郭屯煤礦工作面正斷層下盤防水煤柱留設研究

張 凱

（山東能源魯西礦業公司郭屯煤礦，山東 菏澤 274700）

郭屯煤礦突水嚴重影響礦井的安全生產，大多數礦井突水都是受到工作面推進過程中斷層活化的影響，斷層裂隙發育不斷擴展，滲透性逐漸增強，當斷層裂隙和頂板破壞帶導通時，最終導致礦井突水[1-3]。目前，郭屯煤礦3301 工作面受向陽斷層影響工作面一分二，為了避免斷層突水對工作面安全造成影響，將采用FlAC3D數值模擬軟件對3301 工作面向陽斷層保護煤柱寬度合理性進行分析，同時，為今后礦井安全生產及礦井突水的治理提供技術支持。

1 工程背景

礦井為生產礦井，主采3 號煤層，采用放頂煤開采工藝。3301 工作面位于工業廣場西北約2960 m，水郭線從工作面上部穿過，西側為3303 工作面。整個工作面煤層傾角平均5°。向陽斷層（∠60°～75°，H=0～80 m）從工作面中部穿過，煤層賦存較為穩定，平均厚度約4.5 m，頂板以粉、細砂巖為主，底板以泥巖、粉砂巖為主巖，局部有偽頂厚約0.5 m。工作面布置如圖1。

圖1 3301 工作面布置示意圖

2 理論計算

在《煤礦防治水規定》斷層安全隔水煤（巖）柱寬度計算公式中，有10 m 的保護帶厚度，考慮到向陽斷層帶易于導水的張性特征和回采集中應力對煤體的破壞作用，在回采煤壁由于支承應力作用形成包括破碎區在內的非彈性區。因此，考慮到安全性給予15 m 的保護帶厚度，防隔水煤柱留設寬度計算公式：

式中：L為煤柱留設的寬度，m；K為安全系數，取2；M為煤層厚度或采高，取4.5 m；P為水頭壓力，取2.07 MPa；KP為煤的抗拉強度，取0.53 MPa。

經計算所得，防隔水斷層煤柱寬度為30.4 m。

3 FlAC3D 數值模型

3.1 模型建立

根據3301 工作面SX1 實際鉆孔資料，采用FlAC3D模擬軟件，對工作面斷層不同保護煤柱寬度開采時應力演化規律以及塑性破壞規律進行研究。斷層地質構造復雜，為高度還原現場情況，對模型進行適當調整優化。為消除模型邊界效應的影響，模型傾向和走向方向各留設50 m 的保護煤柱。邊界條件設置：模型的底部邊界和左右邊界采用Fix命令固定，頂部為自由邊界，通過施加均布載荷模擬煤層上覆巖層自重載荷（15.5 MPa），利用Interface 命令建立接觸面表示斷層軟弱面。建立的模型長500 m、寬800 m、高142 m，模型共有384 000 單元，412 126 節點。模型如圖2。

圖2 不同寬度保護煤柱幾何模型示意圖（m）

3.2 巖石力學參數

現場井下取樣運至實驗室測試，初步確定煤巖石力學屬性，井下巖石應力—應變關系常表現不規則特征，因此對實驗室中所得巖石力學參數進行了適當調整。模擬計算所采用的巖體力學參數見表1。

表1 巖體物理力學參數

3.3 模擬方案

以模型向陽斷層下盤左端位置處留設不同煤柱為開挖起始點，從右往左依次開采。為了便于研究不同保護煤柱寬度支持壓力演化規律及塑性破壞規律[4-6]，通過History 命令設置應力檢測線并記錄工作面開采后應力變化特征。

4 應力演化規律

根據上述所建立的斷層構造模型，分別模擬分析了3301 工作面距向陽正斷層下盤20 m、30 m、35 m 和40 m 等不同位置時超前支承應力分布及其演化規律。超前支承應力云圖及應力變化特征曲線如圖3、圖4。

由圖3、圖4 可知，幾乎所有的斷層都是由松散的碎巖、泥巖等充填物組成的斷裂帶，斷裂帶對承載應力的傳遞具有一定的阻隔作用。工作面在斷層附近作業時，支承應力峰值不斷增大，應力峰值位于煤壁前方約5 m 位置處，且隨著工作面距斷層越近，對盤應力隨之增加，因此，在圖3 中表現出一大一小“雙峰”狀應力曲線。研究結果與現場實測結果一致，間接證明了本次數值模擬的合理性。

圖3 留設不同寬度煤柱時斷層附近支承應力云圖

圖4 留設不同寬度煤柱時斷層附近支承應力曲線圖

在沿斷層下盤工作面開采過程中，斷層下盤不易形成穩定的鉸接結構。當斷層煤柱較小時，應力突然增大，風險大于正斷層上盤開采[7]。當工作面斷層保護煤柱寬度40 m 時，應力峰值為34.72 MPa，應力集中系數1.98。應力集中主要在斷層煤柱上，下盤采動對上盤應力分布影響不大。當工作面斷層保護煤柱寬度減小至90 m、80 m 及60 m 時，超前支承應力峰值不斷增加，支承應力影響范圍明顯增大，且斷層上盤的應力也隨著增加，應力峰值分別為38.61 MPa、41.03 MPa 和49.63 MPa，應力集中系數分別為2.21、2.34 和2.84。此時，工作面與斷層之間的煤柱內形成較高的應力集中。當繼續減小斷層保護煤柱寬度時，斷層下盤上覆巖層將會發生旋轉失穩現象，作用在斷層剩余煤柱中的集中應力將會超過其自身極限破壞強度，剩余煤體將發生破壞，不再具有承載載荷效應且極易誘發沖擊地壓。

5 塑性破壞區變化特征

3301 工作面距向陽正斷層下盤20 m、30 m、35 m 和40 m 時塑性區破壞演化規律如圖5。

圖5 留設不同寬度煤柱時斷層附近塑性區破壞云圖（m）

如圖5 所示，當斷層保護煤柱寬度為40 m 時，斷層高位巖層附近微小部分發生塑性破壞。隨著斷層煤柱寬度的減小，明顯可以看出，高位斷層更容易受采動影響，斷層附近巖層塑性變形破壞更為劇烈。同時，工作面破壞發育高度也隨著保護煤柱寬度的減小逐漸增加。當工作面進一步向斷層推進時，支承應力和塑性區破壞范圍不斷增加，當達到斷層煤柱極限強度時，會釋放大量彈性能，煤柱將不再具有承載能力，容易誘發一系列災害事故。

經過數值模擬驗算發現，向陽斷層保護煤柱寬度留設30 m 時應停止繼續向前開采，將剩余煤體留設為斷層隔水保護煤柱，同時還應加強因斷層活化對巷道、硐室的影響，預防礦壓災害及頂板水害事故發生。

6 結語

以理論計算和數值計算手段相結合形式，對3301 工作面不同煤柱寬度條件下采動應力場分布、圍巖裂隙演化規律特征進行了研究，主要結論如下：

（1）由于斷層阻隔性，工作面在斷層附近開采時會在煤柱的頂板形成較高的應力集中區域，其中高位斷層受采動影響最為明顯。

（2）防隔水煤柱破壞多為剪切破壞，通過理論計算與數值模擬結果，確定郭屯煤礦3301 工作面防隔水煤柱寬度為30 m，經現場3301 工作面回采驗證效果較好，間接證明了本次設計的可靠性。