含导水断层的煤层防隔水煤（岩）柱留设优化计算

作     者：于小鸽 罗文娜 徐东晶 项杰涛 张宁 

作者机构：山东科技大学地球科学与工程学院 山东能源新矿集团翟镇煤矿 

出 版 物：《煤炭学报》 (Journal of China Coal Society)

年 卷 期：2024年

核心收录：

学科分类：0819[工学-矿业工程] 081903[工学-安全技术及工程] 08[工学] 

基　　金：山东省自然科学基金资助项目(ZR2022MD101) 

主　　题：导水断层 防水煤岩柱留设 承压水导升 公式优化 COMSOL Multiphysics模拟 

摘      要：在近断层煤层开采中，断层活化沟通含水层时常诱发矿井突水事故，影响煤矿安全生产，因此，合理留设防隔水煤岩柱的宽度对矿山断层突水的防治工作具有重要意义。《煤矿防治水细则》对各种情况下的断层煤岩柱的留设进行了详细的阐述，给出了断层在导水情况下的煤岩柱留设计算公式，但是面对断层下复杂承压水的威胁，现有的防隔水煤（岩）柱计算公式还不够完善，计算结果还不够精确。为优化防隔水煤柱留设宽度问题，针对导水断层与煤层产状的空间关系及承压水的导水机制，结合承压水导升的水力学分析，根据恒定总能量方程建立了裂隙水流运动模型，分析断层导水过程中的渗流速度、压强与能量损失之间的关系，推导出承压水在断层通道内导升至任意位置的水压计算公式，进而对《煤矿防治水细则》中断层导水条件下的防隔水煤岩柱留设计算方式进行优化。以山东翟镇煤矿七采区近DF3断层待开采的F7202W工作面为工程实例，利用优化前后的公式计算煤柱留设宽度，对比计算结果表明：《煤矿防治水细则》原有计算公式没有考虑承压水导升的水压影响，将煤层底板水压理想化且根据煤层底板位置取水压估值，计算得出DF3断层煤岩柱尺寸为117 m。经优化后的计算方法结合七采区各工作面奥灰含水层实际突水数据，计算得出各工作面的稳定流速，根据奥灰含水层突水的最大稳定流速，利用优化公式计算防隔水煤柱尺寸为108 m。通过COMSOL Multiphysics建立三维流-固耦合数值计算模型，模拟了翟镇煤矿F7202W工作面的开采过程，根据巷道应力和断层水压分布规律图及不同防隔水煤柱下的断层渗透率变化图，进一步论证了优化公式计算出的108 m煤柱宽度的安全性及合理性，且较《煤矿防治水细则》计算出的安全防隔水煤柱的尺寸缩短了9 m，增加了回采煤炭资源。研究成果可为矿井开采中不同承压水条件下断层防隔水煤岩柱留设宽度的精准计算奠定基础，为我国矿井防治水工作有效开展提供可靠依据。