關于含水或導水斷層防隔水煤柱留設寬度的分析研究

【摘 要】對《煤礦防治水規定》（2009）中含水或導水斷層防隔水煤（巖）柱的留設公式在使用中的缺陷進行深入分析研究，得出比較合理的防隔水煤柱留設方法。

【關鍵詞】斷層；防隔水煤柱

如何合理留設含水或導水斷層防隔水煤柱一直是煤礦安全工作者高度關注的問題，合理的防隔水煤柱不但能防止水害事故發生，同時已能合理開發煤炭資源，本文對《煤礦防治水規定》中導水斷層防隔水煤柱公式進行深入研究，分析了該公式在使用中的缺陷，得出合理的隔水煤柱留設方法。

一、斷層煤柱留設的計算方法及原則

目前，防隔水煤柱的留設計算方法主要有經驗類比法、利用理論公式進行計算、依據《煤礦防治水規定》（2009）中的計算公式計算、用數值計算法或相似模擬實驗確定。大量采煤工程實踐和理論研究證明，斷層煤柱留設尺寸的選擇，必須掌握兩條基本原則：煤柱尺寸必須能抵御斷層高壓水；必須保證開采不會導致斷層活動，或斷層帶內不得出現拉張應力，或采動引起的導水裂隙帶不得波及到斷層帶。從安全角度講，在帶壓開采條件下，尤其是高水壓開采條件下，任何形態不清楚的斷層，選擇煤柱尺寸，都必須按導水斷層對待。

二、《規定》含水或導水斷層防水煤柱寬度計算存在的問題

《煤礦防治水規定》（2009）中斷層防水煤柱的寬度計算公式：L=0.5KM■≥20m式1，式中：L—煤柱留設的寬度，m；K—安全系數，一般取2～5；M—煤層厚度或采高，m；Kp—煤的抗拉強度，MPa。

1.公式來源。該公式最早出現在20世紀50～60年代的早期教科書中，稱為B.JI斯列薩列夫公式，一般認為是一個經驗公式。但實際上該公式在結構力學上具有清晰的物理涵義（圖1）。如果將斷層防水煤柱看作是一個簡支梁，將煤厚M作為梁的長度，水壓P視為作用于梁的均布荷載，L視為抗彎截面寬度，根據結構力學分析，長為M的簡支梁上作用均布荷載P時，該簡支梁在受到側向水壓作用下中部所受的最大彎矩為：

2.公式中存在的問題。（1）把防水煤柱抽象簡化成梁長為M（煤層厚度或采高）、梁厚為L（煤柱寬度），兩端簡支在頂、底板上的簡支梁，同防水煤柱的實際幾何尺寸不相適應，梁作為直桿的一種，應當是縱向尺寸比橫向尺寸大得多的物體的抽象，它所承受的外力是作用線垂直于桿軸線的平衡力系，同時桿軸線也將彎曲成曲線，主要形成彎曲變形。而實際上的斷層防水煤柱，寬度L和煤層厚度M的比L/M（分別相當于假象梁的橫向尺寸和縱向尺寸）很大，這同梁的簡化條件L/M相去甚遠，同時，防水煤柱除了相當于橫向力的水壓P作用外，還有礦山壓力、頂底板的夾持作用等。因此，把防水煤柱簡化成梁是不合適的，因此而衍生于梁彎曲基礎上的做大應力超限的破壞準則也不成立。在三向應力不等的應力狀態下，隨著側向應力的增加，在煤體極限強度增大的同時，煤體破壞前的變形量也相應增大，即煤體的塑性明顯增大。由于煤體和頂、底板之間存在有較大的摩擦阻力，在礦山壓力和水壓的聯合作用下，煤體將產生由于壓應力的作用而衍生的剪應力超限引起的剪切破壞，而且破裂面可能不止一個。因此，應當按剪切強度理論來解釋煤柱的破壞機理，并以此為依據提出防水煤柱寬度的計算公式。（2）把整個防水煤柱沿寬度L方向全部看成是均勻連續和各向同性的彈性體也是不合適的。除卻煤體自身的裂隙性、非均質性和不連續性以外，集中應力作用下的防水煤柱，實際上沿L方向存在松塌區、極限平衡區和彈性區等3個不同的區域。同時采動裂隙帶（主要為松塌區）在橫向上也有一定的擴展，其影響范圍向斷層帶偏移，煤柱寬度越窄，偏移越大。因此，區分防水煤柱不同區域的物性狀態是很重要的，處于松塌區和極限平衡區的煤體中存在有大量的次生采動裂隙，相當于加寬了裂隙區煤體的滲透通道，增大了煤體的滲透系數，降低了煤體的滲透阻力，同時煤體自身的強度以及抵抗沖擊破壞的能力也將大大降低。（3）公式推導完全是從水壓、煤層厚度和煤層抗拉強度方面考慮的，公式的本質是煤層強度可否抵御水壓的能力（即給定水壓條件下，煤柱段縱向抵抗抗彎斷力距的能力。公式完全未考慮周圍因素，更談不上考慮采動引起的圍巖變性變化因素。（4）根據公式，斷層防水煤柱寬度應當與煤層的采厚呈線性比例關系，即煤層采厚M縮減了比例，斷層防水煤柱寬度L可以按同比例縮減。但根據實際模擬計算發現，隨著煤厚的減少，所需要的安全系數K必須相應增大。這表明斷層防水煤柱與采厚之間實際上是具有某種非線性關系。另外從力學作用那個來看，煤柱段的煤層在采動后，縱向壓應力增大，這些很大的縱向壓應力反映出公式中縱向拉張強度指標Kp可能由于煤縱向拉張力的不存在而根本起不了作用。（5）公式沒有考慮斷層落差對防水煤柱留設的影響，實際上斷層落實越大，防水煤柱留設寬度也應當越大（圖2），因為隨著斷層落差的增大，使得所采煤層與下盤承壓含水層的距離縮小，承壓水沿著較短的破壞區域即可進入工作面。另外工作面下方煤壁一側向前，剪應力的變化趨勢劇烈，急劇的應力變化將導致巖體產生雅剪破壞。

圖2 臨界煤柱寬度與落差的關系

（6）公式沒有考慮斷層破壞帶寬度及力學性質對防水煤柱留設的影響。斷層破碎帶一般比其兩側的巖體要軟弱，因此，斷層破碎帶內的巖體更容易發生變形，斷層破碎帶的存在阻礙了開挖引起的二次應力傳遞，使開挖區與斷層帶范圍內的圍巖，應力更加集中，集中程度大于無斷層時的情況，斷層破碎帶對圍巖采動應力重新分布和變形起到了屏蔽作用，因此，隨著斷層破碎帶的增大，最大剪應力值和集中范圍明顯增大，向斷層帶方向發展，并與之相接，導致斷層帶與開挖空間之間的巖體剪切錯動加劇。研究表明（劉志軍，2004），隨著斷層破碎帶的寬度加大，煤柱的臨界寬度呈線性規律增長（圖3）。開挖空間與斷層破碎帶間的圍巖應力集中的范圍和巖體破裂范圍都明顯增大，斷層破碎帶的“屏蔽”程度增大，使底板破碎帶范圍加大，從而形成良好的突水通道，突水幾率增高，所有防水煤柱也要相應加寬；同時，斷層上不周圍的引力也變得不規則。斷層破碎帶構造巖層一般強度較低，實驗研究表明，其單軸抗壓強度僅為完整巖體的1/7左右。斷層破碎帶構造巖強度對突水的影響可以從兩方面分析：一是斷層的發育破壞了斷層兩盤巖體的完整性，增大了底板的破壞深度，容易造成突水；二是斷層帶仍有一定的抗水壓能力，水壓較小時能夠阻止或延緩突水的發生。

圖3 煤柱寬度與斷層厚度的關系

（7）公式沒有考慮礦壓對防水煤柱留設寬度的影響，現代構造應力場是實實在在存在的一個強大力場，決定了斷層現今的受力狀態，對斷層裂隙、空隙的張開與閉合以及斷層的導（富）水性具有重要影響，進而控制了斷層的突水危險性。除上述討論的一些主要問題外，現行的斷層防水煤柱寬度計算中還存在著沒有充分考慮裂隙煤體與壓力水的相互作用與相互影響，以及“兩帶”高度、圍巖移動角等因素而影響合理的煤柱寬度等問題。

三、斷層防水煤柱寬度的確定

1.斷層裂隙帶寬度的計算。防水煤柱不是距斷層面的距離，而是距斷層帶（包括破碎帶和影響帶或裂隙帶）的距離，而斷層影響帶寬度和斷層落差、性質、兩盤巖性等關系密切，斷層落差越大，斷層帶寬度越大，兩盤巖性越弱，裂隙帶寬度也越大（圖4），馮本超等（1993）根據部分礦井的實測資料并參考《礦井巖溶水防治》（李金凱等著，1990），得出正確斷層裂隙帶寬度與兩盤巖性和落差的經驗公式：

圖4 斷層裂隙帶寬度與斷層落差的關系曲線（據李金凱等，1900）

Wb=λh3/5（式7），式中：λ-與兩盤巖石性質有關的系數對于松軟巖層和煤層，取1.14；對于中硬巖層，取0.76；對于堅硬巖層，取0.38；h-斷層落差，m。

2.掘服帶寬度。在煤柱的采空區一側，由于支撐的作用，產生地壓裂隙，是地下水的強滲透區，該區實際上起不到阻水的作用，根據英國B·N威爾遜（1981）的研究結果（圖5），掘服帶寬度為：Wy=0.005MH（式8）式中：H—開采深度，m；M—開采厚度，m。

綜合以上分析斷層防水煤柱保持穩定和隔水的基本條件是在斷層裂隙帶和掘服帶中間保留一定寬度的彈性核（可用（式1）公式計算），防止構造裂隙和地壓裂隙導通水，由此可見，抵抗斷層水災順煤層方向上壓力的合理煤柱寬度為：斷層裂隙帶寬度+彈性核寬度+掘服帶寬度。

參 考 文 獻

[1]張金才，張玉卓，劉天泉.巖體滲流與煤層底板突水[M].北京：地質出版社，1991.

[2]吳基文，劉小紅.斷層帶巖體阻水能力原位測試研究與評價[J].巖體力學.2003（24）：447～450