深部大斷層保護煤柱合理寬度研究

黃洪濤 鄧重青 李繼路

（微山金源煤礦，山東 濟寧 277600）

井工開采留設斷層煤柱是常用的災害防治方法[1-2]。近年來，煤炭開采深度和強度逐漸增加，斷層防水等問題更加突出：落差大、延展長的區域斷裂構造，在區域范圍內造成了奧灰含水層與可采煤層的直接對接，嚴重威脅了礦井安全開采[3]；深部煤層在采動過程中，將對斷層穩定性造成影響，并可能引起斷層活化或煤柱失穩，繼而易發礦井水害[4-5]。

微山金源煤礦存在典型的深部大斷層，潛在斷層失穩和活化導水等威脅。為保障近斷層工作面安全開采，需要根據實際條件進行采前針對性的保護煤柱寬度研究。鑒于此，在大屯斷層水文地質條件基礎上，擬建立斷層上盤開采斷層活化力學模型，并用數值模擬煤層開采應力分布和塑性區變化特征，揭示近斷層煤層采動條件下斷層活化與留設煤柱寬度之間的關系，為安全合理的防水煤柱寬度確定提供依據。

1 工程背景

金源煤礦已開采多年，剩余可采儲量較少，且位于西部二采區，該區域受邊界大屯斷層的影響大。揭示的大屯斷層為北部邊界斷層，走向近EW，傾向S，傾角70°，落差范圍80～600 m，煤礦內延展長度約8750 m，斷層下盤奧陶紀含水層與上盤含煤地層對接，威脅二采區3 煤的安全開采。如圖1。

2 上盤開采斷層活化力學判據

2.1 力學模型建立

為了研究采場斷層在采動作用下的活化機理，假定斷層的上、下盤為彈性巖體，斷層面即為上下盤的接觸面，斷層初始活化的標志為上下盤產生剪切運動，建立如圖2 所示的平面簡化斷層受力狀態模型。其中：斷層結構面傾角為β（°）；斷層受到的最大主應力為σ1（MPa），方向垂直向下；最小主應力σ2（MPa），方向水平。

圖2 平面簡化斷層受力狀態模型

作用于結構面上的剪應力τxy（MPa）、正應力σn（MPa）分別為：

若斷層結構面具有粘聚力C和摩擦系數f=tanφ，φ為巖石內摩擦角，（°），以壓應力為正，則由庫侖定律知結構面的抗剪強度為：

進一步得到斷層結構面上扣除抗剪力后的剩余剪應力為：

式（3）表明，斷層結構面的滑移變形是由剩余剪應力τ'作用產生的。

2.2 斷層滑移失穩判據

采場底板巖體處于三向壓應力狀態，工作面推進過程中，推進方向上的支承壓力變化由正常壓力→壓力增加→峰值支承壓力，通常條件，采場的覆巖自重應力（正常壓力）和峰值支承壓力簡化為：

式中，γ為覆巖容重，kN/m3；H為開采深度，m；k為應力集中系數，無量綱。

可以確定當斷層結構面處于峰值支承壓力影響區時，結構面變形最大，相應的力學條件為：

式中：λ為側壓系數，無量綱。

由以上進一步得到作用于斷層結構面上的剪應力、正應力表達式：

如果斷層結構面發生剪切滑動需要式（7）滿足條件：τ'≥0，則滑移變形臨界角β0：

由β0表達式定性分析，可以得出：

（1）采動影響和應力越大（k越大），斷層越易滑移。因此，對相似開采條件的礦井，開采深度越大，斷層越易活化。

（2）煤柱寬度越大（ 越大），斷層越不易發生滑移。因此，在水平應力較大的煤田，斷層不易活化。

（3）斷層產狀和其他開采條件一定情況下，可通過留設合理煤柱寬度和降低采動影響（應力集中），達到控制斷層穩定的目的。

3 開采斷層采動效應模擬

3.1 模型建立

采動斷層活化及煤柱的合理尺寸可借助數值模擬來確定。FLAC3D軟件對大型變形及扭曲現象尤為適用。以金源煤礦二采區鉆孔揭露的地質資料為基礎確定相關參數，模型尺寸確定為長×寬×高=350 m×300 m×200 m，斷層傾角為70°，煤厚均選用設計采高3.2 m。為了簡化計算，煤層設計為水平煤層，煤層埋深選取研究區最大埋深（900 m左右），模型上方取780 m 巖層的自重通過施加垂向的載荷實現。模型側邊界施加水平約束，底邊界施加水平及垂直約束，模型前后左右均為不透水邊界。計算分析判據采用摩爾—庫倫強度準則。為了分析煤層開采過程中圍巖及斷層處重分布應力的變化特征，設置的各監測點位置及編號如圖3。

圖3 應力監測點布置

3.2 模擬結果分析

模擬工作面與斷層距離為90 m、70 m 時，圍巖垂直應力分布與塑性區分布。工作面距斷層90 m：采動造成斷層煤柱塑區開始快速增加；工作面距斷層70 m：斷層煤柱塑區廣泛分布，采動開始對斷層穩定性產生影響。結果如圖4、圖5，具體如下：

圖4 工作面距斷層90 m

圖5 工作面距斷層70 m

（1）工作面推進距斷層90 m，煤層頂、底板巖層中塑性區完全呈似“馬鞍形”，塑性破壞區范圍繼續加大，已經具有一定規模。垂直應力圖顯示出垂直應力在覆巖內影響范圍不斷擴大，其形態趨向改變，拱形范圍不斷增大，采動煤柱塑性影響明顯。

（2）工作面推進距斷層70 m，由于工作面的不斷推進，頂底板破壞繼續發展，底板塑性區向斷層發育的趨勢更為明顯，形成不對稱的“馬鞍形”破壞區，采動造成斷層煤柱圍巖穩定性急劇降低（斷層煤柱局部破壞）。此時斷層仍保持穩定，但還未出現整體破壞。

斷層面覆巖監測結果如圖6 所示。工作面與斷層間距不小于80 m 時，各監測點應力基本無變化；工作面開采至距斷層70 m的位置時，受壓應力作用，斷層內部出現應力增大現象；當工作面距斷層寬度小于40 m 后，應力增大程度加劇。表明隨著工作面向斷層方向的推進，煤層采動對斷層的擾動越來越大。工作面前方支承壓力區范圍大致為50 m，最大應力約為50 MPa。工作面底板監測如圖7 所示，監測點3上4 表明工作面開采至距斷層90 m 處，該監測點處應力開始增大。

圖6 覆巖斷層監測點豎向應力

圖7 底板處監測點豎向應力

模擬分析結果表明，為了保證斷層的絕對穩定（斷層煤柱不發生失穩，且避免斷層受到明顯采動影響），大屯斷層保護煤柱寬度D1=90 m，并根據局部區域的埋深、斷層落差和傾角變化等，進行適當調整。

4 大屯斷層防水煤柱綜合確定

（1）合理大屯斷層保護寬度，需要考慮保證采動條件下煤柱圍巖穩定和斷層失穩控制的“安全性”需要。根據本文理論研究，大屯斷層保護煤柱理論寬度D1=90 m。考慮工作面回采期間還可能受大屯斷層伴生及派生斷層的影響，而進一步弱化斷層煤柱強度及其完整程度，需要適當增加煤柱寬度（即考慮安全系數，參考文獻[2,5]研究和經驗，本文取安全系數k=1.1），得到大屯斷層保護煤柱合理寬度Ds1（單位：m）：

依據實際參數，得到Ds=1.1×90=99 m。

（2）查閱了《煤礦防治水細則》斷層煤柱設計規范，以及考慮結合大屯斷層實際落差條件，滿足“合規性”大屯斷層保護煤柱寬度Ds2≥75～86 m。

綜合“安全性”與“合規性”兩個方面，大屯斷層煤柱留設寬度Ds（單位：m）為 ：

為了進一步方便現場技術管理，實際寬度取整數，即Ds=100 m。目前，金源煤礦西部二采區采用上述煤柱留設，已經完成了2318、2320 等工作面安全開采，現場效果良好。

5 結論

（1）建立了深部大斷層滑移失穩力學模型，推導了斷層失穩的臨界判據，得到通過合理增加煤柱寬度和降低開采擾動實現斷層活化控制的力學依據。

（2）數值模擬對比了不同煤柱寬度條件下采場圍巖應力和塑性變化，得到了金源煤礦西部二采區大屯斷層合理保護煤柱寬度為100 m。

（3）本文研究模型和方法，有助于評估斷層活化的可能性，作為斷層煤柱設計參考驗證依據。