建议留设的防水矿柱厚度为15~20 m,经验公式计算的防水矿柱留设厚度为16.59 m,综合考虑,Ⅰ#矿体在目前地下水位条件下的断层防水矿柱厚度为17 m.【期刊名称】《矿冶工程》【年(卷),期】2017(037)003【总页数】4页(P31-33,37)【关键词】断层防水矿柱;流-固耦合;数值模拟;防水矿柱厚度;Phase2【作者】赵恰;王军;杨柱【作者单位】长沙矿山研究院有限责任公司,湖南长沙 410012;长沙矿山研究院有限责任公司,湖南长沙 410012;长沙矿山研究院有限责任公司,湖南长沙 410012【正文语种】中文【中图分类】TD853近年来我国大水金属矿山开发数量大幅增加，在矿山开发过程中由于井巷工程沟通断层或断层活化导致井下突水事故时有发生，如安徽马鞭山铁矿、黄屯硫铁矿和白象山铁矿等矿山均发生过断层突水事故。
正断层上盘防水煤柱的留设及合理性研究
正断层上盘防水煤柱的留设及合理性研究席永红【摘要】根据经验,留设断层防水煤柱往往会造成煤炭资源的巨大损失.本文根据汾西矿业贺西煤矿13下04工作面断层情况,分析了工程地质特征,参考相关文献,结合现场相关参数具体数值,计算出在埋深530 m,落差为46 m断层上盘防水煤柱的宽度最大为47 m,同时结合相关评价标准对煤柱宽度进行可靠性评价,最终得出煤柱宽度为10 m的结论.研究结果表明,针对该断层,煤柱宽度缩小了37 m,能够最大限度地提高煤炭回收率.【期刊名称】《江西煤炭科技》【年(卷),期】2016(000)003【总页数】4页(P137-140)【关键词】正断层;防水煤柱;宽度留设;合理性评价【作者】席永红【作者单位】山西汾西矿业集团贺西煤矿,山西柳林033300【正文语种】中文【中图分类】P641.4+61汾西矿业贺西煤矿处于构造发育带，矿区断层分布较多，同时煤层顶底板均有含水层，存在断层突水的危险。
矿方往往直接根据经验，在断层两侧留设一定宽度的防水煤柱，且煤柱宽度的选择也存在盲目性。
同时由于地质钻孔数量有限，对断层的含导水性不能进行充分分析，结果造成留设的保护煤柱尺寸较大。
因此本文以该矿YF20-3断层上盘防水煤柱为研究对象，通过公式计算及合理性评价，确定煤柱的宽度，具有重要的现实意义〔1-2〕。
13下04工作面北临13下02工作面采空区，东临YF33断层保护煤柱，南临YF20煤柱。
煤层西部较厚，向东逐渐变薄，煤层厚度为 3.2～4.50 m，均厚 4.2 m，煤层含夹矸1～2层，属结构简单煤层。
采用走向长壁后退式采煤法、轻型支架放顶煤工艺。
煤层顶底板情况见表1。
13下04工作面构造相对复杂，工作面上下顺槽及切眼内共揭露断层32条。
13下煤层顶底板均为砂岩，在靠近断层附近容易在裂隙比较发育处发生揭露型突水。
YF20位于工作面中部，为正断层，延展长度为3600 m，倾角70°，落差 20～200 m，在开采范围内，落差 100～200 m。
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数值模拟方法确定防水煤柱的合理留设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。
标签：断层活化；数值模拟；防水煤柱；RFPAAbstract：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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