邹庄矿井F25逆断层保护煤柱合理留设研究

窦仲四， 田诺成

(1.东华理工大学 地球科学学院，江西 南昌 330013；2.合肥工业大学 资源与环境工程学院，安徽 合肥 230009)

当前煤矿生产有5大安全问题亟待解决(黄玉治，2019)，其中矿井水害严重威胁矿工生命安全。近年来研究者利用井下放水实验、水化学分析法及地球物理勘探等方法进行矿井水防治(Jiang et al., 2015；林远东等，2012；Yu et al.,2015)。断层“活化”突水是诱导矿井水害重要因素，具有突发性、隐蔽性、危险性和不可预测性，威胁煤矿安全生产(王冬平,2016；吕兆海等，2015；刘业娇等，2017；杨为民等，2017)。学者通过理论解析、数值模拟、相似模拟等方法对采动效应及断层“活化”诱因进行了研究(曹兰柱等，2018；李振华等，2015；陈晓祥等2018；Jiang et al.，2015；张雪昂等，2019;陈全明，2019)。李鹏飞等(2018)利用FLAC3D数值软件分析断层倾角、深度、破碎带宽度等对断层“活化”影响，结果表明倾角小、采深大、破碎带宽、落差大的断层更容易出现断层活化。基于相似物理材料模拟试验得出，断层“活化”是当断层煤柱宽度减小到一定程度时，断层面上、下盘岩体会发生相对错动(吴基文等，2007)。针对淮北煤田宿县矿区邹庄矿井F25逆断层切割煤层底板奥陶系灰岩可能导致87采区煤层回采过程中断层“活化”突水情况，笔者以F25逆断层为分析对象，利用FLAC3D数值模拟软件，根据矿井勘探资料建立工程地质模型，通过分析煤层回采过程中应力场、塑性破坏区分布特征、断层带附近岩体垂向应力变化及断层“活化”规律，综合评判F25逆断层的采动效应，确定断层保护煤柱合理宽度，以期为后续采区布置及煤层安全回采提供科学依据。

1 工程背景及模型建立

F25逆断层为邹庄井田内发育的一条大型逆断层，位于矿井西部边缘，为87采区与其东部采区的边界。地震地质剖面(图1)显示F25逆断层切割的地层有：奥陶系、石炭系、二叠系。

图1 18和24勘查线地震地质剖面图Fig.1 Seismological profiles of exploration lines 18 and 24

上盘的太原组灰岩，含水量少、断层带导水性差，基本不会发生矿井突水，但断层下盘奥陶系灰岩含大量水，由于煤层采动，会致使断层带发生滑移、“活化”，从而发生矿井突水现象。为合理留设F25逆断层带煤柱宽度，根据工程地质背景，建立了三维数值模型(图2)，模型X、Y、Z分别为315 m、210 m、150 m，模型由478 800个单元格和499 746个单元节点组成，工作面位于断层下盘。

图2 三维计算模型及网格Fig.2 Three-dimensional computational model and grid

模型底部边界XY面采用全约束条件，顶部采用自由边界条件，上覆岩层荷载计算值为15 Mpa，X、Y方向采用全部固定,以Mohr-Coulomb作为煤岩体材料屈服准则。煤层沿Y轴方向开挖，为消除边界影响，分别留设40 m、30 m、20 m、10 m约束煤柱，进行4次不同保留煤柱条件下的模拟开挖，岩层力学属性参数如表1所示。

表1 岩组物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of rock association

2 数值模拟结果分析

2.1 不同煤柱下水平应力场演化

为研究不同留设煤柱下水平应力场演化规律，分别调取留设煤柱为40 m、30 m、20 m、10 m时开挖后的水平应力云图(图3)。随着保留煤柱宽度的变小，采空区卸压范围向断层带靠近，同时超前应力集中区也在向断层带靠近并穿越断层。当保留煤柱为40 m时，断层下盘有明显应力集中区，上盘出现应力增加区(图3a)；当保留煤柱为30 m时，断层下盘、上盘均有明显应力集中区，但上盘应力集中区范围较小(图3b)；当保留煤柱为20 m时，断层下盘、上盘应力均有应力集中区，且区间范围相当(图3c)；当保留煤柱为10 m时，应力穿越了断层，使得下盘无应力集中区，在断层带及上盘形成应力集中区(图3d)。

图3 不同宽度煤柱下水平应力场云图Fig.3 Nephogram of horizontal stress field under coal pillars with different widths a.40 m煤柱；b.30 m煤柱；c.20 m煤柱；d.10 m煤柱

2.2 不同煤柱下垂直应力场演化

为研究不同留设煤柱下垂直应力场演化规律，分别调取留设煤柱为40 m、30 m、20 m、10 m时开挖后的垂直应力云图(图4)。与水平应力演化相似，随着保留煤柱宽度的变小，采空区卸压范围向断层靠近，同时超前应力集中区也在向断层附近靠近并穿越断层，但是垂向应力的演化规律不及水平应力变化明显，表现出滞后性。当保留煤柱为40 m时，断层下盘有明显应力集中区，上盘无应力增加区(图4a)；当保留煤柱为30 m时，断层下盘有明显应力集中区，上盘出现应力增加区(图4b)；当保留煤柱为20 m时，断层下盘应力集中区渐渐转移，在上盘应力集中区增大(图4c)；当保留煤柱为10 m时，应力穿越了断层，使得下盘集中区变小，在断层带及上盘形成应力集中区(图4d)。

图4 不同宽度煤柱下垂直应力场云图Fig.4 Nephogram of vertical stress field under different width coal pillars a.40 m煤柱；b.30 m煤柱；c.20 m煤柱；d.10 m煤柱

2.3 不同煤柱下塑性破坏特征

为研究不同留设煤柱下塑性破坏规律，分别调取留设煤柱为40 m、30 m、20 m、10 m时开挖后的塑性破坏区云图(图5)。当保留煤柱为40 m时，工作面发生塑性破坏而断层带基本没有破坏(图5a)；当保留煤柱为30 m时，工作面破坏区靠近断层带，断层带开始出现轻微剪切破坏(图5b)；当保留煤柱为20 m时，断层下盘塑性破坏区接近断层带，但仍然没有导通，断层带上开始出现了拉伸破坏(图5c)；当保留煤柱为10 m时，断层带大面积出现塑性破坏，且与下盘塑性破坏区连成一体(图5d)。

图5 不同宽度煤柱下塑性破坏区图Fig.5 Map of plastic failure zone under different width coal pillarsa.40 m煤柱；b.30 m煤柱；c.20 m煤柱；d.10 m煤柱

2.4 断层带及周边采动应力演化特征

分别在煤层顶板、底板10 m处选取13个测点，且分布在断层带附近，研究不同保留煤柱情况下，工作面推进30 m时，煤层顶底板在断层带附近采动应力演化规律。

图6为留设不同宽度煤柱下煤层顶各单元体垂向应力变化规律。采动应力变化曲线基本符合采空区卸压，采空区围岩应力集中这一普遍规律，但在留设不同保护煤柱情况下，同一系列测点的应力变化是有差异的。当保留煤柱为40 m、30 m时，在采空区围岩断层带下盘出现应力集中现象，应力集中系数为1.3～1.4；保留煤柱为10 m时，采动应力穿越断层带，致使断层上盘应力剧增，集中系数高达1.4；保留煤柱为20 m时，采空区卸压，在围岩断层带附近应力达到原岩应力，没有出现明显应力集中现象。

图6 煤层顶断层带附近岩体垂向应力变化规律Fig.6 Variations of vertical stress of rock mass near fault zone of coal seam top

图7为留设不同宽度煤柱下煤层底板各单元体垂向应力变化规律。可以看出在保留煤柱为40 m、30 m、20 m时采动应力变化曲线基本一致，采空区内卸压，围岩处有应力集中现象，但不明显；在保留煤柱为10 m时，断层带下盘靠近断层带处采动应力先增加后减小，而在断层带附近上盘先增加后减小又增加演化趋势，这种应力演化非常不利于断层稳定性，极易导致出现破裂或“活化”。

图7 煤层底板断层带附近岩体垂向应力变化规律Fig.7 Variations of vertical stress of rock mass near fault zone of coal seam floor

2.5 不同宽度煤柱下断层“活化”情况

分别在煤层顶板、底板10 m处选取14个测点，且分布在断层带附近，提取竖向位移值，研究不同保留煤柱情况下，工作面推进30 m时，煤层顶底板在断层带附近的位移演变规律。

图8为不同宽度保留煤柱煤层顶板监测点竖向位移变化情况。当留设40 m煤柱时，断层带附近(非采空区)的煤层顶底板位移折线趋于直线，表明基本无位移差值；当留设30 m煤柱时变化趋势类似于留设40 m煤柱情况；当留设20 m煤柱时，断层带附近(非采空区))的煤层顶底板位移折线开始有一定增幅，且差值达到0.13 cm，说明此时断层开始有“活化”趋势；当留设10 m煤柱时，断层带附近上下盘位移量增大，且在上下盘出现明显差值达0.7 cm，说明此时断层带已经有趋于活化现象。

图8 不同留设煤柱顶板监测点位移变化情况Fig.8 Displacement variations of monitoring points of different coal pillar roof

图9为不同宽度保留煤柱煤层底板监测点竖向位移变化情况。当留设40 m、30 m、20 m煤柱时，断层带附近(非采空区)的煤层顶底板位移折线趋于0，表明基本没有发生位移；当留设10 m煤柱时，断层带附近上下盘位移量增大，在断层处位移最大达1 cm，上下盘原同一水平处出现明显错动，说明此时断层带已经发生活化现象。

图9 不同留设煤柱底板监测点位移变化情况Fig.9 Displacement variations of monitoring points of different coal pillar floor

3 断层保护煤柱宽度确定

通过对邹庄井田F25断层保留不同煤柱情况下进行回采时采场底板水平应力、垂直应力、塑性破坏及断层“活化”情况分析发现，当断层保留煤柱为40 m、30 m时，基本没有产生活化影响；当断层保留煤柱为10 m时，采动应力已经传递到断层带，且断层带发生严重塑性破坏与工作面导通，F25断层附近煤层底板奥陶系灰岩含水丰富，随着工作面回采可能引发矿井突水事故；当断层保留煤柱为20 m时，断层带附近(非采空区)的煤层顶底板位移折线开始有一定增幅，且差值达到0.13 cm，说明此时断层开始有“活化”趋势，但断层带附近(非采空区)的煤层顶底板位移折线趋于0，表明基本没有发生位移，结合塑性破坏云图发现断层下盘塑性破坏区接近断层带，断层带上开始出现了拉伸破坏，但没有导通，此时仍然是安全的。结合安全与高效等综合因素考虑，邹庄井田F25断层保护煤柱建议留设20 m较为合理。

4 结论

(1)随着F25逆断层煤柱留设的减小，采动应力集中区逐渐向断层靠近，当断层煤柱减小到一定程度时，集中区转移到断层上盘，但垂向应力的演化明显滞后于水平应力；塑性破坏区逐渐向断层靠近，当煤柱宽度减小到一个临界值时，塑性破坏区与断层导通，且塑性破坏区发育范围突然增大。

(2)煤层顶部断层带附近岩体的垂向应力变化先于煤层底断层带出现，且变化趋势不同；煤层顶断层带先于煤层底部断层带“活化”，煤层顶部断层带在煤柱宽度为20 m时开始具有“活化”趋势，煤层底部断层带在煤柱宽度为10 m时才具有明显的“活化”趋势，断层活化具有明显的空间特征。

(3)基于本次分析结果及合理留设煤柱所涉及综合因素，建议邹庄F25逆断层保留煤柱留设20 m较为合理。