朱敬忠，劉啟蒙，劉 瑜，范佳俊，楊 森

(1.中國礦業(yè)大學 資源與地球科學學院，江蘇 徐州 221116；2.安徽理工大學 地球與環(huán)境學院，安徽 淮南 232001； 3.安徽理工大學 深部煤礦采動響應與災害防控國家重點實驗室，安徽 淮南 232001)

0 引 言

由于我國華北型煤田水文地質(zhì)條件復雜，綜采工作面在推進過程中會受到底板高承壓水的威脅[1-2]。據(jù)統(tǒng)計，工作面80%左右的突水事故均發(fā)生在斷層破碎帶附近[3]。因此，科學準確認識和分析采動過程中斷層活化特征，留設合理的防隔水煤(巖)柱能阻止斷層活化突水，保證礦井的安全高效生產(chǎn)。目前，許多研究學者對斷層活化及防隔水煤(巖)柱合理留設問題展開了大量的研究。喬偉等[4]研究在斷層兩盤下方開采時不同水壓力作用下的斷層活化突水的試驗模型，解釋了斷層活化突水的過程。王進尚[5]利用水力壓裂的方法對斷層煤柱的留設情況進行了研究分析。易偉欣等[6]在對經(jīng)驗公式加以修正，得出新的理論計算公式，并分析了斷層構成導水通道的突水機理。吳俊達等[7]、趙春波等[8]利用相似材料模擬及數(shù)值模擬，對斷層活化特征、滲流特性及斷層防水煤柱的留設進行系統(tǒng)的分析研究，得出斷層煤柱的合理留設寬度。HU等[9]將根據(jù)不同的水文地質(zhì)條件將斷層進行分類，分析了與斷層有關的水害類型，并提出疏水降壓，合理留設煤巖柱，底板注漿等水害治理方法。

筆者以界溝煤礦地質(zhì)條件為基礎，利用COMSOL Multiphysics(CM)數(shù)值模擬試驗對工作面回采過程中斷層活化特征以及應力演化規(guī)律進行系統(tǒng)分析[10-11]，并通過計算優(yōu)化了斷層防水煤柱合理留設寬度，最終確定了斷層防水煤柱留設寬度，為承壓水上含斷層工作面的安全回采問題提供了理論技術參考。

1 工程概況

界溝煤礦位于童亭背斜西翼、五溝向斜的南段，主體構造為一寬緩的向斜盆地，地層傾角在10°～25°，平均16°。礦井共有4個采區(qū)，即東一采區(qū)、中央采區(qū)、西一采區(qū)和西二采區(qū)。全區(qū)共有180條斷層，以正斷層為主，落差大于100 m的斷層有3條。南北兩端分別被北東向正斷層界溝斷層、李家斷層所切割；局部有次級起伏，斷裂構造較發(fā)育，斷層走向以北東向為主，其次是北西向。區(qū)內(nèi)暫未發(fā)現(xiàn)巖漿巖，構造復雜程度中等[12]，如圖1所示。

圖1 礦井構造綱要圖Fig.1 Sketch of coal mine tectonic

研究對象F6為正斷層，位于區(qū)內(nèi)中南部，兩端延伸出境，斜切礦井，走向NE，傾向NW，傾角45°～75°，落差15～115 m，延展長度>3 000 m，錯斷51～10煤，三維地震和鉆孔控制的查明斷層，西一采區(qū)10煤層位于F6正斷層上盤，10煤地層降至與對盤富水性的太灰含水地層“對接”，礦井在10煤開采時已部分揭露，開采在留設斷層防水煤柱的情況下，未發(fā)生較大突水現(xiàn)象。

2 F6斷層性質(zhì)及導水性分析

根據(jù)鉆探揭露資料，斷層破碎帶厚度0.68～5.88 m，一般多為泥質(zhì)充填，巖性較混雜，主要為泥巖、粉砂巖及少量砂巖。剪切擠壓和褶皺現(xiàn)象嚴重，巖芯較破碎，泥巖呈糜棱狀，砂巖呈碎塊狀、角礫狀，膠結性好。穿過該斷層的11-4號,13-1號和42-13號鉆孔在鉆探過程中也未發(fā)生漏水漏漿等異?，F(xiàn)象。

井下采用礦井瞬變電磁法(TEM)、并行直流電法、礦井震波超前探測技術(MSP)對斷層賦水性超前探測，斷層賦水性弱。巷道掘進過程中已在多處揭露斷層時均未有出水現(xiàn)象或僅有少量短時滴水。同時，為查明礦區(qū)內(nèi)主要斷層的導水性，利用水2孔對研究對象東側的F5正斷層破碎帶做了抽水試驗，該斷層性質(zhì)與F6斷層的性質(zhì)類似。抽水試驗結果表明，斷層破碎帶抽無水，說明在自然條件下，斷層富水性極弱、導水性差。因此，F(xiàn)6斷層在初始狀態(tài)下表現(xiàn)為富水性弱，導水性差的性質(zhì)。

3 斷層活化的數(shù)值模擬

在天然地應力平衡狀態(tài)下，不導(含)水斷層或?qū)匀醯臄鄬悠鸬阶韪舫袎核淖饔?，倘若一旦在開挖巷道或煤層回采過程中，擾動破壞影響可能會波及至斷層破碎帶，使斷層帶的初始應力發(fā)生變化，產(chǎn)生塑性變形，出現(xiàn)原有裂隙的發(fā)展和次生裂隙的張開，形成導水通道，使高承壓水涌入到井下生產(chǎn)作業(yè)區(qū)，斷層由導水性弱或不導水向?qū)^渡是一個緩慢的過程[13-15]。為研究F6斷層活化規(guī)律特征，運用COMSOL Multiphysics有限元數(shù)值模擬方法對采動誘發(fā)斷層破碎帶活化過程進行分析。

3.1 數(shù)值計算幾何模型

F6斷層為中央采區(qū)與西一采區(qū)分界斷層，根據(jù)礦區(qū)AA勘探線剖面知，斷層落差為80 m，傾角為70°，10煤層底板與太灰含水層頂板之間的垂距為50 m，煤層近似水平，平均煤厚為2.3 m，斷層帶厚度約為2.5 m。

工作面回采期間，當綜采液壓支架前移時，支架后方的頂板巖層隨之垮落。為模擬實際情況，在進行向前推進時，對上一個回采段距內(nèi)進行填充，建立如圖2所示的幾何模型，模型尺寸為200 m×360 m。

圖2 幾何計算模型Fig.2 Geometric calculation model

模型共分為4層，從上往下依次為覆巖層、10煤層、隔水層、底部太灰含水層。底部約束垂直方向的位移，左右兩側約束水平方向的位移。頂部以10.0 MPa 載荷均勻作用在模型上邊界,模型底層為太原組灰?guī)r含水層，其含水層的孔隙水壓力為5.0 MPa。左右邊界和上邊界為對稱隔水邊界。模型的各巖層的彈性模量E、泊松比μ、密度ρ、黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ等物理力學性質(zhì)見表1。

表1 巖石基本力學參數(shù)Table 1 Basic mechanical parameters of rock

3.2 工作面推進對斷層活化的影響

隨著工作面持續(xù)往斷煤交線方向不斷推進，工作面頂?shù)装寮皵鄬犹幍膰鷰r應力發(fā)生變化，首先在頂?shù)装宄霈F(xiàn)塑性變形破壞區(qū)域，當靠近斷層時，塑性變形的應力波及至煤層底板處的斷層，使其局部發(fā)生塑性變形破壞，如圖3所示。

圖3 工作面推進期間煤層頂?shù)装寮皵鄬铀苄云茐膮^(qū)分布Fig.3 Plastic failure distribution of coal seam floor and fault during mining

由圖3a和圖3b中可以看出，當工作面回采至距斷煤交線60 m和40 m時，底板塑性破壞未影響至斷層，斷層帶內(nèi)巖石沒有發(fā)生塑性破壞。在圖3c中，當采場推進至距斷煤交線30 m時，煤層采掘擾動引起的剪應力與斷層煤柱靜應力疊加效應不顯著，表現(xiàn)為下部斷層開始出現(xiàn)塑性應變的征兆。工作面繼續(xù)向再前推進10 m，即距斷煤交線20 m時(圖3d)，以水平方向采空卸載與豎直方向加卸載形式的采動應力與斷層煤柱的靜載應力相互疊加，致使斷層處出現(xiàn)應力集中區(qū)，表現(xiàn)為斷煤交線上下出現(xiàn)塑性破壞，且隨繼續(xù)開挖塑性破壞區(qū)域面積會繼續(xù)增大，斷層開始出現(xiàn)明顯的活化。

4 留設斷層防隔水煤(巖)柱

留設斷層防隔水煤(巖)柱是預防斷層水害的主要手段之一，它關系到礦井安全和高效生產(chǎn)。合理的防水煤(巖)柱寬度不僅可以阻止地下水通過斷層涌入礦井，還可以提高煤炭資源的利用率、確保安全開采[16-17]。

4.1 安全防隔水煤(巖)柱的確定

Ha應根據(jù)礦井實際觀測資料來確定，即通過總結本礦區(qū)在斷層附近開采時發(fā)生突水和安全開采的地質(zhì)、水文地質(zhì)資料，計算其水壓與防隔水煤柱厚度的比值(Ts=P/M),并將各點之值標到以Ts=P/M為橫軸，以埋藏深度H0為縱軸的坐標紙上，找出Ts值的安全臨界線[18]。Ha也可以按下列公式計算：

(1)

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(shù)，MPa/m；A為保護帶厚度，一般取10 m。

本礦區(qū)如無實際突水系數(shù)，可參考其他礦區(qū)資料，但選用時必須綜合考慮隔水層的巖性、物理力學性質(zhì)、巷道跨度或工作面的空頂距、采煤方法和頂板管理方法等一系列因素。安全防隔水煤柱Ha可采用由超靜定梁模型推導出來的斯列薩列夫公式確定[19-20]，其計算公式為

(2)

4.2 防隔水煤(巖)柱寬度的確定

由于F6斷層上盤的10煤層直接與對盤太灰含水層接觸，根據(jù)《煤礦防治水細則》附錄六-三的規(guī)定，煤層與強含水層或?qū)當鄬咏佑|防隔水煤柱留設的情況。要分析煤層最高導水裂隙帶高度(Hd)是否高出對盤含水層頂面。

依據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規(guī)范》對于導水裂隙帶計算規(guī)定[21]，當煤層頂板巖性為中硬砂巖、泥質(zhì)灰?guī)r、砂質(zhì)頁巖、頁巖時，其計算公式為

(3)

當煤層頂板為軟弱的泥巖或泥質(zhì)砂巖時，導水裂隙帶高度計算公式為

(4)

其中，∑M為累計采厚。

由揭露F6斷層的11-4號,13-1號及42-13號鉆孔巖性柱狀圖可知，10煤頂板以中硬的粉砂巖，砂巖為主，10煤層平均厚度為2.3 m。經(jīng)計算導水裂隙帶高度約為37.2 m。由圖4可知，含水層頂面低于導水裂隙帶。

圖4 F6斷層剖面圖Fig.4 Cross setcion profile of F6 fault

由采區(qū)內(nèi)長觀孔灰?guī)r水位觀測資料知，太灰水位平均標高為-113.17 m，根據(jù)煤層底板標高計算出F6斷層上下盤10煤底板水壓值3.77、2.97 MPa。為治理10煤底板灰?guī)r水害問題，在采區(qū)內(nèi)已實施了地面區(qū)域治理工程，按照隔水層完整無構造破壞時的突水系數(shù)臨界值0.1 MPa/m計算[22]。利用式(1)和式(2)分別計算安全防隔水煤(巖)柱Ha，計算結果見表2。

表2 安全防隔水煤柱計算結果Table 2 Calculation result of safety waterproof coal pillar

由于斷層下盤10煤底板與灰?guī)r含水層頂板垂距較遠，底板破壞帶不會波及至下部灰?guī)r含水體，只需留設20 m的防隔水煤柱即可。在中央采區(qū)回采工作面與斷層之間留設均大于20 m的防隔水煤柱，6個工作面現(xiàn)已安全回采完畢，未發(fā)生突水事故。

西一采區(qū)10煤位于F6斷層上盤，采區(qū)內(nèi)10煤工作面暫未形成，由前述知，采區(qū)內(nèi)開展了灰?guī)r水害治理工作后，將F6斷層作為不導水斷層，計算防隔水煤柱的留設尺寸，但不得小于20 m。如圖5所示，防隔水煤柱留設寬度為

圖5 防隔水煤柱留設寬度Fig.5 Width of waterproof coal pillar

L=L1+L2

(5)

其中，L1=h/tanα。

(6)

L2=Ha/sinα-h/tanθ

(7)

式中，h為斷層上盤含水層層面高出下盤煤層底板的高度，m，M=32.2 m；α為巖層塌陷角，(°)，取值為75°；θ為斷層傾角，(°)，取值為70°。

經(jīng)計算，斷層防隔水煤柱留設寬度L=36.13 m，當考慮灰?guī)r水順煤層方向上的壓力時，則按《煤礦防治水細則》附錄六之二公式：

(8)

式中，L為煤柱寬度，m；M為煤層厚度或者采高，m；P為水頭壓力，MPa。Kp為煤層的抗拉強度，一般為0.2～1.4，MPa；K為安全系數(shù),一般取2～5。

根據(jù)2020年5月科研高校提交的7、8、10煤巖沖擊傾向性鑒定報告知，10煤層的抗拉強度約為0.5 MPa，經(jīng)計算斷層防隔水煤柱寬度為27.35 m。基于以上2種方法計算的結果，取最大值36.13 m作為斷層防隔水煤柱留設的寬度。

5 結 論

1) 通過對F6斷層活化規(guī)律特征的模擬研究，說明了隨著工作面不斷向斷煤交線方向推進，斷層帶附近應力和應變發(fā)生變化，巖層出現(xiàn)塑性變形區(qū)域。

2) 結合礦區(qū)水文工程地質(zhì)資料，分析計算了F6斷層上盤10煤的導水裂隙帶發(fā)育高度，經(jīng)計算Hd=37.2 m。同時，確定斷層兩盤的安全防隔水煤巖柱尺寸，在《煤礦防治水細則》、《煤礦防治水手冊》及“三下開采規(guī)范”等規(guī)定原則上，最終優(yōu)化F6斷層防隔水煤柱的留設寬度。

3)在界溝煤礦初步設計報告中要求落差在50～100 m和大于100 m的斷層需要分別留設50,100 m的防隔水煤柱。通過分析F6斷層防隔水煤柱合理留設寬度為36.13 m，較原設計縮小了13.87 m，增加回采煤炭資源約42.7萬t，直接經(jīng)濟效益約2.6億元。