我国矿井断层防水煤（岩）柱留设研究现状与展望

尹会永，翟玉涛，赵翠月，史永理，智宏峰，3

（1.山东科技大学 地球科学与工程学院，山东 青岛266590；2.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安710077；3.兖矿集团陕西未来能源有限公司 金鸡滩煤矿，陕西 榆林719000）

据统计，我国煤矿采场底板突水事故中有79.5%左右受断裂构造影响[1]，由此可见，断层水害的防治工作历来是煤矿水害防治的重点，也是许多科研人员与现场科技工作者的主要研究热点，同时取得了较为丰硕的成果，为保障煤矿的安全生产起到了重要的指导作用。目前，我国许多矿井开采水平不断向纵深部发展，断层的致灾性、隐蔽性愈发复杂，断层水害威胁也相应增大，特别是底板水害发生与断层的关系研究较为深入[2-3]。同时，水体下开采时，断层存在对覆岩导水裂缝带扩大作用[4]，以及煤层开采时的流固耦合作用[5]，都增加了水害防治的难度。目前，我国在防治断层水害方面主要采取以下方法：断层留设煤（岩）柱、注浆加固改造和帷幕截流法，而最常用的方法就是断层煤（岩）柱留设方法。合理的留设断层防水煤（岩）柱不仅可以预防断层水害的发生，而且也是合理利用煤炭资源的保障。《煤矿防治水细则》[6]中详细阐述了多种类型断层防水煤（岩）柱留设宽度的计算原则，并广泛应用于矿井生产中。此外，理论计算[7]、多元回归分析[8]、BP 和RBF 方法[9]、相似模拟技术[10]、数值模拟技术[11]等方法与技术也层出不穷，不断地丰富断层防水煤（岩）柱宽度的留设方法。断层煤（岩）柱的留设是受诸多因素影响的，而且随着开采强度、开采条件、地质及水文地质条件的差异性以及复杂性而有所不同，今后应该继续加强断层煤（岩）柱留设方面的研究工作，确保矿井不受断层水害威胁的前提下，更高效地开采煤炭资源。基于此，对国内学者的相关研究成果进行归纳总结，对不同的研究方法进行归纳，提出存在的主要问题，以期为今后研究断层煤（岩）柱留设提供更丰富的参考价值。

1 断层防水煤（岩）柱研究现状

纵观以往断层防水煤（岩）柱的研究成果，目前主要集中在：理论计算、数值模拟、相似模拟、多因素综合分析以及借助规程留设的方法等方面。在这些方面进行了卓有成效的研究，且取得了较为丰硕的成果和成功经验，为不同条件下的断层水害防治提供了重要的技术保障。

1.1 理论分析与多因素分析

断层防水煤（岩）柱留设研究涉及到的因素较多，如何设计合理的断层防水煤柱宽度需要进行断层水文地质条件的详细分析，关键层理论、极限设计思维、主控因素分析法、基于BP、RBF 神经网络等理论及多因素分析已经得以成功应用。基于断层防水煤（岩）柱临界值的概念和原理，以及煤柱可靠性设计可以通过极限设计思想来研究，从而获得更加符合现场的结果。深入分析断层的力学特征、主要地质构造及水源水力联系情况，有助于判断断层的导水特征，进而为防治主要威胁含水层而设计合理的防水煤（岩）柱留设宽度。生产实际中遇到的断层差异性较强，需深入、具体分析某一类断层带的导水性和周边水文地质情况，以此为基础，计算工作面开采条件下的工作面边界断层防水煤（岩）柱宽度。

综合考虑影响断层防水煤（岩）柱留设的多种因素，借助多元回归分析法，有助于研究断层防隔水煤（岩）柱留设宽度，同时探讨了多元回归分析法在预测方面的实用性和可行性，设计出了更加合理的保护煤柱，以达到既能提高煤炭资源采出率又能安全生产的目的。基于BP、RBF 神经网络，根据国内典型煤矿断层煤（岩）柱的实际留设宽度，对水头压力、煤层厚度、安全系数、煤的抗张强度等主要影响因素进行研究，预测研究了断层煤（岩）柱安全留设宽度，并比较了经验公式BP 和RBF 以及MATLAB 回归分析法的实际应用价值[7-9，12-14]，为煤矿安全生产提供了科学合理的依据。

1.2 基于数值模拟的断层煤柱留设

数值模拟技术在研究煤层开采过程中岩层运动、应力分布、断层“活化”等方面具有非常大的优越性，被许多科技工作者所采纳。有限差分、有限元、离散元等数值模拟理论应用较普遍，其中以FLAC3D数值模拟软件应用最为成熟、最为广泛，研究成果也是获得最多的。尹会永等[15]利用FLAC3D数值模拟技术，围绕矿井人为边界煤（岩）柱宽度留设的合理性，模拟了不同开采条件以及不同开采顺序下的情况，得出的模拟结果与《煤矿防治水规定》中的规定相吻合，也验证了数值模拟技术的良好应用效果。多煤层重复采动条件的断层活化机制，也可通过数值模拟技术来实现。魏久传等[16]针对济三煤矿十二采区孙氏店支一断层和F8断层在3上、3下煤层重复采动条件下的活化机制，围绕煤（岩）柱进行合理的尺寸留设，通过FLAC3D软件模拟并结合经验公式，提出了合理的煤（岩）柱留设尺寸，对指导采区安全开采提供借鉴。张立军[17]根据袁店二井82 采区F 高长营断层的赋存特点，并结合钻孔资料，计算确定了断层防水煤岩柱的宽度，利用FLAC3D数值模拟软件，对断层煤（岩）柱宽度进行了数值模拟以及安全评估。由于断层“活化”容易引起突水事故发生，姜敏等[18]在开采蒋庄煤矿3上煤层时，综合考虑断层的水文地质效应。将流-固耦合理论应用到数值模拟中，可有效模拟断层的防水稳定性和防溃水性能，将防水煤（岩）柱的安全性进行流-固耦合分析是一种更有效的分析方法。利用数值模拟的同时，结合关键层理论，将离散元应用到断层煤柱留设研究之中，效果较好。不仅仅考虑了工作面沿断层方向，同时研究在断层走向推进过程中对煤柱的影响。利用FLAC3D数值模拟软件，模拟有无断层2种情况、建立不同正断层倾角模型以及不同宽度断层煤柱应力及其稳定性、正断层活化及弹性能密度空间分布。结合资料对采场矿山压力进行分析，避免更多的塑性区破坏，合理确定了断层煤柱尺寸[19-21]。

1.3 断层采动效应的相似模拟研究

相似模拟与数值模拟技术相似，能更好、更直观的反映断层“活化”、运动过程，进而得以广泛应用。吴基文等[10]以任楼煤矿F3～F4断层间块段地层为研究对象，针对煤层回采过程中断层带岩体的采动效应及断层下盘含水层的突水性，建立相似材料模型，探讨安全回采的可行性，观测F3断层带上岩体位移的变化情况，为合理留设断层保护煤柱提供可靠的试验依据。

1.4 多方法综合分析断层煤柱留设宽度

除了理论分析，多因素分析，数值模拟以及相似模拟研究外，还应多方法综合分析断层煤柱留设宽度。基于地球物理勘探、理论计算、灰色关联分析法和LMBP 神经网络开发综合评估模型，对综放回采巷道留设较大断层防水煤（岩）柱的问题进行了优化研究，评价断层防水煤（岩）柱的可靠性，并提出了相应的防治水措施[22-23]。韦乖强等[24]通过矿井瞬变电磁法能够准确确定断层的平面位置及富水程度，并结合钻探验证资料及水文地质资料，为断层煤（岩）柱留设计算、论证提供了数据支撑，同时也对防治断层水害提供了有利保障。

2 断层防水煤（岩）柱研究存在的主要问题

1）煤层开采矿山压力及多场耦合作用考虑不够全面。截至目前，对于断层防水煤（岩）柱留设没有统一的标准，有的根据储量计算及矿井设计要求留设；有的根据断层的落差，人为地留设断层防水煤（岩）柱；有的根据相关规程留设[25]；有的则是根据经验公式留设。而煤层的采动是一个动力场的变化、调整过程，煤层开采会打破了原始的应力平衡，尤其是在断层附近开采时，原本比较复杂的构造应力场，叠加后期采动应力场、地下水渗流场、地热场等，导致综合应力状态发生更大的扰动。尽管也有文献考虑了矿山压力[7]，但煤层开采形成的矿山压力作用以及多场耦合作用不可忽视，特别是多场耦合作用及其对断层活化的定量影响特征方面尚未深入开展。

2）断层煤柱留设的影响因素定量化分析有待进一步深入研究。影响断层防水煤（岩）柱宽度留设的因素很多，涉及的因素主要包括地质条件和矿山水文地质条件、断层性质、断层落差、倾角、煤层埋深、煤层可采厚度、煤的抗张强度、开采顺序及方法、围岩类型及其力学性质和产状、矿山压力、最大静水压力[26]等因素，每位学者在进行研究时考虑的影响因素却不尽相同。由此可见，断层防水煤（岩）柱宽度的留设是基于多种影响因素之上的，应明确最重要的影响因素，并将各个因素的影响程度进行详细、定量化分析，建立适当的计算模型，以确保煤（岩）柱留设宽度的合理性。具体矿井条件不尽相同，应做到具体情况具体分析[27-28]，以指导矿井防治水工作，服务矿井安全生产。

3）断层带、断层影响带以及伴生断层的渗透性变化规律研究较少。断层带、断层影响带及其伴生断层的存在，导致岩体渗透性发生较大的变化，也为地下水的运动提供了有利条件，但其渗透性变化规律研究成果偏少。而且，以往断层防水煤（岩）柱的留设方法在一定程度上忽略了煤（岩）柱的渗透性变化规律和断裂构造形成的断层影响带、以及伴生断层破碎带的导水特点，在确定煤柱宽度时候简单的将断层面作为一个面存在，而不是将两盘的导水破裂带可以看成是一个含水体对待，导致煤柱宽度过窄，增加了断层水害发生的潜在威胁[29]。当然，断层煤（岩）柱预设过宽，会造成大量的煤炭资源不能得到有效合理的利用。因此，煤柱留设应根据每个断层的特征设计合理的宽度，既保证煤炭资源的合理、高效开采，又可避免断层突水事故的发生。

4）数值模拟设置条件较为理想化，未真实刻画断层应力状态。数值模拟技术作为研究断层煤柱宽度的有效手段，表现出了巨大的优越性，但从目前的数值模拟研究成果来看，数值模拟过程中对断层基本条件的设置较为简单。当然受限于基本理论的限制、软件功能的限制，导致现实中岩体的非均质性、各向异性等特点在模型建立过程中难以实现。另外，多数只从空间特征进行了设置，但未对断层受力状态进行合理的设置，这与现场实际条件相差较大。如断层的力学参数的获取，断层影响带特征、断层初始应力场特征等，特别是随着开采深度的增加，原始及后期构造应力起到的作用不可忽视，多数情况下要大于自重应力，而目前的模拟过程未考虑到此种状况，从而产生较大的误差。

5）室内相似模拟综合试验平台尚需完善。室内相似模拟再现了煤层开采过程以及断层状态的变化特征，但在试验精度方面、模拟岩层内部为“微型”变化特征的表现方面仍不完善，观测手段、方法略显单一。相似模拟过程中的多参数、多状态的综合观测系统不够完善，尤其结合地球物理特性的综合观测方面不够系统，如导电性、声发射、微震等地球物理监测技术在断层面（体）的位移、变形方面结合程度仍不够深入。大型二维三维相似模拟平台建设不够完善，大数据、可视化技术、人工智能等新技术的结合方面仍有很大的应用空间。

6）小型断层突水机制及重视程度不够。不同规模的断层对煤层安全、高效的开采影响不尽相同。以往的研究多集中于大型断层防水煤（岩）柱的留设，很少针对小型断层，如落差较小（如落差小于10 m）的断层进行煤柱留设。但许多突水资料表明，小断层突水的概率反而很高[30]，如武安市德胜煤矿越界开采8 号煤，工作面上部遇到落差1.5 m 左右的断层，没有留设断层防水煤柱导致矿井被淹，并造成在下山地区作业的29 人死亡。发生小断层突水灾害的主要原因包括：一是小断层难以全部探查清楚；二是人们对小型断层的重视程度不够，认为不需要留设煤柱。但是，随着开采深度的增加、水压力的增加，小型断层也是突水优势面，也容易作为突水通道而引发水害事故。所以，小型断层的水害防治、煤柱留设也应予以重视，今后也应该根据小型断层具体的水文地质特征，合理留设小型断层的防水煤（岩）柱宽度。

3 断层防水煤（岩）柱研究展望

1）流-固耦合理论。流-固耦合理论应用在岩土体地下水方面有很大进步，但关于防水煤（岩）柱安全评价的文章和研究却寥寥无几。因此，开展考虑人为采动影响下，集流-固耦合理论的煤（岩）柱留设研究更为符合生产实际条件。

2）最优化。目前，中国通常依赖于现有的规程或者已有的经验去设计断层防水煤（岩）柱，但在断层防水煤（岩）柱的优化研究上知之甚少。这种结果使得断层有较大煤（岩）柱，与此同时工作面的规划和生产系统的布局也会被严重影响，不利于资源的充分利用[6,9,31-32]。因此研究不同典型地质、水文地质条件下的不同灾害类型的安全煤柱留设尺寸的最优化是非常有必要的。

3）数值模拟与相似模拟的高仿真。尽管数值模拟和相似物理模拟方法存在不足，但不能忽略这2种方法在断层煤柱留设研究中的作用。特别是数值模拟能再现多工况条件下煤层开采的过程，可以结合大数据发展技术，模拟多条件、深开挖的三维宏观模型，将现实中的条件“加载”到数值模型中，从而更加逼近现实模型。相似物理模拟具有直观等优点，继续发展三维相似模拟技术，并将地球物理、大数据、数据传输、可视化技术、人工智能技术等结合，实现物理模拟的多参数获取、表达。

4）小型断层的裂隙增渗规律。以往研究重点多集中于大型断层方面，而对小型断层重视不够。但小型断层突水事故也常见于报道。因此，应该加强在深部开采、高强度开采条件下，小型断层扩展、贯通、活化机制、断层裂隙增渗规律等方面的研究。

5）东部/西部煤（岩）柱留设方法与模型。随着我国东部地区深部开采范围、强度的加大，“三高一扰动”将会对煤（岩）柱的稳定性、完整性产生较大影响，考虑构造应力场、采动应力场、地下水渗流场、地温高温场等因素，开展多场综合叠加作用下的煤（岩）体力学变形机制与规律研究；开展多煤层开采互馈影响条件下的煤（岩）体变形破坏特征研究；开展西部矿井弱胶结岩体-渗流-采动应力综合作用下的煤（岩）体稳定性研究等；建立起符合我国煤矿不同典型地质条件下的煤（岩）柱留设方法与模型参考。

4 结 语

我国针对断层防水煤（岩）柱的研究成果十分丰富，这些研究成果对减少断层突水事故的发生，改善我国煤矿安全生产状况、提高煤炭资源利用率起到了至关重要作用。但基于断层防水煤（岩）柱留设的复杂性，地质、水文地质条件、开采方法等多样性与差异性，仍需总结典型地质计算模型，开展基于煤层采动条件下的，数值模拟与相似模拟的高仿真研究、小型断层的裂隙增渗规律、集流-固耦合理论的煤（岩）柱留设和优化等方面研究，为防治我国矿井断层水害提供更多的技术保障。