地塹區工作面斷層防水煤柱合理留設研究

王 利 李 瑤 王忠雪

（1.山東濟寧運河煤礦有限責任公司，山東 濟寧 272055；2.山東科技大學資源學院，山東 泰安 271019）

我國地下水文地質環境復雜，礦井水害事故頻發，阻礙著煤炭產業的發展。斷層活化突水事故在煤礦工作面底板突水事故中占比較高，對工作面安全生產及地表生態環境產生巨大影響，造成了嚴重的經濟損失[1-2]。斷層活化使得裂隙不斷發展，當覆巖裂隙與斷層大面積導通時，就會導致工作面發生突水災害[3]。合理留設防水煤柱是解決斷層活化突水問題的主要方案之一[4-5]。陽城煤礦1315 工作面位于兩斷層形成的地塹內，軌順及切眼鄰近DF53斷層、皮順鄰近FD105 斷層布設。使用FLAC3D數值模擬軟件，在其他條件不變的情況下，研究在DF53 斷層落差不同情況下和在FD105、DF53 斷層留設不同煤柱寬度時，工作面回采過程中周圍巖體的應力、塑性破壞規律，為斷層的煤柱留設寬度合理設計確定提供依據，為今后礦井安全生產及礦井突水的治理提供參考。

1 工程概況

1315 工作面主采煤層為3 煤，工作面標高為-490～-660 m，地 面 標 高+37.5～+39.8 m，工作面走向長460 m，傾斜寬139 m，煤巖層傾角22°～32°，平均27°左右，煤層厚度為7.20 m，屬于穩定煤層。3 煤直接頂板為泥巖，中部相變為粉砂巖，偶為碳質泥巖，大多以偽頂形式出現，直接底板為泥巖或粉砂巖。1315 工作面與FD105和DF53 斷層相鄰，FD105 斷層傾角為70°，落差為0～10 m，DF53 斷層傾角為70°，落差為10～35 m，均為正斷層。DF53 對回采影響程度小，但是FD105 對回采影響程度較大。

2 模型的建立

根據研究目的，建立長寬高=700 m×450 m×400 m 數值模擬模型，選取工作面的推進方向為X 軸，工作面的傾斜方向為Y 軸，模型的豎直方向為Z 軸，具體網格劃分如圖1。對模型四周進行水平位移約束，底部邊界進行水平與垂直位移雙約束，模型頂部自由。對模型頂部未模擬的覆巖等效為均布荷載：q=∑γh=27 000×375=10.125 MPa。模型采用FLAC3D數值模擬軟件中的Mohr-Coulomb模型，主要巖層的物理力學參數見表1。模擬方案為固定FD105 斷層落差為10 m，設置DF53 斷層落差為10 m、20 m、35 m 對照組，研究當兩側斷層分別留設不同尺寸煤柱，采動對覆巖和斷層的影響。

圖1 模型網格劃分

3 FD105/DF53 斷層數值模擬分析

3.1 覆巖應力場變化規律

在FD105、DF53 斷層留設不同煤柱寬度時，DF53 斷層落差分別為10 m、20 m、35 m 情況下，模擬分析工作面回采過程中周圍巖體的應力、塑性破壞規律。

如圖2 所示，在斷層其他條件不變的情況下，DF53 斷層落差越大，煤柱寬度相同時正應力和剪應力均越小，這是由于斷層的阻隔作用且工作面在DF53 斷層的下盤。隨著兩斷層煤柱留設寬度不斷增大，正應力和剪應力整體呈現逐漸減小的趨勢，可以看出FD105 斷層處煤柱處于5 m、DF53 斷層處煤柱大于10 m 時，正應力整體變化緩慢，但當FD105 斷層處煤柱15 m 時正應力變化較大。最大主應力隨著煤柱寬度增大而逐漸減小，煤柱寬度越大斷層活化突水的危險性就越低。

圖2 不同寬度煤柱應力變化規律

以最不利情況即DF53 斷層落差為10 m 時進行分析。如圖3 所示，對于正應力，隨著保護煤柱的不斷擴大，卸壓區域不斷減小，對含水層的影響逐漸減小，直至幾乎不再波及。同時，采空區兩端由于煤壁的支承壓力作用產生兩個應力集中區，該應力集中區呈現隨著煤柱的增大逐漸從兩側斷層向中間轉移的特征，由此可見斷層對于應力的阻隔作用十分明顯。

圖3 DF53 落差10 m 正應力變化云圖

如圖4 所示，對于剪應力，隨煤柱增大，剪應力在減小的同時，工作面兩端的應力集中區位置不同，且在兩斷層煤柱均較寬時，該應力升高區整體呈現中心對稱形狀特征。具體表現為FD105 正的應力集中區位于煤層以下，負的應力集中區位于煤層以上，而DF53 斷層正負值剪應力集中區位置相反。隨著煤柱不斷增大，工作面兩端的應力集中區范圍逐漸向采空區中部傾斜，上下兩部分應力集中區域隨著煤柱的不斷增大，剪應力變小，向下對含水層影響變小，對斷層影響范圍逐漸減小，影響范圍約束在左右兩側斷層內。

圖4 DF53 落差10 m 剪應力變化云圖

3.2 覆巖破壞塑性區變化規律

圖5 為DF53 落差10 m 斷層留設不同寬度煤柱時塑性破壞圖，隨著斷層煤柱寬度變小，中間塑性區域逐漸相連接，塑性破壞區由“圓拱形”逐步過渡為“馬鞍形”，并最終變為“中部馬鞍、整體圓拱”形態。對于斷層破壞情況，直至煤柱均縮小到20 m 時，FD105 斷層仍未發生塑性破壞，DF53斷層受到影響較小；當斷層煤柱寬度都降低至15 m或10 m 時，FD105 斷層也未發生塑性破壞，DF53斷層塑性破壞區有零星接觸。當FD105 斷層煤柱為10 m 或者5 m 時，DF53 斷層煤柱越小，塑性區貫通面積越大。

圖5 FD105&DF53 斷層不同寬度煤柱塑性破壞圖

DF53 斷層煤柱留設5 m 時，發生大面積貫通，可知DF53 斷層煤柱不能小于10 m。FD105 斷層煤柱降低至5 m 時，塑性區域開始主要集中于工作面一端，對FD105 斷層存在影響，FD105 斷層煤柱寬度留設5 m 可以確保安全。

4 結論

1）在其他條件不變的情況下，DF53 斷層落差越大，采動應力對斷層影響就越小，工作面越安全。

2）通過分析FD105 斷層及DF53 斷層煤柱縮短過程中工作面覆巖的應力場特征，隨著在兩斷層煤柱留設寬度不斷增大，正應力和剪應力呈現逐漸減小的趨勢。

3）煤柱均縮小到10 m 時，FD105 也未發生塑性破壞，DF53 有零星接觸。DF53 斷層煤柱留設5 m 時，發生大面積貫通。綜合可得：DF53 及FD105 斷層煤柱寬度分別約為10 m、5 m 時能實現工作面安全開采。