我國礦井斷層防水煤（巖）柱留設研究現狀與展望

尹會永，翟玉濤，趙翠月，史永理，智宏峰，3

（1.山東科技大學 地球科學與工程學院，山東 青島266590；2.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安710077；3.兗礦集團陜西未來能源有限公司 金雞灘煤礦，陜西 榆林719000）

據統計，我國煤礦采場底板突水事故中有79.5%左右受斷裂構造影響[1]，由此可見，斷層水害的防治工作歷來是煤礦水害防治的重點，也是許多科研人員與現場科技工作者的主要研究熱點，同時取得了較為豐碩的成果，為保障煤礦的安全生產起到了重要的指導作用。目前，我國許多礦井開采水平不斷向縱深部發展，斷層的致災性、隱蔽性愈發復雜，斷層水害威脅也相應增大，特別是底板水害發生與斷層的關系研究較為深入[2-3]。同時，水體下開采時，斷層存在對覆巖導水裂縫帶擴大作用[4]，以及煤層開采時的流固耦合作用[5]，都增加了水害防治的難度。目前，我國在防治斷層水害方面主要采取以下方法：斷層留設煤（巖）柱、注漿加固改造和帷幕截流法，而最常用的方法就是斷層煤（巖）柱留設方法。合理的留設斷層防水煤（巖）柱不僅可以預防斷層水害的發生，而且也是合理利用煤炭資源的保障。《煤礦防治水細則》[6]中詳細闡述了多種類型斷層防水煤（巖）柱留設寬度的計算原則，并廣泛應用于礦井生產中。此外，理論計算[7]、多元回歸分析[8]、BP 和RBF 方法[9]、相似模擬技術[10]、數值模擬技術[11]等方法與技術也層出不窮，不斷地豐富斷層防水煤（巖）柱寬度的留設方法。斷層煤（巖）柱的留設是受諸多因素影響的，而且隨著開采強度、開采條件、地質及水文地質條件的差異性以及復雜性而有所不同，今后應該繼續加強斷層煤（巖）柱留設方面的研究工作，確保礦井不受斷層水害威脅的前提下，更高效地開采煤炭資源。基于此，對國內學者的相關研究成果進行歸納總結，對不同的研究方法進行歸納，提出存在的主要問題，以期為今后研究斷層煤（巖）柱留設提供更豐富的參考價值。

1 斷層防水煤（巖）柱研究現狀

縱觀以往斷層防水煤（巖）柱的研究成果，目前主要集中在：理論計算、數值模擬、相似模擬、多因素綜合分析以及借助規程留設的方法等方面。在這些方面進行了卓有成效的研究，且取得了較為豐碩的成果和成功經驗，為不同條件下的斷層水害防治提供了重要的技術保障。

1.1 理論分析與多因素分析

斷層防水煤（巖）柱留設研究涉及到的因素較多，如何設計合理的斷層防水煤柱寬度需要進行斷層水文地質條件的詳細分析，關鍵層理論、極限設計思維、主控因素分析法、基于BP、RBF 神經網絡等理論及多因素分析已經得以成功應用。基于斷層防水煤（巖）柱臨界值的概念和原理，以及煤柱可靠性設計可以通過極限設計思想來研究，從而獲得更加符合現場的結果。深入分析斷層的力學特征、主要地質構造及水源水力聯系情況，有助于判斷斷層的導水特征，進而為防治主要威脅含水層而設計合理的防水煤（巖）柱留設寬度。生產實際中遇到的斷層差異性較強，需深入、具體分析某一類斷層帶的導水性和周邊水文地質情況，以此為基礎，計算工作面開采條件下的工作面邊界斷層防水煤（巖）柱寬度。

綜合考慮影響斷層防水煤（巖）柱留設的多種因素，借助多元回歸分析法，有助于研究斷層防隔水煤（巖）柱留設寬度，同時探討了多元回歸分析法在預測方面的實用性和可行性，設計出了更加合理的保護煤柱，以達到既能提高煤炭資源采出率又能安全生產的目的。基于BP、RBF 神經網絡，根據國內典型煤礦斷層煤（巖）柱的實際留設寬度，對水頭壓力、煤層厚度、安全系數、煤的抗張強度等主要影響因素進行研究，預測研究了斷層煤（巖）柱安全留設寬度，并比較了經驗公式BP 和RBF 以及MATLAB 回歸分析法的實際應用價值[7-9，12-14]，為煤礦安全生產提供了科學合理的依據。

1.2 基于數值模擬的斷層煤柱留設

數值模擬技術在研究煤層開采過程中巖層運動、應力分布、斷層“活化”等方面具有非常大的優越性，被許多科技工作者所采納。有限差分、有限元、離散元等數值模擬理論應用較普遍，其中以FLAC3D數值模擬軟件應用最為成熟、最為廣泛，研究成果也是獲得最多的。尹會永等[15]利用FLAC3D數值模擬技術，圍繞礦井人為邊界煤（巖）柱寬度留設的合理性，模擬了不同開采條件以及不同開采順序下的情況，得出的模擬結果與《煤礦防治水規定》中的規定相吻合，也驗證了數值模擬技術的良好應用效果。多煤層重復采動條件的斷層活化機制，也可通過數值模擬技術來實現。魏久傳等[16]針對濟三煤礦十二采區孫氏店支一斷層和F8斷層在3上、3下煤層重復采動條件下的活化機制，圍繞煤（巖）柱進行合理的尺寸留設，通過FLAC3D軟件模擬并結合經驗公式，提出了合理的煤（巖）柱留設尺寸，對指導采區安全開采提供借鑒。張立軍[17]根據袁店二井82 采區F 高長營斷層的賦存特點，并結合鉆孔資料，計算確定了斷層防水煤巖柱的寬度，利用FLAC3D數值模擬軟件，對斷層煤（巖）柱寬度進行了數值模擬以及安全評估。由于斷層“活化”容易引起突水事故發生，姜敏等[18]在開采蔣莊煤礦3上煤層時，綜合考慮斷層的水文地質效應。將流-固耦合理論應用到數值模擬中，可有效模擬斷層的防水穩定性和防潰水性能，將防水煤（巖）柱的安全性進行流-固耦合分析是一種更有效的分析方法。利用數值模擬的同時，結合關鍵層理論，將離散元應用到斷層煤柱留設研究之中，效果較好。不僅僅考慮了工作面沿斷層方向，同時研究在斷層走向推進過程中對煤柱的影響。利用FLAC3D數值模擬軟件，模擬有無斷層2種情況、建立不同正斷層傾角模型以及不同寬度斷層煤柱應力及其穩定性、正斷層活化及彈性能密度空間分布。結合資料對采場礦山壓力進行分析，避免更多的塑性區破壞，合理確定了斷層煤柱尺寸[19-21]。

1.3 斷層采動效應的相似模擬研究

相似模擬與數值模擬技術相似，能更好、更直觀的反映斷層“活化”、運動過程，進而得以廣泛應用。吳基文等[10]以任樓煤礦F3～F4斷層間塊段地層為研究對象，針對煤層回采過程中斷層帶巖體的采動效應及斷層下盤含水層的突水性，建立相似材料模型，探討安全回采的可行性，觀測F3斷層帶上巖體位移的變化情況，為合理留設斷層保護煤柱提供可靠的試驗依據。

1.4 多方法綜合分析斷層煤柱留設寬度

除了理論分析，多因素分析，數值模擬以及相似模擬研究外，還應多方法綜合分析斷層煤柱留設寬度。基于地球物理勘探、理論計算、灰色關聯分析法和LMBP 神經網絡開發綜合評估模型，對綜放回采巷道留設較大斷層防水煤（巖）柱的問題進行了優化研究，評價斷層防水煤（巖）柱的可靠性，并提出了相應的防治水措施[22-23]。韋乖強等[24]通過礦井瞬變電磁法能夠準確確定斷層的平面位置及富水程度，并結合鉆探驗證資料及水文地質資料，為斷層煤（巖）柱留設計算、論證提供了數據支撐，同時也對防治斷層水害提供了有利保障。

2 斷層防水煤（巖）柱研究存在的主要問題

1）煤層開采礦山壓力及多場耦合作用考慮不夠全面。截至目前，對于斷層防水煤（巖）柱留設沒有統一的標準，有的根據儲量計算及礦井設計要求留設；有的根據斷層的落差，人為地留設斷層防水煤（巖）柱；有的根據相關規程留設[25]；有的則是根據經驗公式留設。而煤層的采動是一個動力場的變化、調整過程，煤層開采會打破了原始的應力平衡，尤其是在斷層附近開采時，原本比較復雜的構造應力場，疊加后期采動應力場、地下水滲流場、地熱場等，導致綜合應力狀態發生更大的擾動。盡管也有文獻考慮了礦山壓力[7]，但煤層開采形成的礦山壓力作用以及多場耦合作用不可忽視，特別是多場耦合作用及其對斷層活化的定量影響特征方面尚未深入開展。

2）斷層煤柱留設的影響因素定量化分析有待進一步深入研究。影響斷層防水煤（巖）柱寬度留設的因素很多，涉及的因素主要包括地質條件和礦山水文地質條件、斷層性質、斷層落差、傾角、煤層埋深、煤層可采厚度、煤的抗張強度、開采順序及方法、圍巖類型及其力學性質和產狀、礦山壓力、最大靜水壓力[26]等因素，每位學者在進行研究時考慮的影響因素卻不盡相同。由此可見，斷層防水煤（巖）柱寬度的留設是基于多種影響因素之上的，應明確最重要的影響因素，并將各個因素的影響程度進行詳細、定量化分析，建立適當的計算模型，以確保煤（巖）柱留設寬度的合理性。具體礦井條件不盡相同，應做到具體情況具體分析[27-28]，以指導礦井防治水工作，服務礦井安全生產。

3）斷層帶、斷層影響帶以及伴生斷層的滲透性變化規律研究較少。斷層帶、斷層影響帶及其伴生斷層的存在，導致巖體滲透性發生較大的變化，也為地下水的運動提供了有利條件，但其滲透性變化規律研究成果偏少。而且，以往斷層防水煤（巖）柱的留設方法在一定程度上忽略了煤（巖）柱的滲透性變化規律和斷裂構造形成的斷層影響帶、以及伴生斷層破碎帶的導水特點，在確定煤柱寬度時候簡單的將斷層面作為一個面存在，而不是將兩盤的導水破裂帶可以看成是一個含水體對待，導致煤柱寬度過窄，增加了斷層水害發生的潛在威脅[29]。當然，斷層煤（巖）柱預設過寬，會造成大量的煤炭資源不能得到有效合理的利用。因此，煤柱留設應根據每個斷層的特征設計合理的寬度，既保證煤炭資源的合理、高效開采，又可避免斷層突水事故的發生。

4）數值模擬設置條件較為理想化，未真實刻畫斷層應力狀態。數值模擬技術作為研究斷層煤柱寬度的有效手段，表現出了巨大的優越性，但從目前的數值模擬研究成果來看，數值模擬過程中對斷層基本條件的設置較為簡單。當然受限于基本理論的限制、軟件功能的限制，導致現實中巖體的非均質性、各向異性等特點在模型建立過程中難以實現。另外，多數只從空間特征進行了設置，但未對斷層受力狀態進行合理的設置，這與現場實際條件相差較大。如斷層的力學參數的獲取，斷層影響帶特征、斷層初始應力場特征等，特別是隨著開采深度的增加，原始及后期構造應力起到的作用不可忽視，多數情況下要大于自重應力，而目前的模擬過程未考慮到此種狀況，從而產生較大的誤差。

5）室內相似模擬綜合試驗平臺尚需完善。室內相似模擬再現了煤層開采過程以及斷層狀態的變化特征，但在試驗精度方面、模擬巖層內部為“微型”變化特征的表現方面仍不完善，觀測手段、方法略顯單一。相似模擬過程中的多參數、多狀態的綜合觀測系統不夠完善，尤其結合地球物理特性的綜合觀測方面不夠系統，如導電性、聲發射、微震等地球物理監測技術在斷層面（體）的位移、變形方面結合程度仍不夠深入。大型二維三維相似模擬平臺建設不夠完善，大數據、可視化技術、人工智能等新技術的結合方面仍有很大的應用空間。

6）小型斷層突水機制及重視程度不夠。不同規模的斷層對煤層安全、高效的開采影響不盡相同。以往的研究多集中于大型斷層防水煤（巖）柱的留設，很少針對小型斷層，如落差較小（如落差小于10 m）的斷層進行煤柱留設。但許多突水資料表明，小斷層突水的概率反而很高[30]，如武安市德勝煤礦越界開采8 號煤，工作面上部遇到落差1.5 m 左右的斷層，沒有留設斷層防水煤柱導致礦井被淹，并造成在下山地區作業的29 人死亡。發生小斷層突水災害的主要原因包括：一是小斷層難以全部探查清楚；二是人們對小型斷層的重視程度不夠，認為不需要留設煤柱。但是，隨著開采深度的增加、水壓力的增加，小型斷層也是突水優勢面，也容易作為突水通道而引發水害事故。所以，小型斷層的水害防治、煤柱留設也應予以重視，今后也應該根據小型斷層具體的水文地質特征，合理留設小型斷層的防水煤（巖）柱寬度。

3 斷層防水煤（巖）柱研究展望

1）流-固耦合理論。流-固耦合理論應用在巖土體地下水方面有很大進步，但關于防水煤（巖）柱安全評價的文章和研究卻寥寥無幾。因此，開展考慮人為采動影響下，集流-固耦合理論的煤（巖）柱留設研究更為符合生產實際條件。

2）最優化。目前，中國通常依賴于現有的規程或者已有的經驗去設計斷層防水煤（巖）柱，但在斷層防水煤（巖）柱的優化研究上知之甚少。這種結果使得斷層有較大煤（巖）柱，與此同時工作面的規劃和生產系統的布局也會被嚴重影響，不利于資源的充分利用[6,9,31-32]。因此研究不同典型地質、水文地質條件下的不同災害類型的安全煤柱留設尺寸的最優化是非常有必要的。

3）數值模擬與相似模擬的高仿真。盡管數值模擬和相似物理模擬方法存在不足，但不能忽略這2種方法在斷層煤柱留設研究中的作用。特別是數值模擬能再現多工況條件下煤層開采的過程，可以結合大數據發展技術，模擬多條件、深開挖的三維宏觀模型，將現實中的條件“加載”到數值模型中，從而更加逼近現實模型。相似物理模擬具有直觀等優點，繼續發展三維相似模擬技術，并將地球物理、大數據、數據傳輸、可視化技術、人工智能技術等結合，實現物理模擬的多參數獲取、表達。

4）小型斷層的裂隙增滲規律。以往研究重點多集中于大型斷層方面，而對小型斷層重視不夠。但小型斷層突水事故也常見于報道。因此，應該加強在深部開采、高強度開采條件下，小型斷層擴展、貫通、活化機制、斷層裂隙增滲規律等方面的研究。

5）東部/西部煤（巖）柱留設方法與模型。隨著我國東部地區深部開采范圍、強度的加大，“三高一擾動”將會對煤（巖）柱的穩定性、完整性產生較大影響，考慮構造應力場、采動應力場、地下水滲流場、地溫高溫場等因素，開展多場綜合疊加作用下的煤（巖）體力學變形機制與規律研究；開展多煤層開采互饋影響條件下的煤（巖）體變形破壞特征研究；開展西部礦井弱膠結巖體-滲流-采動應力綜合作用下的煤（巖）體穩定性研究等；建立起符合我國煤礦不同典型地質條件下的煤（巖）柱留設方法與模型參考。

4 結 語

我國針對斷層防水煤（巖）柱的研究成果十分豐富，這些研究成果對減少斷層突水事故的發生，改善我國煤礦安全生產狀況、提高煤炭資源利用率起到了至關重要作用。但基于斷層防水煤（巖）柱留設的復雜性，地質、水文地質條件、開采方法等多樣性與差異性，仍需總結典型地質計算模型，開展基于煤層采動條件下的，數值模擬與相似模擬的高仿真研究、小型斷層的裂隙增滲規律、集流-固耦合理論的煤（巖）柱留設和優化等方面研究，為防治我國礦井斷層水害提供更多的技術保障。