錢營孜礦F22 高角度正斷層防水煤柱留設寬度研究

王浩杰，方家虎，孫 萍

（1.中國地質科學院 地質力學研究所，北京 100081；2.自然資源部 陜西寶雞地質災害野外科學觀測研究站，陜西 寶雞 721001；3.中國礦業大學（北京）地球科學與測繪工程學院，北京 100083）

據統計，2000—2015 年我國共發生1 162 次煤礦水害事故，其中較大水害事故有1 056 起。煤礦水害事故依舊是煤礦事故的第二大殺手，其中絕大多數水害事故均是由斷層或隱伏斷裂引起的[1-2]。而預留斷層防水煤柱依然是防止斷層活化導水最主要的方法[3-5]。

在防水煤柱寬度研究方面，國內外學者已經開展了大量的工作并取得了豐富的理論成果和實踐方法[6-8]。其中主要的研究方法有基于相似材料的物理模型試驗、數值模擬分析及理論計算等[9-20]。但由于不同煤礦地質構造、地層巖性、含水層分布以及斷層性質的各異性，并不能依據單一的方法和理論公式確定防水煤柱的寬度。因此，聚焦淮北礦區錢營孜煤礦F22大落差、高角度正斷層，采用FLAC3D有限差分數值軟件研究了斷層下盤W3221 工作面開采后斷層帶上、下盤界面及煤層頂、底板的位移場、應力場變化及其采動破壞效應，結合理論公式計算綜合確定了F22斷層下盤W3221 工作面開采時預留的防水煤柱寬度。

1 地質概況

錢營孜礦井構造綱要圖如圖1。

圖1 錢營孜煤礦構造綱要圖Fig.1 Structural outline of Qianyingzi Coal Mine

淮北煤田位于安徽北部，是我國主要的產煤地之一。其地處華北板塊東南緣的徐淮坳陷，構造格架主要受一系列NNE、NW 向斷裂及NNE、NE 向褶皺構造控制，以宿北斷裂為界，淮北煤田可劃分為南北2 大部分。錢營孜煤礦位于淮北煤田南部，地處宿北斷裂、光武-固鎮斷裂、豐渦斷裂與固鎮-長豐斷裂組成的斷塊內，宿南背斜西翼，南坪向斜東翼。錢營孜煤礦總體構造形態為一較寬緩向南仰起的向斜，并被一系列南北向、北北東向斷層切割，發育有次級褶曲。主采煤層為二疊系上石盒子組的3煤、下石盒子組的8 煤及山西組的10 煤。

錢營孜煤礦共有4 個主要含水層（組），自上而下分別為新生界松散含水層、二疊紀煤系地層含水層、太原組石灰巖巖溶裂隙含水層（后文簡稱“太灰”）和奧陶系石灰巖巖溶裂隙含水層（后文簡稱“奧灰”）。由于該斷層落差較大，且“太灰”和“奧灰”距3 煤距離較遠，所以對斷層下盤3 煤開采影響較大的主要為新生界松散含水層和煤系地層砂巖裂隙含水層。其中煤系地層砂巖裂隙含水層是其直接充水水源，而新生界第四含水層直接覆蓋在基巖各含水層之上，與基巖各含水層均有水力聯系，成為3 煤的間接充水水源。

F22斷層是礦井內1 條規模較大的樞紐正斷層，為西二、西三采區邊界正斷層，走向近SN，平面上呈緩波狀，傾向W，傾角65°～75°，延伸長度約6 500 m，落差0～350 m，切割3、7、8、10 煤。斷層破碎帶由泥巖、粉砂巖、砂巖和煤塊組成，其中以泥巖、粉砂巖為主，擠壓破碎，角礫狀明顯，有鉆孔及三維地震控制，屬查明斷層。

根據勘探資料，F22斷層破碎帶以煤系泥巖及粉砂巖為主，夾少量砂巖碎屑，所有鉆孔穿過斷層帶時，均未發生漏水現象，泥漿消耗量一般為0～0.016 m3/h，最大為0.58 m3/h。且F22斷層專門水文地質勘探孔（Z1、Z2、Z3）在鉆進到斷層帶時也均未發生明顯的漏水現象，根據其抽水試驗成果資料：斷層帶靜止水位33.65 m，水位降深S=40.43 m，影響半徑R=56 m，滲透系數K=0.013～0.067 m/d，單位涌水量q=0.002～0.021 L/s·m，說明其富水性較弱。地面瞬變電磁勘探資料顯示：F22斷層帶未見明顯異常區，以弱異常為主，其南部弱異常強于北部弱異常，表明F22斷層的含水性較弱。F22斷層破碎帶如圖2。

圖2 F22 斷層破碎帶Fig.2 Characteristics of F22 fault fracture zone

當西三采區運輸石門過F22斷層時，探查資料顯示，3 個超前探查孔過斷層帶時會有大量瓦斯涌出，但各孔并未發生漏水現象。2016 年1 月13 日，巷道掘進至斷層破碎帶，遇見斷層破碎帶的標志巖性-紫色斑狀泥巖，破碎帶巖性較混雜，主要為泥巖、細砂巖、粉砂巖及煤。綜合分析勘探和生產礦井水文地質資料可知，F22斷層含、導水性均較差。

2 數值計算模型

2.1 采空區煤層屈服長度及頂板和底板破壞深度

進行煤層底板巖體最大破壞深度、煤層屈服區長度與煤層頂板導水裂隙帶高度理論計算，一方面為精準確定模型需細化網格的邊界范圍及監測點布置提供參考依據，另一方面也可與工作面采后的數值模擬結果進行對比驗證。

工作面底板巖體的滑移線場，即塑性邊界，由3個區組成：主動極限區、被動極限區和過渡區?？梢愿鶕苄詤^的幾何尺寸確定出煤層底板在極限支承壓力條件下所產生破壞區的最大深度。

根據英國A H 威爾遜（Wilson，1972）提出的煤層屈服區長度（Xα）計算公式：

式中：Xα為煤層屈服區長度，m；M 為煤層采厚，取值3 m；ρ 為煤層密度，取值1.5 t/m3；H 為煤層埋深，取值400 m；φ 為煤層的內摩擦角，取值27°；K1為比例系數；F 為與K1有關的系數。

由式（1）～式（3）計算F22斷層下盤32煤層的屈服區長度Xα為5.84 m。

張金才等[21]結合煤層支撐壓力作用的特點，對A S Vesic 提出的巖體塑性滑移時極限承載力計算公式進行了修改與補充，從而得出極限支承壓力條件下煤層底板破壞區的最大深度h 計算公式：

式中：φ′為底板巖體的內摩擦角，底板巖體主要以泥巖、細砂巖、粉砂巖為主，綜合考慮取φ′＝35°。

由式（1）得Xα為5.84 m；由此得出極限支撐壓力條件下煤層底板破壞區的最大深度為10.54 m。

根據《煤礦防治水細則》中煤層頂板導水斷裂帶高度HL計算公式[22]：

錢營孜煤礦32煤層傾角小于54°，其覆巖主要為泥巖，粉砂巖和細砂巖，屬中硬巖層（抗壓強度21～40 MPa），根據式（5）計算32煤層頂板導水斷裂隙帶高度為（35.7±5.6）m。

2.2 模型建立及監測點布置

F22斷層防水煤柱的留設寬度直接影響W3221工作面的布置，所以地質模型主要依據29-30 勘探線剖面圖及29-30-5、29-30-6 鉆孔柱狀圖建立，模型選取斷層傾向方向為x 軸，斷層的走向方向為y軸，模型的豎直方向為z 軸?？紤]到邊界效應、煤層頂、底板破壞深度及計算效率等因素，最終確定計算模型大小為700 m×200 m×350 m，F22斷層及破碎帶寬15 m，傾角67°。

在FLAC3D5.01 軟件平臺下生成三維地質計算模型，模型共42 460 個單元，49 295 個節點。為了研究工作面開采后斷層破碎帶及煤層頂、底板的位移場、應力場變化及其破壞規律，本次在模型內部斷層帶及煤層頂、底板布置了監測點，其分布位置及間距主要用于監測煤層回采過程中應力和位移的變化情況。 監測點布置如圖3。

圖3 監測點布置Fig.3 Layout of monitoring points

2.3 模型選取及參數確定

在本次數值模擬中，煤層及頂底板巖體選用基于莫爾-庫侖屈服準則的理想彈-塑性本構模型：Mohr-Coulomb 模型，巖層物理力學參數見表1。

表1 巖層物理力學參數Table 1 Physical and mechanical parameters of main rock

3 數值結果及分析

3.1 初始地應力場的生成

煤層開采屬于深埋工程的1 種，其現今應力場比較復雜，通常為構造應力場和自重應力場的疊加，通常構造應力場占主導地位，所以本次模擬采用應力邊界法。這一方法的思路是：在初始地應力場的生成過程中，模型不設速度邊界條件，而在模型表面根據地應力場的分布情況施加構造應力的邊界條件并保持恒定，表層單元與模型內部單元接觸面的節點力向模型內部傳播，使得表面的應力向模型內部擴散，直至達到平衡，這時得到的初始應力場認為是構造應力場和自重應力場相疊加的結果[23]。

根據錢營孜礦實測地應力資料，錢營孜礦的地應力場以水平應力為主，F22斷層所在的西二采區實測最大主應力大小38 MPa，方位角133°，最大水平應力為垂直應力的1.9 倍，為最小主應力的5.4 倍。將3 個主實測主應力投影到計算平面（x，y，z 平面）上，假定地應力大小是按深度等差分布，采用應力邊界擬合法，經過一段時間的迭代計算，表面的應力場逐步擴散到整個計算模型達到初始平衡。

快速應力邊界法生成的初始應力云圖如圖4。

圖4 快速應力邊界法生成的初始應力云圖Fig.4 Initial stress cloud diagrams generated by fast stress boundary method

由圖4 可以看出：依據反演得到的初始應力場，應力等值線基本呈水平，由于斷層的影響，應力在斷層附近出現跳躍現象，但幅度不大。水平方向應力Sxx的值約為16.38～35.05 MPa，垂直方向應力Szz的值約為9.48～19.57 MPa。

3.2 不同煤柱寬度下應力場分析

本次模擬斷層下盤W3221 工作面32煤層的開采，工作面煤層回采寬度180 m，沿煤層傾向方向靠近斷層推進，一次采全高，采高3 m，開采步距10 m。不同煤柱寬度下斷層帶下、上盤應力變化如圖5。

圖5 不同煤柱寬度下斷層帶下、上盤應力變化Fig.5 Stress changes in hanging wall and footwall of fault zone under different pillar widths

從圖5（a）可以看出：煤層回采后斷層帶下盤各監測點x 軸水平應力變化曲線，隨著工作面向斷層帶方向推進，位于煤層底板及其上部的1#～4#監測點的Sxx應力值逐漸增大，位于煤層下部的5#監測點的Sxx應力值逐漸降低。當保護煤柱寬度大于40 m 時，各監測點的應力變化幅度均較小，說明煤層的開采對其影響較?。划敱Ｗo煤柱寬度小于40 m 時，各監測點的應力變化幅度顯著增大；當煤柱寬度為20 m 時，靠近煤層的2#～4#監測點的應力值相比煤柱寬度為40 m 時增大了5～6 MPa，說明此時煤層的開采對斷層帶的應力產生了顯著的影響。

從圖5（b）可以看出：煤層回采后斷層帶上盤各監測點x 軸水平應力變化曲線，隨著工作面的推進，各監測點的Sxx應力值變化幅度均較小，均控制在2 MPa 以內，分析原因為斷層破碎帶的存在，對水平應力的傳遞造成了較大的阻礙；同時也說明下盤煤層的開采對斷層帶上盤水平應力的影響較小。

從圖5（c）和圖5（d）可以看出：斷層帶下盤和上盤各監測點的垂向應力變化曲線，隨著工作面的推進，工作面所在的斷層下盤靠近煤層的3#、4#監測點的垂直應力呈持續增大的趨勢，距煤層較遠的監測點呈先增大后減小的趨勢。斷層上盤除上部距煤層最遠的6#監測點以外，其他監測點應力均呈持續增大的趨勢。當保護煤柱寬度小于60 m 時，各監測點的應力變化幅度明顯增大，應力變化幅度最大約為4 MPa。尤其在煤柱寬度小于40 m 時，監測點應力變化更加顯著。其中位于斷層下盤3#、4#監測點的應力增大幅度達到了12 MPa；而1#、2#監測點應力變化發生轉折，由之前的增大趨勢變為減小趨勢，減小幅度約2 MPa；位于煤層下部的5#監測點應力變化較穩定。同斷層下盤類似，斷層上盤7#～10#監測點應力也出現了顯著的增大，增大幅度相對下盤較小，約為3～4 MPa，而6#監測點應力出現小幅度的降低現象。總體上，當煤柱寬度從60 m 減小到40 m后，垂直應力變化幅度會出現明顯的增大，但并不改變應力變化趨勢；而當煤柱寬度從40 m 減小到20 m 后，垂直應力變化幅度顯著增大，且改變了1#、2#和6#的變化趨勢。

總結可得：當煤柱留設寬度小于40 m 時，煤層的繼續開采會對斷層帶的應力變化產生顯著的影響，受采空區應力釋放的影響，垂直應力的變化明顯大于水平應力的變化；且工作面所在的下盤斷層帶應力變化幅度明顯大于上盤，說明斷層破碎帶的存在對煤層回采后產生的集中應力的傳遞起到干擾作用；而且在斷層帶上距煤層越遠的監測點，開采對其的應力變化影響越小。

3.3 不同煤柱寬度下位移場分析

不同煤柱寬度下斷層帶上、下盤及煤層頂底板位移變化如圖6。斷層帶上下盤同標高監測點位移差如圖7。

圖6 不同煤柱寬度下斷層帶上、下盤及煤層頂底板位移變化Fig.6 Displacement changes of fault zone, roof and floor of coal seam under different pillar widths

圖7 斷層帶上下盤同標高監測點位移差Fig.7 Displacement difference of hanging wall and footwall monitoring point with same elevation in fault zone

由圖6（a）和圖6（b）可知：隨著工作面的回采，對于工作面所在的斷層下盤（圖6（a）），位于煤層上部的1#～3#監測點受采空區影響產生向下的位移且位移量逐漸增大，最大位移量為14 cm；而位于煤層下部的4#、5#監測點位移方向向上且位移量變化幅度較小，約為2 cm。對于斷層上盤的監測點（圖6（b）），均產生向下的位移且位移量也呈逐漸增大趨勢，但相比下盤而言，其位移量較小，最大位移量約4 cm。當煤柱寬度留設小于40 m 時，斷層上、下盤各監測點的位移量出現顯著的增加；斷層上、下盤監測點位移方向及變化幅度的差異說明斷層破碎帶的存在也會影響位移的傳遞，分析原因主要為斷層破碎帶巖石摩擦力和黏聚力都比較小，從而形成不連續弱面對應力和位移的傳遞起干擾作用，造成應力場和位移場的不連續。

由圖6（c）和圖6（d）可知：隨著工作面的推進，煤層頂板產生向下的位移，最大位移量27 cm，煤層底板位移總體向上，最大位移量12 cm。圖中11#和15#監測點距斷層帶10 m，12#和16#監測點距斷層帶25 m，13#和17#監測點距斷層帶40 m，14#和18#監測點距斷層帶55 m。當煤層開挖至監測點附近時，監測點的位移量會顯著增大，然后保持穩定；當回采至煤柱寬度小于40 m 時，監測點的位移量會再次出現顯著增大，最后保持穩定。

由圖7 可知：當煤柱寬度為80～60 m 時，斷層帶基本未發生錯動；當煤柱寬度為60～40 m 時，斷層帶發生輕微錯動，錯動量最大為3 cm；當煤柱寬度為40～20 m 時，斷層帶發生顯著錯動，錯動量最大可達9 cm，且監測點標高越高，錯動位移越大，此時很可能溝通煤層上部含水層，產生突水威脅。

3.4 不同煤柱寬度下塑性破壞狀態分析

不同煤柱寬度下斷層帶上、下盤及煤層頂底板塑性區發育如圖8。

圖8 不同煤柱寬度下斷層帶上、下盤及煤層頂底板塑性區發育Fig.8 Plastic zone of fault zone, roof and floor of coal seam developed under different pillar widths

隨著工作面的推進，斷層帶及煤層頂底板塑性區發育逐漸增大；隨著煤柱寬度的不斷減小，煤層頂、底板塑性區不斷向斷層帶靠近，有效隔水煤柱寬度越來越小。當工作面推進到距斷層帶40 m 處時，斷層帶頂部開始出現剪切破壞塑性區，塑性區貫通至32煤層與斷層帶的交匯處，此時斷層帶發生輕微錯動，錯動量最大為3 cm；但由于交匯處附近煤層及頂底板巖體未進入塑性屈服狀態，因此依然存在有效隔水煤柱。結合圖5 和圖7 可知：40 m 的隔水煤柱依然是相對安全的。當工作面推進到距斷層帶20 m 處時，煤層頂、底板塑性區分別發育到最大高度31 m 及15 m，這也與上節中根據公式求得的煤層頂、底板破壞深度較接近，此時斷層帶塑性區發育范圍已經與煤層頂板塑性區貫通，說明此時煤層上部含水層裂隙水很可能會通過導通的斷裂帶涌入工作面，造成涌水事故。

總結上述分析可以得出：通過對采后斷層帶及煤層頂、底板應力場、位移場和塑性區發育范圍3 方面綜合分析，得出F22斷層帶下盤煤柱留設寬度不得小于40 m。

4 煤柱寬度理論計算

錢營孜礦32煤工作面回采直接充水水源為煤層直接頂、底板砂巖裂隙水，由于其厚度較薄，且與泥巖互層，根據抽水試驗資料其富水性弱，一般出水點初期水量較大，但衰減趨勢明顯，最終隨時間推移多數干涸。所以對煤層開采會產生突水的含水層主要為新生界第四含水層（以下簡稱“四含”）和煤層底板下K3 砂巖裂隙含水層，根據對鉆孔單位涌水量的分析，其中"四含"富水性為弱-中，K3 砂巖裂隙含水層富水性為中。

對于防止K3 砂巖裂隙水突出的煤柱寬度計算，根據《煤礦防治水細則》[22]，煤層位于含水層上方且斷層導水較弱時，隔水煤柱的留設應當保證含水層頂面與斷層面交點至煤層底板間的最小距離，在垂直于斷層走向的剖面上大于安全防隔水煤（巖）柱寬度Ha，但不得小于20 m。

Ha值可以按式（6）計算：

式中：p 為防隔水煤（巖）柱所承受的實際水頭值，MPa；Ts為臨界突水系數，MPa/m；Hp為保護層厚度，一般取10 m。

根據鉆孔抽水試驗資料，下盤32煤層下K3 砂巖裂隙水水位標高平均約10.4 m，煤層底板標高約-350 m，所以煤柱所承受的靜水壓力約為3.6 MPa，根據安徽皖北各礦區多年生產實踐經驗，臨界突水系數取0.06 MPa/m。求得Ha為70 m；以K3 砂巖裂隙含水層與斷層的交點做為圓心，以Ha為半徑畫圓，所畫圓與下盤32煤層底面的交點煤柱的寬度為38.65 m。煤層頂、底板含水層分布及煤柱留設示意圖如圖9。

圖9 煤層頂、底板含水層分布及煤柱留設示意圖Fig.9 Aquifer distribution and coal pillar layout on top and bottom of coal seam

考慮到斷層在煤層采動作用下活化導水且水在順煤層方向上的壓力時，利用斷層導水模式煤柱留設的經驗公式對上述煤柱寬度進行檢驗：

式中：Ha為煤柱留設的寬度，m；K′為安全系數，一般取2～5，本次取5；M 為煤層采高，取3 m；p 為實際水頭值，MPa；Kp為煤的抗拉強度，取0.63 MPa。

由式（7）計算可得：Ha=31.05 m，小于用幾何法求得的煤柱寬度，這也驗證了上述煤柱留設38.65 m 的可靠性。

對于防止新生界第四含水層突水的煤柱寬度計算，由于含水層在煤層上部，幾何分析方法不再適用。根據《煤礦防治水細則》，由式（7）計算可知，新生界第四含水層距32煤頂板的水柱高度約130 m，所以煤柱所承受新生界四含的水壓力約為1.3 MPa，計算可得煤柱寬度約為19 m，也小于38.65 m，說明此煤柱寬度是合理的。

5結 語

針對錢營孜礦特殊的水文及工程地質條件，基于現場試驗數據，采用數值模擬及理論計算相結合的分析方法，對該礦F22大落差、高角度正斷層下盤32煤工作面回采過程中煤層頂底板破壞及斷層活化規律進行了研究。

1）由于煤炭開采屬于深埋工程，數值模擬過程中應用應力邊界擬合法生成模型的初始地應力場相對傳統方法更為可靠，為后續的煤層開采模擬的可靠性奠定了基礎。

2）煤層開采后，工作面所在的下盤斷層帶應力及位移變化幅度明顯大于上盤，說明因斷層破碎帶的存在而形成不連續弱面對應力和位移的傳遞均起干擾和阻礙作用，造成斷層帶上、下兩盤應力場和位移場的不連續。

3）當煤柱寬度留設從40 m 到20 m 時，斷層帶頂、底界面的應力變化幅度及位移差會顯著增加，煤層頂、底板的位移變化幅度也明顯增大，斷層帶頂部出現剪切塑性破壞區并且范圍逐漸擴大。當煤柱寬度為20 m 時，斷層帶頂部塑性區與煤層頂板塑性區溝通，存在突水危險。

4）根據含水層、斷層及煤層三者的位置關系，依據規范對F22斷層防水煤柱寬度進行了理論計算和幾何作圖分析，計算得出煤柱寬度為38.65 m。綜合對比分析數值模擬和理論計算結果，確定煤柱留設40 m 是安全合理的。