断层活化特征及防隔水煤柱合理化留设研究

朱敬忠，刘启蒙，刘 瑜，范佳俊，杨 森

(1.中国矿业大学 资源与地球科学学院，江苏 徐州 221116；2.安徽理工大学 地球与环境学院，安徽 淮南 232001； 3.安徽理工大学 深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室，安徽 淮南 232001)

0 引 言

由于我国华北型煤田水文地质条件复杂，综采工作面在推进过程中会受到底板高承压水的威胁[1-2]。据统计，工作面80%左右的突水事故均发生在断层破碎带附近[3]。因此，科学准确认识和分析采动过程中断层活化特征，留设合理的防隔水煤(岩)柱能阻止断层活化突水，保证矿井的安全高效生产。目前，许多研究学者对断层活化及防隔水煤(岩)柱合理留设问题展开了大量的研究。乔伟等[4]研究在断层两盘下方开采时不同水压力作用下的断层活化突水的试验模型，解释了断层活化突水的过程。王进尚[5]利用水力压裂的方法对断层煤柱的留设情况进行了研究分析。易伟欣等[6]在对经验公式加以修正，得出新的理论计算公式，并分析了断层构成导水通道的突水机理。吴俊达等[7]、赵春波等[8]利用相似材料模拟及数值模拟，对断层活化特征、渗流特性及断层防水煤柱的留设进行系统的分析研究，得出断层煤柱的合理留设宽度。HU等[9]将根据不同的水文地质条件将断层进行分类，分析了与断层有关的水害类型，并提出疏水降压，合理留设煤岩柱，底板注浆等水害治理方法。

笔者以界沟煤矿地质条件为基础，利用COMSOL Multiphysics(CM)数值模拟试验对工作面回采过程中断层活化特征以及应力演化规律进行系统分析[10-11]，并通过计算优化了断层防水煤柱合理留设宽度，最终确定了断层防水煤柱留设宽度，为承压水上含断层工作面的安全回采问题提供了理论技术参考。

1 工程概况

界沟煤矿位于童亭背斜西翼、五沟向斜的南段，主体构造为一宽缓的向斜盆地，地层倾角在10°～25°，平均16°。矿井共有4个采区，即东一采区、中央采区、西一采区和西二采区。全区共有180条断层，以正断层为主，落差大于100 m的断层有3条。南北两端分别被北东向正断层界沟断层、李家断层所切割；局部有次级起伏，断裂构造较发育，断层走向以北东向为主，其次是北西向。区内暂未发现岩浆岩，构造复杂程度中等[12]，如图1所示。

图1 矿井构造纲要图Fig.1 Sketch of coal mine tectonic

研究对象F6为正断层，位于区内中南部，两端延伸出境，斜切矿井，走向NE，倾向NW，倾角45°～75°，落差15～115 m，延展长度>3 000 m，错断51～10煤，三维地震和钻孔控制的查明断层，西一采区10煤层位于F6正断层上盘，10煤地层降至与对盘富水性的太灰含水地层“对接”，矿井在10煤开采时已部分揭露，开采在留设断层防水煤柱的情况下，未发生较大突水现象。

2 F6断层性质及导水性分析

根据钻探揭露资料，断层破碎带厚度0.68～5.88 m，一般多为泥质充填，岩性较混杂，主要为泥岩、粉砂岩及少量砂岩。剪切挤压和褶皱现象严重，岩芯较破碎，泥岩呈糜棱状，砂岩呈碎块状、角砾状，胶结性好。穿过该断层的11-4号,13-1号和42-13号钻孔在钻探过程中也未发生漏水漏浆等异常现象。

井下采用矿井瞬变电磁法(TEM)、并行直流电法、矿井震波超前探测技术(MSP)对断层赋水性超前探测，断层赋水性弱。巷道掘进过程中已在多处揭露断层时均未有出水现象或仅有少量短时滴水。同时，为查明矿区内主要断层的导水性，利用水2孔对研究对象东侧的F5正断层破碎带做了抽水试验，该断层性质与F6断层的性质类似。抽水试验结果表明，断层破碎带抽无水，说明在自然条件下，断层富水性极弱、导水性差。因此，F6断层在初始状态下表现为富水性弱，导水性差的性质。

3 断层活化的数值模拟

在天然地应力平衡状态下，不导(含)水断层或导水性弱的断层起到阻隔承压水的作用，倘若一旦在开挖巷道或煤层回采过程中，扰动破坏影响可能会波及至断层破碎带，使断层带的初始应力发生变化，产生塑性变形，出现原有裂隙的发展和次生裂隙的张开，形成导水通道，使高承压水涌入到井下生产作业区，断层由导水性弱或不导水向导水过渡是一个缓慢的过程[13-15]。为研究F6断层活化规律特征，运用COMSOL Multiphysics有限元数值模拟方法对采动诱发断层破碎带活化过程进行分析。

3.1 数值计算几何模型

F6断层为中央采区与西一采区分界断层，根据矿区AA勘探线剖面知，断层落差为80 m，倾角为70°，10煤层底板与太灰含水层顶板之间的垂距为50 m，煤层近似水平，平均煤厚为2.3 m，断层带厚度约为2.5 m。

工作面回采期间，当综采液压支架前移时，支架后方的顶板岩层随之垮落。为模拟实际情况，在进行向前推进时，对上一个回采段距内进行填充，建立如图2所示的几何模型，模型尺寸为200 m×360 m。

图2 几何计算模型Fig.2 Geometric calculation model

模型共分为4层，从上往下依次为覆岩层、10煤层、隔水层、底部太灰含水层。底部约束垂直方向的位移，左右两侧约束水平方向的位移。顶部以10.0 MPa 载荷均匀作用在模型上边界,模型底层为太原组灰岩含水层，其含水层的孔隙水压力为5.0 MPa。左右边界和上边界为对称隔水边界。模型的各岩层的弹性模量E、泊松比μ、密度ρ、黏聚力c和内摩擦角φ等物理力学性质见表1。

表1 岩石基本力学参数Table 1 Basic mechanical parameters of rock

3.2 工作面推进对断层活化的影响

随着工作面持续往断煤交线方向不断推进，工作面顶底板及断层处的围岩应力发生变化，首先在顶底板出现塑性变形破坏区域，当靠近断层时，塑性变形的应力波及至煤层底板处的断层，使其局部发生塑性变形破坏，如图3所示。

图3 工作面推进期间煤层顶底板及断层塑性破坏区分布Fig.3 Plastic failure distribution of coal seam floor and fault during mining

由图3a和图3b中可以看出，当工作面回采至距断煤交线60 m和40 m时，底板塑性破坏未影响至断层，断层带内岩石没有发生塑性破坏。在图3c中，当采场推进至距断煤交线30 m时，煤层采掘扰动引起的剪应力与断层煤柱静应力叠加效应不显著，表现为下部断层开始出现塑性应变的征兆。工作面继续向再前推进10 m，即距断煤交线20 m时(图3d)，以水平方向采空卸载与竖直方向加卸载形式的采动应力与断层煤柱的静载应力相互叠加，致使断层处出现应力集中区，表现为断煤交线上下出现塑性破坏，且随继续开挖塑性破坏区域面积会继续增大，断层开始出现明显的活化。

4 留设断层防隔水煤(岩)柱

留设断层防隔水煤(岩)柱是预防断层水害的主要手段之一，它关系到矿井安全和高效生产。合理的防水煤(岩)柱宽度不仅可以阻止地下水通过断层涌入矿井，还可以提高煤炭资源的利用率、确保安全开采[16-17]。

4.1 安全防隔水煤(岩)柱的确定

Ha应根据矿井实际观测资料来确定，即通过总结本矿区在断层附近开采时发生突水和安全开采的地质、水文地质资料，计算其水压与防隔水煤柱厚度的比值(Ts=P/M),并将各点之值标到以Ts=P/M为横轴，以埋藏深度H0为纵轴的坐标纸上，找出Ts值的安全临界线[18]。Ha也可以按下列公式计算：

(1)

式中，P为防隔水煤(岩)柱所承受的实际水头值，MPa；Ts为临界突水系数，MPa/m；A为保护带厚度，一般取10 m。

本矿区如无实际突水系数，可参考其他矿区资料，但选用时必须综合考虑隔水层的岩性、物理力学性质、巷道跨度或工作面的空顶距、采煤方法和顶板管理方法等一系列因素。安全防隔水煤柱Ha可采用由超静定梁模型推导出来的斯列萨列夫公式确定[19-20]，其计算公式为

(2)

4.2 防隔水煤(岩)柱宽度的确定

由于F6断层上盘的10煤层直接与对盘太灰含水层接触，根据《煤矿防治水细则》附录六-三的规定，煤层与强含水层或导水断层接触防隔水煤柱留设的情况。要分析煤层最高导水裂隙带高度(Hd)是否高出对盘含水层顶面。

依据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》对于导水裂隙带计算规定[21]，当煤层顶板岩性为中硬砂岩、泥质灰岩、砂质页岩、页岩时，其计算公式为

(3)

当煤层顶板为软弱的泥岩或泥质砂岩时，导水裂隙带高度计算公式为

(4)

其中，∑M为累计采厚。

由揭露F6断层的11-4号,13-1号及42-13号钻孔岩性柱状图可知，10煤顶板以中硬的粉砂岩，砂岩为主，10煤层平均厚度为2.3 m。经计算导水裂隙带高度约为37.2 m。由图4可知，含水层顶面低于导水裂隙带。

图4 F6断层剖面图Fig.4 Cross setcion profile of F6 fault

由采区内长观孔灰岩水位观测资料知，太灰水位平均标高为-113.17 m，根据煤层底板标高计算出F6断层上下盘10煤底板水压值3.77、2.97 MPa。为治理10煤底板灰岩水害问题，在采区内已实施了地面区域治理工程，按照隔水层完整无构造破坏时的突水系数临界值0.1 MPa/m计算[22]。利用式(1)和式(2)分别计算安全防隔水煤(岩)柱Ha，计算结果见表2。

表2 安全防隔水煤柱计算结果Table 2 Calculation result of safety waterproof coal pillar

由于断层下盘10煤底板与灰岩含水层顶板垂距较远，底板破坏带不会波及至下部灰岩含水体，只需留设20 m的防隔水煤柱即可。在中央采区回采工作面与断层之间留设均大于20 m的防隔水煤柱，6个工作面现已安全回采完毕，未发生突水事故。

西一采区10煤位于F6断层上盘，采区内10煤工作面暂未形成，由前述知，采区内开展了灰岩水害治理工作后，将F6断层作为不导水断层，计算防隔水煤柱的留设尺寸，但不得小于20 m。如图5所示，防隔水煤柱留设宽度为

图5 防隔水煤柱留设宽度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为断层上盘含水层层面高出下盘煤层底板的高度，m，M=32.2 m；α为岩层塌陷角，(°)，取值为75°；θ为断层倾角，(°)，取值为70°。

经计算，断层防隔水煤柱留设宽度L=36.13 m，当考虑灰岩水顺煤层方向上的压力时，则按《煤矿防治水细则》附录六之二公式：

(8)

式中，L为煤柱宽度，m；M为煤层厚度或者采高，m；P为水头压力，MPa。Kp为煤层的抗拉强度，一般为0.2～1.4，MPa；K为安全系数,一般取2～5。

根据2020年5月科研高校提交的7、8、10煤岩冲击倾向性鉴定报告知，10煤层的抗拉强度约为0.5 MPa，经计算断层防隔水煤柱宽度为27.35 m。基于以上2种方法计算的结果，取最大值36.13 m作为断层防隔水煤柱留设的宽度。

5 结 论

1) 通过对F6断层活化规律特征的模拟研究，说明了随着工作面不断向断煤交线方向推进，断层带附近应力和应变发生变化，岩层出现塑性变形区域。

2) 结合矿区水文工程地质资料，分析计算了F6断层上盘10煤的导水裂隙带发育高度，经计算Hd=37.2 m。同时，确定断层两盘的安全防隔水煤岩柱尺寸，在《煤矿防治水细则》、《煤矿防治水手册》及“三下开采规范”等规定原则上，最终优化F6断层防隔水煤柱的留设宽度。

3)在界沟煤矿初步设计报告中要求落差在50～100 m和大于100 m的断层需要分别留设50,100 m的防隔水煤柱。通过分析F6断层防隔水煤柱合理留设宽度为36.13 m，较原设计缩小了13.87 m，增加回采煤炭资源约42.7万t，直接经济效益约2.6亿元。