断层活化及防水煤柱留设数值模拟研究

王 利 王忠雪 李 瑶

（1.山东济宁运河煤矿有限责任公司，山东 济宁 272055；2.山东科技大学资源学院，山东 泰安 271019）

随着我国浅部煤炭资源开发殆尽，并且煤炭需求量逐年递增，我国未来要转向深部开采，深部煤层赋存条件越来越复杂，特别是断层构造使开采难度大大增加[1-2]，因此，开展断层发育对工作面开采产生的影响的研究非常重要。在采动影响下，断层上盘和下盘沿断层面发生相对滑移，引起断层活化现象，使得断层的导水性增加，更容易形成突水通道[3-4]。当前，国内外学者针对采动影响下断层活化机理与其发展现状进行了一系列研究。彭文庆等[5]运用各力学理论推导了不同断层倾角的防水煤柱宽度计算公式。师维刚等[6]通过建模分析，对防水隔离煤柱重新分区，规范了相关经验参数取值，使得防水煤柱设计更加全面。姜耀东等[7]通过在断层模型中添加监测点，观察法向应力和剪应力变化以研究断层活化规律，发现工作面距离断层越近，断层越易于活化。程浩等[8]模拟研究了断层在采动影响下对煤层顶底板变形的影响过程，对比发现断层情况下更容易引发突水危险。吴俊达等[9]使用相似材料模拟试验与数值模拟两种方法，对采动影响下断层的活化特征和煤柱留设进行了分析。杨本水等[10]研究断层对煤层围岩的影响程度，发现断层情况下预留合适长度的煤柱可以有效预防水害。朱光丽等[11]、张培森等[3][12][13]、王浩杰等[14]利用数值模拟方法对断层活化突水的影响因素、覆岩运动破坏形态、底板裂隙延伸特征等展开研究。

随着煤炭资源开采深度和强度的持续增加，断层活化导致的突水灾害严重威胁生产安全，因此，为了防止断层以及断层附近裂缝造成工作面突水，需要留设尺寸合理的断层保护煤柱。通过CAE 近些年发展，使用有限差分数值模拟的方法可模拟断层在留设不同宽度防水煤柱时的活化程度，可以为工作面留设防水煤柱的尺寸提供参考依据[15]。本文通过分析 FLAC3D模拟留设不同宽度煤柱时，煤层开采过程中覆岩应力场变化规律、塑性区破坏特征及孔压和水流速度变化特征，然后综合对比分析，为断层防水保护煤柱宽度留设提供依据。

1 地质概况

阳城煤矿1311 综采放顶煤工作面走向长度517 m，倾向长度200 m，煤层埋深在-410～-640 m，煤岩层倾角平均20°，3 煤厚度平均7.2 m。煤层及顶板层理发育，内生裂隙较多；1311 工作面可能引起水害的主要充水含水层为山西组3 煤层顶板砂岩含水层、石炭系太原组三灰以及断层水，其中3 煤顶板砂岩为直接充水含水层。工作面存在一正断层为FD121 断层，FD121 断层走向45°，倾向315°，倾角50°，落差20～50 m。

2 数值模拟模型建立

合理的计算范围对确保计算精度至关重要，本次模拟确定了如下的计算范围：模型尺寸长×宽×高=825 m×200 m×265 m。根据研究目的，对断层上、下盘煤层及煤层直接顶网格进行加密处理，网格划分如图1 所示。在模型的四周边界均约束水平位移，底部边界约束水平位移和垂直位移，上边界为自由面。本模型所受的重力载荷梯度为25 kPa，上边界模拟岩层等效均布荷载q=Σγh=2500×9.8×350 ≈8.58 MPa。根据大量的岩石力学试验以及工程类比可以得知，Mohr-Coulomb准则能较好地反映出岩石破坏特性，因此选取Mohr-Coulomb 本构模型进行分析。模拟计算所采用的岩体力学参数见表1。

表1 各种岩性的物理力学参数

图1 模型网格划分

利用数值模拟软件FLAC3D，分析1311 工作面开采对FD121 断层活化的影响。方案一为模拟断层防水煤柱宽度分别留设33 m、27 m、22 m、16 m和11 m 时，煤层开采过程对断层活化的影响；方案二为当断层防水煤柱宽度设定在27 m 不变情况下，在煤柱部分工作面只采不放，逐渐缩小开采部分的煤柱尺寸为22 m、16 m、11 m 时，煤层开采过程对断层活化的影响。

3 数值模拟结果分析

3.1 煤层开采过程中覆岩应力场特征

由图2（a）可知，随着工作面推进，防水煤柱宽度越小，最大剪应力和最大主应力均呈现逐渐增大的趋势。煤柱分别为33 m、27 m、22 m、16 m 和11 m 时，工作面采动对应的正应力分别为4.75 MPa、4.82 MPa、4.91 MPa、5.40 MPa 和5.36 MPa，对应的最大剪应力分别为2.42 MPa、2.48 MPa、2.52 MPa、2.59 MPa 和2.77 MPa，对应的最大主应力分别为2.66 MPa、2.68 MPa、2.78 MPa、2.88 MPa 和3.11 MPa，留设11 m 煤柱较33 m 煤柱分别增长12.8%、14.5%和16.9%。当防水煤柱宽度大于16 m 时，正应力随防水煤柱宽度的减小而逐渐增长，且在22 m 时增长趋势更加明显。防水煤柱宽度小于16 m 时，正应力随防水煤柱宽度的减小而缓慢减小，正应力在防水煤柱宽度为11 m 时较之16 m 时降低了约0.7%。

图2 不同宽度防水煤柱应力场特征

由图2（b）可知，“开采”部分煤柱分别为27 m、22 m、16 m、11 m 时，工作面采动对应的正应力分别 为4.82 MPa、4.90 MPa、4.91 MPa、5.45 MPa，对应的剪应力分别为2.482 MPa、2.526 MPa、2.524 MPa、2.465 MPa，对应的最大主应力分别为2.681 MPa、2.773 MPa、2.777 MPa、2.967 MPa。可以看出，随着工作面的推进，正应力和最大主应力逐渐增大，而剪应力除了由27 m 变为22 m 时略有增大外，其他均逐渐减小。

3.2 煤层开采过程中断层位移变化

由图3 可知，随着工作面的推进，FD121 断层面上的位移整体呈现增大趋势，煤柱尺寸缩减至33 m 时，断层面上开始有明显位移，但总的来说，位移显现不明显；煤柱尺寸缩减至22 m 后，断层面上的各个监测点位移都较之前有了大幅度的增加。从四个位移监测点的监测结果可看出，断层下盘位移测点受煤层开采影响产生的滑移量较上盘要大，因为下盘监测点离开采煤层的距离较近，同时受到断层带的阻隔作用，使得上盘滑移量较小。在方案二中FD121 断层面上的位移整体不明显，且与方案一相同的是，断层下盘位移测点产生的滑移量较上盘要大。

图3 断层面位移变化图

3.3 煤层开采过程中塑性区演化特征

图4 展示了两个方案在采动过程中塑性区演化特征。如图4 所示，随着煤柱宽度缩短，工作面顶、底板岩层均呈现不同程度的破坏，塑性区向着断层方向延伸且顶板的覆岩破坏范围较之底板要大得多。留设煤柱宽度为33 m 和27 m 时，顶板塑性区有零星模拟单元与FD121 断层接触，同时断层上盘出现较小区域塑性破坏区。当留设22 m 煤柱时，顶板塑性区与FD121 断层的接触单元面积增大，且塑性区开始越过断层，在断层上盘附近出现零星塑性区单元；当留设煤柱宽度为16 m、11 m 时，顶板塑性区面积进一步增大，且下盘塑性区越过FD121 断层与上盘塑性区接触。因此，可认为煤柱宽度小于22 m 后断层被活化，形成导水通路，工作面存在较大突水危险性。

图4 不同宽度防水煤柱覆岩破坏特征图

与方案一相同，工作面顶板的覆岩破坏范围较之底板要大得多，但在 “采”部分的煤柱尺寸逐渐缩小的过程中，顶、底板的塑性破坏区均未发生显著的破坏区扩大现象，仅在当“采”部分煤柱缩短为11 m 时，断层上下盘塑性区连接，整体塑性区范围较为增大。可见当煤层“只采不放”情况下，将“采”部分煤柱缩短不会引起开采对于上覆岩层以及断层的进一步明显破坏。采用此种方法，可在保证开采破坏范围基本不变的情况下，将“采”部分煤层进一步解放。

3.4 断层渗流特征

图5 为两种方案在采动过程中的水流矢量图。由图得知，当方案一留设煤柱宽度为33 m、27 m、22 m、16 m、11 m 时，最大孔隙压力分别为7.70 MPa、7.93 MPa、8.28 MPa、8.26 MPa、8.62 MPa，随着煤柱宽度缩短，靠近断层附近孔隙压力值逐渐增大，并且影响范围均逐渐增大。虽然整体的最大水流矢量并未明显改变，但是由于煤层持续开采产生的高集中应力致使前方断层带附近区域产生裂隙，而导致区域的水流流速逐渐加快。具体来说，煤柱为27 m 时水流矢量的箭头要较33 m 时更长也更密，即水流流速也就更大，但是两者水流矢量影响并不显著。当煤柱为22 m 时，水流矢量更加明显，且流向断层下盘的水流显著增多。将煤柱进一步缩短为16 m 和11 m 时，断层带上下盘两个方向的水流均显著增多且水流进一步显著增大，断层的导水性进一步明显提高，大大增加了工作面发生突水的可能性。

图5 不同方案防水煤柱水流矢量图

保持煤柱整体尺寸27 m 不变，逐渐缩小“采”部分的煤柱尺寸，而“放”部分的煤柱不变时，靠近断层一侧煤柱底板围岩孔隙压力同样随着工作面的推进而逐渐增大，但是相较于方案一，增加的并不明显；在工作面靠近断层的区域，当“采”部分的煤柱由27 m 逐渐变为22 m 和16 m 过程中，水流矢量变化并不明显，而当煤柱变为11 m 时，断层附近水流矢量增加较为明显，增加幅度显著提高。因此可以认为，方案二煤柱在前期逐渐减小的过程中，并不会引起破坏范围以及水压的显著变化，但当煤柱为11 m 时，破坏范围及水压增大明显，工作面突水可能性显著提高。

4 结论

1）防水煤柱的宽度越短，正应力、剪应力和最大主应力均呈现出随着工作面推进逐渐增大的趋势，各应力最大增长位置分别在煤柱16 m、11 m、11 m 处，最大增长率分别为10%、6.9%、8%。随着煤柱宽度缩短，断层面位移逐渐增大，煤柱22 m以后位移变化率最大，由于断层阻隔作用，断层下盘界面位移比上盘界面位移大。

2）随着煤柱宽度缩短，塑性区向着断层方向延伸，工作面顶、底板岩层均呈现不同程度的破坏，且顶板的覆岩破坏范围较之底板要大得多。当留设22 m 煤柱时，在断层上盘附近出现零星塑性区单元，煤柱宽度为16 m 时，下盘塑性区越过FD121 断层与上盘塑性区接触，此时可视为已经形成导水通路。

3）随着煤柱宽度缩短，靠近断层附近孔隙压力值和影响范围均逐渐增大。煤柱进一步缩短为16 m 和11 m 时，孔压影响范围完全穿越FD121 断层，此时认为断层导水通路基本形成，工作面发生突水的可能性大大增加。综合应力场特征，塑性区演化特征和断层渗流特征，留设22 m 安全煤柱最优，可以有效避免断层活化突水。

4）当煤柱整体尺寸保持27 m 不变，煤柱仅采不放情况下，逐渐缩小“采”部分的煤柱尺寸，而“放”部分的煤柱不变时，当“采”部分煤柱分别为27 m、22 m、16 m 时，并不会引起破坏范围以及水压的显著变化，但当煤柱为11 m 时，破坏范围及水压增大明显，工作面突水可能性显著提高。因此，该方案“采”部分的煤柱可减小为16 m。