隔水煤柱采动渗流耦合失效特征及其合理宽度

采空区遗留隔水煤柱水浸软化及采动影响下的耦合失效,是诱发同层回采工作面突水事故的常见原因之一,探究采空区积水隔水煤柱失效特征及其合理宽度,对于矿井水害防治具有重要意义。以甘肃华亭砚北煤矿250209工作面同层上覆关闭采空区隔水煤柱安全宽度为研究对象,通过理论分析及FLAC_(3D)数值仿真研究,分析了浸水侧煤体局部失效、坍塌及总宽度不足时隔水煤柱整体失稳灾变过程,揭示了水浸弱化、采动、渗流复杂影响下隔水煤柱内应力场、塑性区、渗流场耦合特征,掌握了不同煤柱宽度条件下隔水煤柱阻水能力及稳定性演化规律,提出了“渗水区+弹性压密阻水区+塑性区”3区联合型隔水煤柱宽度确定方法。结果表明:(1)隔水煤柱在覆岩载荷及采空区积水水压叠加作用下浸水侧下部煤体率先剪切塑性破坏,随着积水侵蚀渗透范围的扩张及不同程度浸泡弱化,诱发该区域煤体承载能力劣化及坍塌,最终导致隔水煤柱偏心压缩不均衡承载的倾倒失稳。(2) 3个阶段中隔水煤柱上部、中部、下部塑性区发育宽度不同,均呈现出沿煤柱高度方向自上而下逐步增加的现象,即隔水煤柱浸水侧下部塑性区扩展范围相对中部及上部更大,表明隔水煤柱底部区域更易形成导水通道,与理论分析相一致。(3)隔水煤柱中塑性区体积占据了渗水区总体积83%以上,是隔水煤柱导水的主要区域,弹性区体积占据了渗水区总体积的17%,尽管其占比较小,但其决定了渗水区范围的最大扩展边界,且弹性渗水区呈现出“高应力低渗透小范围”和“低应力高渗透大范围”应力渗透耦合特征。(4)隔水煤柱阻水能力取决于浸水侧渗水区与采动侧塑性区范围及其连通特性,隔水煤柱宽度为110和120 m时,渗水区与塑性区完全连通;隔水煤柱宽度为130、140和150 m时,渗水区与塑性区不连通,两者之间弹性压密阻水区宽度分别为5.5、11.5和23.5 m。基于此,将渗水区与采动塑性区相连通作为矿井水突破隔水煤柱的临界条件,提出了弹性压密阻水区宽度不小于20 m的“渗水区+弹性压密阻水区+塑性区”3区联合型隔水煤柱宽度确定方法,指出了合理宽度不宜仅将弹性核区占比大于31%、塑性区不连通等常规支撑型煤柱稳定性指标作为隔水煤柱稳定判别方法,还应考虑隔水煤柱的阻水性能。