斷層活化及防水煤柱留設數值模擬研究

王 利 王忠雪 李 瑤

（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）

隨著我國淺部煤炭資源開發殆盡，并且煤炭需求量逐年遞增，我國未來要轉向深部開采，深部煤層賦存條件越來越復雜，特別是斷層構造使開采難度大大增加[1-2]，因此，開展斷層發育對工作面開采產生的影響的研究非常重要。在采動影響下，斷層上盤和下盤沿斷層面發生相對滑移，引起斷層活化現象，使得斷層的導水性增加，更容易形成突水通道[3-4]。當前，國內外學者針對采動影響下斷層活化機理與其發展現狀進行了一系列研究。彭文慶等[5]運用各力學理論推導了不同斷層傾角的防水煤柱寬度計算公式。師維剛等[6]通過建模分析，對防水隔離煤柱重新分區，規范了相關經驗參數取值，使得防水煤柱設計更加全面。姜耀東等[7]通過在斷層模型中添加監測點，觀察法向應力和剪應力變化以研究斷層活化規律，發現工作面距離斷層越近，斷層越易于活化。程浩等[8]模擬研究了斷層在采動影響下對煤層頂底板變形的影響過程，對比發現斷層情況下更容易引發突水危險。吳俊達等[9]使用相似材料模擬試驗與數值模擬兩種方法，對采動影響下斷層的活化特征和煤柱留設進行了分析。楊本水等[10]研究斷層對煤層圍巖的影響程度，發現斷層情況下預留合適長度的煤柱可以有效預防水害。朱光麗等[11]、張培森等[3][12][13]、王浩杰等[14]利用數值模擬方法對斷層活化突水的影響因素、覆巖運動破壞形態、底板裂隙延伸特征等展開研究。

隨著煤炭資源開采深度和強度的持續增加，斷層活化導致的突水災害嚴重威脅生產安全，因此，為了防止斷層以及斷層附近裂縫造成工作面突水，需要留設尺寸合理的斷層保護煤柱。通過CAE 近些年發展，使用有限差分數值模擬的方法可模擬斷層在留設不同寬度防水煤柱時的活化程度，可以為工作面留設防水煤柱的尺寸提供參考依據[15]。本文通過分析 FLAC3D模擬留設不同寬度煤柱時，煤層開采過程中覆巖應力場變化規律、塑性區破壞特征及孔壓和水流速度變化特征，然后綜合對比分析，為斷層防水保護煤柱寬度留設提供依據。

1 地質概況

陽城煤礦1311 綜采放頂煤工作面走向長度517 m，傾向長度200 m，煤層埋深在-410～-640 m，煤巖層傾角平均20°，3 煤厚度平均7.2 m。煤層及頂板層理發育，內生裂隙較多；1311 工作面可能引起水害的主要充水含水層為山西組3 煤層頂板砂巖含水層、石炭系太原組三灰以及斷層水，其中3 煤頂板砂巖為直接充水含水層。工作面存在一正斷層為FD121 斷層，FD121 斷層走向45°，傾向315°，傾角50°，落差20～50 m。

2 數值模擬模型建立

合理的計算范圍對確保計算精度至關重要，本次模擬確定了如下的計算范圍：模型尺寸長×寬×高=825 m×200 m×265 m。根據研究目的，對斷層上、下盤煤層及煤層直接頂網格進行加密處理，網格劃分如圖1 所示。在模型的四周邊界均約束水平位移，底部邊界約束水平位移和垂直位移，上邊界為自由面。本模型所受的重力載荷梯度為25 kPa，上邊界模擬巖層等效均布荷載q=Σγh=2500×9.8×350 ≈8.58 MPa。根據大量的巖石力學試驗以及工程類比可以得知，Mohr-Coulomb準則能較好地反映出巖石破壞特性，因此選取Mohr-Coulomb 本構模型進行分析。模擬計算所采用的巖體力學參數見表1。

表1 各種巖性的物理力學參數

圖1 模型網格劃分

利用數值模擬軟件FLAC3D，分析1311 工作面開采對FD121 斷層活化的影響。方案一為模擬斷層防水煤柱寬度分別留設33 m、27 m、22 m、16 m和11 m 時，煤層開采過程對斷層活化的影響；方案二為當斷層防水煤柱寬度設定在27 m 不變情況下，在煤柱部分工作面只采不放，逐漸縮小開采部分的煤柱尺寸為22 m、16 m、11 m 時，煤層開采過程對斷層活化的影響。

3 數值模擬結果分析

3.1 煤層開采過程中覆巖應力場特征

由圖2（a）可知，隨著工作面推進，防水煤柱寬度越小，最大剪應力和最大主應力均呈現逐漸增大的趨勢。煤柱分別為33 m、27 m、22 m、16 m 和11 m 時，工作面采動對應的正應力分別為4.75 MPa、4.82 MPa、4.91 MPa、5.40 MPa 和5.36 MPa，對應的最大剪應力分別為2.42 MPa、2.48 MPa、2.52 MPa、2.59 MPa 和2.77 MPa，對應的最大主應力分別為2.66 MPa、2.68 MPa、2.78 MPa、2.88 MPa 和3.11 MPa，留設11 m 煤柱較33 m 煤柱分別增長12.8%、14.5%和16.9%。當防水煤柱寬度大于16 m 時，正應力隨防水煤柱寬度的減小而逐漸增長，且在22 m 時增長趨勢更加明顯。防水煤柱寬度小于16 m 時，正應力隨防水煤柱寬度的減小而緩慢減小，正應力在防水煤柱寬度為11 m 時較之16 m 時降低了約0.7%。

圖2 不同寬度防水煤柱應力場特征

由圖2（b）可知，“開采”部分煤柱分別為27 m、22 m、16 m、11 m 時，工作面采動對應的正應力分別 為4.82 MPa、4.90 MPa、4.91 MPa、5.45 MPa，對應的剪應力分別為2.482 MPa、2.526 MPa、2.524 MPa、2.465 MPa，對應的最大主應力分別為2.681 MPa、2.773 MPa、2.777 MPa、2.967 MPa。可以看出，隨著工作面的推進，正應力和最大主應力逐漸增大，而剪應力除了由27 m 變為22 m 時略有增大外，其他均逐漸減小。

3.2 煤層開采過程中斷層位移變化

由圖3 可知，隨著工作面的推進，FD121 斷層面上的位移整體呈現增大趨勢，煤柱尺寸縮減至33 m 時，斷層面上開始有明顯位移，但總的來說，位移顯現不明顯；煤柱尺寸縮減至22 m 后，斷層面上的各個監測點位移都較之前有了大幅度的增加。從四個位移監測點的監測結果可看出，斷層下盤位移測點受煤層開采影響產生的滑移量較上盤要大，因為下盤監測點離開采煤層的距離較近，同時受到斷層帶的阻隔作用，使得上盤滑移量較小。在方案二中FD121 斷層面上的位移整體不明顯，且與方案一相同的是，斷層下盤位移測點產生的滑移量較上盤要大。

圖3 斷層面位移變化圖

3.3 煤層開采過程中塑性區演化特征

圖4 展示了兩個方案在采動過程中塑性區演化特征。如圖4 所示，隨著煤柱寬度縮短，工作面頂、底板巖層均呈現不同程度的破壞，塑性區向著斷層方向延伸且頂板的覆巖破壞范圍較之底板要大得多。留設煤柱寬度為33 m 和27 m 時，頂板塑性區有零星模擬單元與FD121 斷層接觸，同時斷層上盤出現較小區域塑性破壞區。當留設22 m 煤柱時，頂板塑性區與FD121 斷層的接觸單元面積增大，且塑性區開始越過斷層，在斷層上盤附近出現零星塑性區單元；當留設煤柱寬度為16 m、11 m 時，頂板塑性區面積進一步增大，且下盤塑性區越過FD121 斷層與上盤塑性區接觸。因此，可認為煤柱寬度小于22 m 后斷層被活化，形成導水通路，工作面存在較大突水危險性。

圖4 不同寬度防水煤柱覆巖破壞特征圖

與方案一相同，工作面頂板的覆巖破壞范圍較之底板要大得多，但在 “采”部分的煤柱尺寸逐漸縮小的過程中，頂、底板的塑性破壞區均未發生顯著的破壞區擴大現象，僅在當“采”部分煤柱縮短為11 m 時，斷層上下盤塑性區連接，整體塑性區范圍較為增大。可見當煤層“只采不放”情況下，將“采”部分煤柱縮短不會引起開采對于上覆巖層以及斷層的進一步明顯破壞。采用此種方法，可在保證開采破壞范圍基本不變的情況下，將“采”部分煤層進一步解放。

3.4 斷層滲流特征

圖5 為兩種方案在采動過程中的水流矢量圖。由圖得知，當方案一留設煤柱寬度為33 m、27 m、22 m、16 m、11 m 時，最大孔隙壓力分別為7.70 MPa、7.93 MPa、8.28 MPa、8.26 MPa、8.62 MPa，隨著煤柱寬度縮短，靠近斷層附近孔隙壓力值逐漸增大，并且影響范圍均逐漸增大。雖然整體的最大水流矢量并未明顯改變，但是由于煤層持續開采產生的高集中應力致使前方斷層帶附近區域產生裂隙，而導致區域的水流流速逐漸加快。具體來說，煤柱為27 m 時水流矢量的箭頭要較33 m 時更長也更密，即水流流速也就更大，但是兩者水流矢量影響并不顯著。當煤柱為22 m 時，水流矢量更加明顯，且流向斷層下盤的水流顯著增多。將煤柱進一步縮短為16 m 和11 m 時，斷層帶上下盤兩個方向的水流均顯著增多且水流進一步顯著增大，斷層的導水性進一步明顯提高，大大增加了工作面發生突水的可能性。

圖5 不同方案防水煤柱水流矢量圖

保持煤柱整體尺寸27 m 不變，逐漸縮小“采”部分的煤柱尺寸，而“放”部分的煤柱不變時，靠近斷層一側煤柱底板圍巖孔隙壓力同樣隨著工作面的推進而逐漸增大，但是相較于方案一，增加的并不明顯；在工作面靠近斷層的區域，當“采”部分的煤柱由27 m 逐漸變為22 m 和16 m 過程中，水流矢量變化并不明顯，而當煤柱變為11 m 時，斷層附近水流矢量增加較為明顯，增加幅度顯著提高。因此可以認為，方案二煤柱在前期逐漸減小的過程中，并不會引起破壞范圍以及水壓的顯著變化，但當煤柱為11 m 時，破壞范圍及水壓增大明顯，工作面突水可能性顯著提高。

4 結論

1）防水煤柱的寬度越短，正應力、剪應力和最大主應力均呈現出隨著工作面推進逐漸增大的趨勢，各應力最大增長位置分別在煤柱16 m、11 m、11 m 處，最大增長率分別為10%、6.9%、8%。隨著煤柱寬度縮短，斷層面位移逐漸增大，煤柱22 m以后位移變化率最大，由于斷層阻隔作用，斷層下盤界面位移比上盤界面位移大。

2）隨著煤柱寬度縮短，塑性區向著斷層方向延伸，工作面頂、底板巖層均呈現不同程度的破壞，且頂板的覆巖破壞范圍較之底板要大得多。當留設22 m 煤柱時，在斷層上盤附近出現零星塑性區單元，煤柱寬度為16 m 時，下盤塑性區越過FD121 斷層與上盤塑性區接觸，此時可視為已經形成導水通路。

3）隨著煤柱寬度縮短，靠近斷層附近孔隙壓力值和影響范圍均逐漸增大。煤柱進一步縮短為16 m 和11 m 時，孔壓影響范圍完全穿越FD121 斷層，此時認為斷層導水通路基本形成，工作面發生突水的可能性大大增加。綜合應力場特征，塑性區演化特征和斷層滲流特征，留設22 m 安全煤柱最優，可以有效避免斷層活化突水。

4）當煤柱整體尺寸保持27 m 不變，煤柱僅采不放情況下，逐漸縮小“采”部分的煤柱尺寸，而“放”部分的煤柱不變時，當“采”部分煤柱分別為27 m、22 m、16 m 時，并不會引起破壞范圍以及水壓的顯著變化，但當煤柱為11 m 時，破壞范圍及水壓增大明顯，工作面突水可能性顯著提高。因此，該方案“采”部分的煤柱可減小為16 m。