王道坤 ，牛 輝 ，解 建 ，胡 偉 ，張培森

（1.安徽皖北煤電集團有限責任公司，安徽 宿州 234001；2.山東科技大學 礦業(yè)工程國家級實驗教學示范中心，山東 青島 266590）

由于我國煤炭資源開采強度不斷增加，淺部易采煤炭資源逐步開采殆盡，特殊地質(zhì)構(gòu)造條件下所賦存的煤炭資源的安全開采成為當前需要解決的重點問題之一；但是，因為礦井地質(zhì)構(gòu)造的復雜性，當前要實現(xiàn)安全開采仍需面對諸多難題，尤其是斷層活化導致的底板突水問題，嚴重制約著煤礦企業(yè)向著安全高效的方向發(fā)展[1-2]。

斷層保護煤柱的留設可以有效地預防由斷層引發(fā)的突水事故，許多國家都針對不同地質(zhì)條件、不同回采工藝下的防水煤柱留設，制定了相應的安全規(guī)程。印度規(guī)定，采場與充水水源的距離不小于60 m；波蘭則規(guī)定，當回采含水層下的煤層時，在其露頭處應留設8 倍煤厚的煤柱，且煤柱寬度不得小于20 m。對于斷層突水及煤柱留設問題，國外專家學者側(cè)重于斷層形成機理及斷層對周邊巖體的力學性質(zhì)影響等領(lǐng)域研究[3-4]，國內(nèi)的專家學者則側(cè)重于斷層突水的機理及其防治等領(lǐng)域研究，二者均取得了長足的進步。WANG 等[5]通過對地質(zhì)因素（底板巖體性質(zhì)、斷裂構(gòu)造等）及回采工藝（工作面斜長、推進速度等）對底板破壞深度影響程度的研究，確定了影響承壓水上煤層開采時底板破壞最大深度的主要因素為地質(zhì)條件；張偉杰等[6]基于理論力學，研究底板與斷層突水的力學基本情況，推導開采條件下斷層的臨界突水判據(jù)，并依據(jù)實際情況對其合理性進行了驗證；李博等[7]通過流固耦合分析，將強富水型斷層的突水過程分為3 個不同的階段，并解釋了不同階段的圍巖應力、位移、滲流及內(nèi)部裂隙變化情況；張培森等[8]利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對工作面開挖過程中斷層帶的應力演化規(guī)律作了較為系統(tǒng)的研究，結(jié)果表明隨著斷層保護煤柱尺寸的減小斷層界面出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象，煤柱留設尺寸越小斷層活化突水可能性越大；劉志軍等[9]基于理論分析，利用有限元數(shù)值模擬，分析得出斷層傾角、斷層厚度和斷層斷距與突水之間的關(guān)系，并基于線性回歸法提出了正、逆斷層的臨界保護煤柱寬度擬合關(guān)系式；尹會永等[10]通過總結(jié)典型地質(zhì)計算模型，開展基于煤層采動條件下的小型斷層的裂隙發(fā)育情況及滲流變化特征；朱光麗等[11]利用相似材料模擬實驗與自主研制的承壓水加載系統(tǒng)，研究了影響承壓水導升高度的相關(guān)因素，得出承壓水導升高度與工作面距斷層的距離近似呈負線性關(guān)系，與水壓力、斷層帶寬度呈正相關(guān)性。在國內(nèi)外專家的研究之下，目前針對斷層煤柱留設問題已經(jīng)形成較為完善的系統(tǒng)理論并且運用于國內(nèi)的大部分礦區(qū)，以此來確定安全的斷層保護煤柱寬度，保證工作面回采過程中的安全性。

但是，在煤礦的實際開采過程中，斷層保護煤柱的寬度一般按照相應規(guī)范中的規(guī)定留設，并未考慮不同的地質(zhì)情況對煤柱留設寬度的影響，往往導致在斷層附近留設了過多的煤柱，雖然保證了回采過程中的安全性，但從資源回收的角度，斷層附近壓煤量大，資源浪費嚴重。為此，以五溝煤礦F6斷層為研究對象，分析縮小斷層留設的保護煤柱寬度，提高資源采出率的可行性。

1 工程背景

五溝煤礦是臨渙礦區(qū)的一部分，總體上為一個受斷層切割、且以向斜為主的復式褶皺構(gòu)造組合；向斜的軸部呈反S 形，礦井內(nèi)地質(zhì)條件極為復雜，工作面受水患威脅嚴重，礦井內(nèi)共發(fā)育斷層545 條，大部分為正斷層，斷層走向主要以近北東向為主。

該礦當前主要采掘活動范圍為二采區(qū)西翼，主要涉及的工作面包括1024、1026、1028 工作面，其中1026 工作面已回采完成，1024、1028 工作面作為采掘接替工作面，是當前需要重點研究的工作面。

1024、1028 工作面位于二采區(qū)西翼，其中1028 工作面機巷、風巷分別沿F6、DF60斷層掘進，巷道走向與斷層走向基本一致，工作面起止標高為-320～-420 m，平均走向長度1 350 m，平均傾向長度150 m；1024 工作面機、風巷分別沿F7、F6斷層近走向掘進，巷道設計走向長度約701 m，平均傾向長度為170 m，工作面起止標高為-410～-440 m。

在研究區(qū)域內(nèi)存在大型斷層F6、F7斷層，對1024、1028 工作面的安全回采影響程度較大；本次僅針對F6斷層，研究其注漿加固后縮小煤柱留設寬度的可行性。由三維地震探查成果可知：F6斷層為正斷層，錯斷5 煤～奧灰，走向NS～NE，傾向W～NW，傾角70°，落差0～50 m，區(qū)內(nèi)延展長度2.4 km。在井下由鉆孔探查及1022 工作面風巷、機巷實揭資料分析可知：機巷揭示F6斷層落差18 m，風巷揭露F6斷層落差2 m，且斷層呈張性，斷面平滑平整，不含（導）水，斷層帶寬度為0.1～0.5 m。

研究區(qū)域內(nèi)主采煤層為10 煤，煤層開采時主要受太原組灰?guī)r含水層威脅，太原組地層由石灰?guī)r、泥巖、粉砂巖及薄煤層組成，以石灰?guī)r為主，有11～12 層石灰?guī)r；地下水主要儲存和運移在石灰?guī)r巖溶裂隙網(wǎng)絡之中，富水性主要取決于巖溶裂隙發(fā)育的程度，巖溶裂隙發(fā)育具有不均一性，因此，富水性也不均一，其中一～四灰?guī)r溶裂隙發(fā)育，水動力條件好，含水豐富。

研究區(qū)域內(nèi)的10 煤至太灰間正常間距為38.87～49.29 m，平均44.73 m，10 煤層下至太灰間隔水層（段）巖性主要為泥巖和粉砂巖，夾1～20 層砂巖，局部有砂泥巖互層，巖性較致密，隔水性較好，正常地層條件下，工作面回采受太灰水的影響程度小，但若受斷層影響導致間距縮短或煤層與太灰對口，則有可能造成“底鼓”或斷層突水。

2 F6 斷層合理煤柱留設寬度

2.1 F6 斷層不導水時防隔水煤（巖）柱合理留設

根據(jù)五溝煤礦在井下對F6斷層的實揭資料可知，F(xiàn)6斷層為不含（導）水斷層，依據(jù)《煤礦防治水細則》，得到的煤層位于含水層上方且斷層不導水時防隔水煤（巖）柱留設圖如圖1。

圖1 煤層位于含水層上方且斷層不導水時防隔水煤（巖）柱留設圖Fig.1 Drawing of water proof coal （rock） pillar when the coal seam is above the aquifer and the fault does not conduct water

斷層不含（導）水時防隔水煤（巖）柱的留設尺寸，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應根據(jù)礦井實際觀測資料確定，也可按如下公式計算：

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

通過對F6斷層附近的水文長觀孔水5 孔測得的太灰水位標高分析，近年來水位呈下降趨勢，回采工作面受太灰水突水威脅逐年降低，但依據(jù)《煤礦防治水細則》，計算斷層防隔水煤（巖）柱留設寬度時，應取近3 年水位最大值，故灰?guī)r水位取-245.84 m。

F6斷層帶附近巖體較為破碎，在該區(qū)域臨界突水系數(shù)取0.06 MPa/m，1028 工作面在鄰近F6斷層處最深的標高為-440 m 左右，與太灰距離75.28 m，結(jié)合1024、1028 工作面與F6斷層的空間層位關(guān)系，按三維地震測得F6斷層最大落差計算時，得到的F6斷層的防隔水煤（巖）柱寬度見表1。

表1 F6 斷層的防隔水煤（巖）柱寬度Table 1 Width of water proof coal （rock） pillar of F6 fault

由F6斷層的安全防隔水煤（巖）柱寬度，得到F6斷層的防隔水煤（巖）柱寬度，煤層位于含水層上方且斷層不導水時防隔水煤（巖）柱留設圖如圖2。

圖2 煤層位于含水層上方且斷層不導水時防隔水煤（巖）柱留設圖Fig.2 Drawing of water proof coal （rock） pillar when the coal seam is above the aquifer and the fault does not conduct water

由圖2 可知：太灰水對F6斷層下盤回采無影響，無需留設防隔水煤（巖）柱；但F6斷層上盤需留設55 m 防隔水煤（巖）柱。

2.2 F6 斷層導水時防隔水煤（巖）柱合理留設分析

受采動影響，F(xiàn)6斷層活化成為含（導）水斷層時，防隔水煤（巖）柱的留設應當考慮2 個方向上的壓力，即煤層底板隔水層能否承受下部含水層的壓力和斷層水在順煤層方向的壓力。

當考慮底部壓力時，其計算公式為：

式中：L1為考慮承受含水層壓力的煤柱留設寬度，L1≥20 m；α為斷層傾角，（°）。

當考慮斷層水在順煤層方向上的壓力時，計算公式為：

式中：L2為考慮承受斷層水壓力的煤柱留設寬度，L2≥20 m；K為安全系數(shù)，一般取2～5；M為煤層厚度或采高，m；Kp為煤的抗拉強度，MPa；按礦區(qū)經(jīng)驗取值，煤的抗拉強度Kp一般為0.2～1.4 MPa。

通過計算得到F6斷層為含（導）水時的安全防隔水煤（巖）柱寬度，煤層位于含水層上方且斷層導水時防隔水煤（巖）柱留設圖如圖3，考慮斷層水在順煤層方向上的壓力時F6斷層留設防隔水煤（巖）柱寬度見表2，考慮底部壓力時F6斷層留設防隔水煤（巖）柱寬度見表3。

表2 考慮斷層水在順煤層方向上的壓力時F6 斷層留設防隔水煤（巖）柱寬度Table 2 Width of water proof coal （rock） pillar reserved for F6 fault when the pressure of fault water along the coal seam is considered

表3 考慮底部壓力時F6 斷層留設防隔水煤（巖）柱寬度Table 3 Width of water resisting coal（rock）pillar reserved for F6 fault considering bottom pressure

圖3 煤層位于含水層上方且斷層導水時防隔水煤（巖）柱留設圖Fig.3 Drawing of water proof coal （rock） pillars when the coal seam is above the aquifer and the fault conducts water

當F6斷層活化成為含水或?qū)當鄬訒r，煤柱留設寬度取順煤層方向上壓力及煤層底板隔水層承受下部含水層水的壓力所得計算結(jié)果的最大值，F(xiàn)6斷層上、下盤需留設的煤柱寬度分別為67.22 、58.35 m。

3 F6 斷層煤柱縮小可行性分析

3.1 注漿范圍計算

斷層的巖體結(jié)構(gòu)一般比較破碎，常充填軟泥和風化碎屑，并可能成為導通富水巖層與工作面的通道，其巖體自承載能力差，不利于煤層的安全回采；而底板注漿技術(shù)是通過漿液充填封堵底板含水層存在的導水裂隙，在煤層開采期間，將底板含水層變成隔水層，起到隔水作用，從而增強抵抗承壓水對底板的破壞的能力。目前工作面底板灰?guī)r注漿帶壓開采技術(shù)，在預防斷層突水、圍巖加固等方面得到廣泛應用，在防治煤層底板灰?guī)r突水事故方面取得了顯著成效[12-15]。太灰?guī)r層注漿范圍如圖4。

圖4 太灰?guī)r層注漿范圍Fig.4 Grouting range of the limestone strata

按照三維地震測的F6斷層最大落差計算時，太灰水會對1 024 工作面造成影響，為保障研究區(qū)域10 煤回采過程中的安全性及減小煤柱留設，故對斷層破碎帶、太灰及下部含水巖層進行注漿處理，分析確定太灰及下部巖層需要注漿處理的范圍。

3.2 注漿鉆孔布設和注漿工藝

由于1024 工作面位于F6斷層上盤，工作面與對盤的灰?guī)r含水層距離較近，且工作面風巷走向基本與F6斷層走向一致，故將鉆場沿工作面風巷布置，每隔80 m 施工1 組，每個鉆場內(nèi)布設3個注漿鉆孔，同時施工1 個注漿效果檢驗孔，共計6 個鉆場，18 個注漿孔及6 個注漿效果檢驗孔。

針對1024 工作面底板灰?guī)r含水層富水性強、水頭壓力大的特點，在常規(guī)注漿加固工藝的基礎(chǔ)上，本次注漿加固采取分段注漿、反復透孔注漿的方法，即在注漿過程中，為避免底板巖體破碎嚴重，難以成孔的現(xiàn)象，采取鉆、注交替作業(yè)的方式，每次鉆孔注漿分段長度3～5 m；但是在對更低層位的底板注漿時，可能因為前一段注漿后的巖層尚存有裂隙，或者上部已加固區(qū)域抗壓強度較低，在對后一段較深區(qū)域注漿時較高的注漿壓力會造成上一段加固區(qū)域重新產(chǎn)生裂隙，漿液重新進入新產(chǎn)生的裂隙之中，難以進入到深部需要注漿的裂隙中；因此，在分段注漿的基礎(chǔ)上，采取反復透孔注漿，二者配合，以保證注漿加固效果。

3.3 煤柱縮小可行性

在對F6斷層及F6斷層下盤灰?guī)r含水層注漿加固完成以后，通過施工注漿檢驗孔，分析檢驗孔取心情況及檢查孔施工過程中的鉆孔出水量情況，評價底板灰?guī)r含水層及F6斷層的注漿加固效果，達到預期的注漿目標后，可以縮小斷層煤柱的留設寬度。

斷層帶及含水巖體注漿加固后，Ts取0.1 MPa/m，計算獲得F6斷層為不含（導）水時安全防隔水煤（巖）柱的寬度。F6斷層安全防隔水煤（巖）柱寬度見表4。

表4 F6 斷層安全防隔水煤（巖）柱寬度Table 4 Width of F6 fault safety water proof coal （rock） pillar

由計算結(jié)果可得安全防隔水煤（巖）柱的寬度涉及范圍，注漿后斷層保護煤柱留設圖如圖5。

圖5 注漿后斷層保護煤柱留設圖Fig.5 Setting of fault protection coal pillar after grouting

由圖5 可知：在對F6斷層及底板含水層進行注漿加固以后，該斷層可不留設斷層保護煤柱。

4 數(shù)值模擬

Flac3D是基于有限差分法的數(shù)值模擬軟件，在模擬巖土或其他材料的三維力學行為方面有著廣泛的應用；為了研究F6斷層合理的煤柱留設寬度，針對F6斷層現(xiàn)場鉆探資料，利用Flac3D數(shù)值模擬軟件建立模型，對工作面回采過程中留設不同寬度保護煤柱時，斷層活化的程度及斷層帶、斷層保護煤柱附近的突水危險性進行分析。

4.1 方案設計及參數(shù)優(yōu)化

采用Flac3D數(shù)值模擬軟件中的莫爾-庫侖模型，按照五溝煤礦的回采工作面接替順序，模擬1026工作面回采完成后，先采1024 工作面，后采1028工作面的回采過程；在此過程中，分別計算了1024工作面留設20、15、10、5、0 m 煤柱時，1028 工作面無煤柱開采，以及1024、1028 工作面均留設15、10、5、0 m 煤柱時，工作面回采對F6斷層的影響程度。模型簡化示意圖如圖6。

圖6 模型簡化示意圖Fig.6 Simplified schematic diagram of model

模型主要涉及的巖性參數(shù)包括彈性模量E、泊松比λ、黏聚力c、內(nèi)摩擦角 φ，抗拉強度σ等；采用的主要巖層的物理力學參數(shù)，在對模型進行參數(shù)賦值時，已對擬注漿范圍內(nèi)的巖層進行相應的參數(shù)優(yōu)化，用以分析注漿加固后工作面回采對斷層的影響程度。主要巖層的物理力學參數(shù)見表5。

表5 主要巖層的物理力學參數(shù)Table 5 Physical and mechanical parameters of main rock strata

4.2 數(shù)值模擬結(jié)果

受1024 工作面留設不同煤柱影響，1028 工作面無煤柱開采對F6斷層影響程度隨著1024 工作面留設煤柱寬度逐漸減小，在1024 工作面回采完成后，回采1028 工作面所導致的工作面頂、底板塑性破壞范圍逐漸增大，塑性破壞區(qū)與斷層對接區(qū)域逐漸增大，F(xiàn)6斷層塑性破壞程度加深，活化程度加劇。1024 工作面留設不同煤柱時1028 工作面不留設煤柱塑性破壞特征圖如圖7，1024、1028工作面留設相同煤柱時塑性破壞特征圖如圖8。

圖7 1024 工作面留設不同煤柱時1028 工作面不留設煤柱塑性破壞特征圖Fig.7 Plastic failure characteristics of 1028 working face without coal pillars and 1024 working face with different coal pillars

由圖7 可知：當1024 工作面煤柱留設寬度為20 m 時，其回采完成后，1028 工作面無煤柱開采所引發(fā)的塑性破壞區(qū)域并未波及斷層，此時F6斷層并不影響1028 工作面煤層的開采；隨著1024工作面斷層保護煤柱寬度減小，當1024 工作面煤柱留設寬度為15、10 m 時，受1024、1028 工作面回采影響，斷層帶附近巖體破壞加劇，但斷層帶附近的破壞區(qū)域與1024、1028 工作面回采導致的塑性破壞區(qū)域并未完全聯(lián)通，此狀況下1028 工作面回采引發(fā)斷層活化突水的可能性小；當1024工作面留設煤柱為5 m 時，此時受工作面回采影響，斷層兩側(cè)破壞區(qū)域與工作面底板塑性破壞區(qū)域完全聯(lián)通且波及太灰含水層，斷層活化突水危險性增大。

由圖8 可知：當2 個工作面均留設15、10 m煤柱時，由于工作面離斷層較遠，F(xiàn)6斷層未發(fā)生破壞；隨著煤柱尺寸縮小至5 m 時，F(xiàn)6斷層發(fā)生零星破壞，且與1024、1028 工作面圍巖塑形破壞區(qū)域均與產(chǎn)生了零星連接，此時工作面回采受底板灰?guī)r水威脅較小；當2 個工作面均不留設煤柱時，F(xiàn)6斷層活化加劇，且工作面圍巖塑性破壞區(qū)與斷層對接區(qū)域增大，并與底板灰?guī)r導通，此條件下工作面回采受太灰水威脅嚴重。

在原本的1024 工作面設計中，F(xiàn)6斷層留設的保護煤柱寬度為30 m，在注漿加固后，通過合理計算，F(xiàn)6斷層可以實現(xiàn)無煤柱開采；同時結(jié)合數(shù)值模擬計算結(jié)果，并且為了確保安全生產(chǎn)，F(xiàn)6斷層注漿加固后仍需留設10 m 煤柱，故在注漿加固后實際縮小的保護煤柱寬度為20 m。

5 結(jié) 語

為了提高煤炭資源采出率，針對五溝煤礦F6斷層，研究斷層煤柱縮小可行性，通過對研究區(qū)域內(nèi)底板灰?guī)r含、隔水層的水文地質(zhì)特征研究，結(jié)合F6斷層與其相鄰工作面的空間層位關(guān)系，采用數(shù)值模擬的方法分析不同寬度煤柱留設下斷層對工作面回采的影響程度；根據(jù)數(shù)值模擬計算結(jié)果：隨著煤柱寬度縮小，工作面回采導致斷層帶周圍巖體影響程度及破壞范圍越大，引發(fā)斷層活化的可能性越大，危險性越大；F6斷層上、下盤均需留設10 m 以上煤柱才能保證工作面安全開采。采用理論分析的方法，對F6斷層不導水及導水2種情況下的斷層對工作面安全回采的影響程度進行分析，確定了底板注漿加固范圍。通過對斷層破碎帶、太灰及下部含水巖層進行注漿處理，結(jié)合三維地震與井下實揭資料，對注漿加固后的F6斷層煤柱縮小可行性進行分析，在注漿加固以后，根據(jù)理論計算結(jié)果及數(shù)值模擬計算結(jié)果，F(xiàn)6斷層可以留設10 m 煤柱寬度，與原本的設計相比，縮小了20 m 保護煤柱寬度，可以有效提高資源采出率。