我國礦井?dāng)鄬臃浪海◣r）柱留設(shè)研究現(xiàn)狀與展望

尹會永，翟玉濤，趙翠月，史永理，智宏峰，3

（1.山東科技大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島266590；2.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安710077；3.兗礦集團(tuán)陜西未來能源有限公司 金雞灘煤礦，陜西 榆林719000）

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國煤礦采場底板突水事故中有79.5%左右受斷裂構(gòu)造影響[1]，由此可見，斷層水害的防治工作歷來是煤礦水害防治的重點(diǎn)，也是許多科研人員與現(xiàn)場科技工作者的主要研究熱點(diǎn)，同時取得了較為豐碩的成果，為保障煤礦的安全生產(chǎn)起到了重要的指導(dǎo)作用。目前，我國許多礦井開采水平不斷向縱深部發(fā)展，斷層的致災(zāi)性、隱蔽性愈發(fā)復(fù)雜，斷層水害威脅也相應(yīng)增大，特別是底板水害發(fā)生與斷層的關(guān)系研究較為深入[2-3]。同時，水體下開采時，斷層存在對覆巖導(dǎo)水裂縫帶擴(kuò)大作用[4]，以及煤層開采時的流固耦合作用[5]，都增加了水害防治的難度。目前，我國在防治斷層水害方面主要采取以下方法：斷層留設(shè)煤（巖）柱、注漿加固改造和帷幕截流法，而最常用的方法就是斷層煤（巖）柱留設(shè)方法。合理的留設(shè)斷層防水煤（巖）柱不僅可以預(yù)防斷層水害的發(fā)生，而且也是合理利用煤炭資源的保障?！睹旱V防治水細(xì)則》[6]中詳細(xì)闡述了多種類型斷層防水煤（巖）柱留設(shè)寬度的計(jì)算原則，并廣泛應(yīng)用于礦井生產(chǎn)中。此外，理論計(jì)算[7]、多元回歸分析[8]、BP 和RBF 方法[9]、相似模擬技術(shù)[10]、數(shù)值模擬技術(shù)[11]等方法與技術(shù)也層出不窮，不斷地豐富斷層防水煤（巖）柱寬度的留設(shè)方法。斷層煤（巖）柱的留設(shè)是受諸多因素影響的，而且隨著開采強(qiáng)度、開采條件、地質(zhì)及水文地質(zhì)條件的差異性以及復(fù)雜性而有所不同，今后應(yīng)該繼續(xù)加強(qiáng)斷層煤（巖）柱留設(shè)方面的研究工作，確保礦井不受斷層水害威脅的前提下，更高效地開采煤炭資源?；诖?，對國內(nèi)學(xué)者的相關(guān)研究成果進(jìn)行歸納總結(jié)，對不同的研究方法進(jìn)行歸納，提出存在的主要問題，以期為今后研究斷層煤（巖）柱留設(shè)提供更豐富的參考價值。

1 斷層防水煤（巖）柱研究現(xiàn)狀

縱觀以往斷層防水煤（巖）柱的研究成果，目前主要集中在：理論計(jì)算、數(shù)值模擬、相似模擬、多因素綜合分析以及借助規(guī)程留設(shè)的方法等方面。在這些方面進(jìn)行了卓有成效的研究，且取得了較為豐碩的成果和成功經(jīng)驗(yàn)，為不同條件下的斷層水害防治提供了重要的技術(shù)保障。

1.1 理論分析與多因素分析

斷層防水煤（巖）柱留設(shè)研究涉及到的因素較多，如何設(shè)計(jì)合理的斷層防水煤柱寬度需要進(jìn)行斷層水文地質(zhì)條件的詳細(xì)分析，關(guān)鍵層理論、極限設(shè)計(jì)思維、主控因素分析法、基于BP、RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等理論及多因素分析已經(jīng)得以成功應(yīng)用?；跀鄬臃浪海◣r）柱臨界值的概念和原理，以及煤柱可靠性設(shè)計(jì)可以通過極限設(shè)計(jì)思想來研究，從而獲得更加符合現(xiàn)場的結(jié)果。深入分析斷層的力學(xué)特征、主要地質(zhì)構(gòu)造及水源水力聯(lián)系情況，有助于判斷斷層的導(dǎo)水特征，進(jìn)而為防治主要威脅含水層而設(shè)計(jì)合理的防水煤（巖）柱留設(shè)寬度。生產(chǎn)實(shí)際中遇到的斷層差異性較強(qiáng)，需深入、具體分析某一類斷層帶的導(dǎo)水性和周邊水文地質(zhì)情況，以此為基礎(chǔ)，計(jì)算工作面開采條件下的工作面邊界斷層防水煤（巖）柱寬度。

綜合考慮影響斷層防水煤（巖）柱留設(shè)的多種因素，借助多元回歸分析法，有助于研究斷層防隔水煤（巖）柱留設(shè)寬度，同時探討了多元回歸分析法在預(yù)測方面的實(shí)用性和可行性，設(shè)計(jì)出了更加合理的保護(hù)煤柱，以達(dá)到既能提高煤炭資源采出率又能安全生產(chǎn)的目的?；贐P、RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)國內(nèi)典型煤礦斷層煤（巖）柱的實(shí)際留設(shè)寬度，對水頭壓力、煤層厚度、安全系數(shù)、煤的抗張強(qiáng)度等主要影響因素進(jìn)行研究，預(yù)測研究了斷層煤（巖）柱安全留設(shè)寬度，并比較了經(jīng)驗(yàn)公式BP 和RBF 以及MATLAB 回歸分析法的實(shí)際應(yīng)用價值[7-9，12-14]，為煤礦安全生產(chǎn)提供了科學(xué)合理的依據(jù)。

1.2 基于數(shù)值模擬的斷層煤柱留設(shè)

數(shù)值模擬技術(shù)在研究煤層開采過程中巖層運(yùn)動、應(yīng)力分布、斷層“活化”等方面具有非常大的優(yōu)越性，被許多科技工作者所采納。有限差分、有限元、離散元等數(shù)值模擬理論應(yīng)用較普遍，其中以FLAC3D數(shù)值模擬軟件應(yīng)用最為成熟、最為廣泛，研究成果也是獲得最多的。尹會永等[15]利用FLAC3D數(shù)值模擬技術(shù)，圍繞礦井人為邊界煤（巖）柱寬度留設(shè)的合理性，模擬了不同開采條件以及不同開采順序下的情況，得出的模擬結(jié)果與《煤礦防治水規(guī)定》中的規(guī)定相吻合，也驗(yàn)證了數(shù)值模擬技術(shù)的良好應(yīng)用效果。多煤層重復(fù)采動條件的斷層活化機(jī)制，也可通過數(shù)值模擬技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。魏久傳等[16]針對濟(jì)三煤礦十二采區(qū)孫氏店支一斷層和F8斷層在3上、3下煤層重復(fù)采動條件下的活化機(jī)制，圍繞煤（巖）柱進(jìn)行合理的尺寸留設(shè)，通過FLAC3D軟件模擬并結(jié)合經(jīng)驗(yàn)公式，提出了合理的煤（巖）柱留設(shè)尺寸，對指導(dǎo)采區(qū)安全開采提供借鑒。張立軍[17]根據(jù)袁店二井82 采區(qū)F 高長營斷層的賦存特點(diǎn)，并結(jié)合鉆孔資料，計(jì)算確定了斷層防水煤巖柱的寬度，利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，對斷層煤（巖）柱寬度進(jìn)行了數(shù)值模擬以及安全評估。由于斷層“活化”容易引起突水事故發(fā)生，姜敏等[18]在開采蔣莊煤礦3上煤層時，綜合考慮斷層的水文地質(zhì)效應(yīng)。將流-固耦合理論應(yīng)用到數(shù)值模擬中，可有效模擬斷層的防水穩(wěn)定性和防潰水性能，將防水煤（巖）柱的安全性進(jìn)行流-固耦合分析是一種更有效的分析方法。利用數(shù)值模擬的同時，結(jié)合關(guān)鍵層理論，將離散元應(yīng)用到斷層煤柱留設(shè)研究之中，效果較好。不僅僅考慮了工作面沿?cái)鄬臃较颍瑫r研究在斷層走向推進(jìn)過程中對煤柱的影響。利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，模擬有無斷層2種情況、建立不同正斷層傾角模型以及不同寬度斷層煤柱應(yīng)力及其穩(wěn)定性、正斷層活化及彈性能密度空間分布。結(jié)合資料對采場礦山壓力進(jìn)行分析，避免更多的塑性區(qū)破壞，合理確定了斷層煤柱尺寸[19-21]。

1.3 斷層采動效應(yīng)的相似模擬研究

相似模擬與數(shù)值模擬技術(shù)相似，能更好、更直觀的反映斷層“活化”、運(yùn)動過程，進(jìn)而得以廣泛應(yīng)用。吳基文等[10]以任樓煤礦F3～F4斷層間塊段地層為研究對象，針對煤層回采過程中斷層帶巖體的采動效應(yīng)及斷層下盤含水層的突水性，建立相似材料模型，探討安全回采的可行性，觀測F3斷層帶上巖體位移的變化情況，為合理留設(shè)斷層保護(hù)煤柱提供可靠的試驗(yàn)依據(jù)。

1.4 多方法綜合分析斷層煤柱留設(shè)寬度

除了理論分析，多因素分析，數(shù)值模擬以及相似模擬研究外，還應(yīng)多方法綜合分析斷層煤柱留設(shè)寬度?；诘厍蛭锢砜碧?、理論計(jì)算、灰色關(guān)聯(lián)分析法和LMBP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)開發(fā)綜合評估模型，對綜放回采巷道留設(shè)較大斷層防水煤（巖）柱的問題進(jìn)行了優(yōu)化研究，評價斷層防水煤（巖）柱的可靠性，并提出了相應(yīng)的防治水措施[22-23]。韋乖強(qiáng)等[24]通過礦井瞬變電磁法能夠準(zhǔn)確確定斷層的平面位置及富水程度，并結(jié)合鉆探驗(yàn)證資料及水文地質(zhì)資料，為斷層煤（巖）柱留設(shè)計(jì)算、論證提供了數(shù)據(jù)支撐，同時也對防治斷層水害提供了有利保障。

2 斷層防水煤（巖）柱研究存在的主要問題

1）煤層開采礦山壓力及多場耦合作用考慮不夠全面。截至目前，對于斷層防水煤（巖）柱留設(shè)沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，有的根據(jù)儲量計(jì)算及礦井設(shè)計(jì)要求留設(shè)；有的根據(jù)斷層的落差，人為地留設(shè)斷層防水煤（巖）柱；有的根據(jù)相關(guān)規(guī)程留設(shè)[25]；有的則是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式留設(shè)。而煤層的采動是一個動力場的變化、調(diào)整過程，煤層開采會打破了原始的應(yīng)力平衡，尤其是在斷層附近開采時，原本比較復(fù)雜的構(gòu)造應(yīng)力場，疊加后期采動應(yīng)力場、地下水滲流場、地?zé)釄龅龋瑢?dǎo)致綜合應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生更大的擾動。盡管也有文獻(xiàn)考慮了礦山壓力[7]，但煤層開采形成的礦山壓力作用以及多場耦合作用不可忽視，特別是多場耦合作用及其對斷層活化的定量影響特征方面尚未深入開展。

2）斷層煤柱留設(shè)的影響因素定量化分析有待進(jìn)一步深入研究。影響斷層防水煤（巖）柱寬度留設(shè)的因素很多，涉及的因素主要包括地質(zhì)條件和礦山水文地質(zhì)條件、斷層性質(zhì)、斷層落差、傾角、煤層埋深、煤層可采厚度、煤的抗張強(qiáng)度、開采順序及方法、圍巖類型及其力學(xué)性質(zhì)和產(chǎn)狀、礦山壓力、最大靜水壓力[26]等因素，每位學(xué)者在進(jìn)行研究時考慮的影響因素卻不盡相同。由此可見，斷層防水煤（巖）柱寬度的留設(shè)是基于多種影響因素之上的，應(yīng)明確最重要的影響因素，并將各個因素的影響程度進(jìn)行詳細(xì)、定量化分析，建立適當(dāng)?shù)挠?jì)算模型，以確保煤（巖）柱留設(shè)寬度的合理性。具體礦井條件不盡相同，應(yīng)做到具體情況具體分析[27-28]，以指導(dǎo)礦井防治水工作，服務(wù)礦井安全生產(chǎn)。

3）斷層帶、斷層影響帶以及伴生斷層的滲透性變化規(guī)律研究較少。斷層帶、斷層影響帶及其伴生斷層的存在，導(dǎo)致巖體滲透性發(fā)生較大的變化，也為地下水的運(yùn)動提供了有利條件，但其滲透性變化規(guī)律研究成果偏少。而且，以往斷層防水煤（巖）柱的留設(shè)方法在一定程度上忽略了煤（巖）柱的滲透性變化規(guī)律和斷裂構(gòu)造形成的斷層影響帶、以及伴生斷層破碎帶的導(dǎo)水特點(diǎn)，在確定煤柱寬度時候簡單的將斷層面作為一個面存在，而不是將兩盤的導(dǎo)水破裂帶可以看成是一個含水體對待，導(dǎo)致煤柱寬度過窄，增加了斷層水害發(fā)生的潛在威脅[29]。當(dāng)然，斷層煤（巖）柱預(yù)設(shè)過寬，會造成大量的煤炭資源不能得到有效合理的利用。因此，煤柱留設(shè)應(yīng)根據(jù)每個斷層的特征設(shè)計(jì)合理的寬度，既保證煤炭資源的合理、高效開采，又可避免斷層突水事故的發(fā)生。

4）數(shù)值模擬設(shè)置條件較為理想化，未真實(shí)刻畫斷層應(yīng)力狀態(tài)。數(shù)值模擬技術(shù)作為研究斷層煤柱寬度的有效手段，表現(xiàn)出了巨大的優(yōu)越性，但從目前的數(shù)值模擬研究成果來看，數(shù)值模擬過程中對斷層基本條件的設(shè)置較為簡單。當(dāng)然受限于基本理論的限制、軟件功能的限制，導(dǎo)致現(xiàn)實(shí)中巖體的非均質(zhì)性、各向異性等特點(diǎn)在模型建立過程中難以實(shí)現(xiàn)。另外，多數(shù)只從空間特征進(jìn)行了設(shè)置，但未對斷層受力狀態(tài)進(jìn)行合理的設(shè)置，這與現(xiàn)場實(shí)際條件相差較大。如斷層的力學(xué)參數(shù)的獲取，斷層影響帶特征、斷層初始應(yīng)力場特征等，特別是隨著開采深度的增加，原始及后期構(gòu)造應(yīng)力起到的作用不可忽視，多數(shù)情況下要大于自重應(yīng)力，而目前的模擬過程未考慮到此種狀況，從而產(chǎn)生較大的誤差。

5）室內(nèi)相似模擬綜合試驗(yàn)平臺尚需完善。室內(nèi)相似模擬再現(xiàn)了煤層開采過程以及斷層狀態(tài)的變化特征，但在試驗(yàn)精度方面、模擬巖層內(nèi)部為“微型”變化特征的表現(xiàn)方面仍不完善，觀測手段、方法略顯單一。相似模擬過程中的多參數(shù)、多狀態(tài)的綜合觀測系統(tǒng)不夠完善，尤其結(jié)合地球物理特性的綜合觀測方面不夠系統(tǒng)，如導(dǎo)電性、聲發(fā)射、微震等地球物理監(jiān)測技術(shù)在斷層面（體）的位移、變形方面結(jié)合程度仍不夠深入。大型二維三維相似模擬平臺建設(shè)不夠完善，大數(shù)據(jù)、可視化技術(shù)、人工智能等新技術(shù)的結(jié)合方面仍有很大的應(yīng)用空間。

6）小型斷層突水機(jī)制及重視程度不夠。不同規(guī)模的斷層對煤層安全、高效的開采影響不盡相同。以往的研究多集中于大型斷層防水煤（巖）柱的留設(shè)，很少針對小型斷層，如落差較小（如落差小于10 m）的斷層進(jìn)行煤柱留設(shè)。但許多突水資料表明，小斷層突水的概率反而很高[30]，如武安市德勝煤礦越界開采8 號煤，工作面上部遇到落差1.5 m 左右的斷層，沒有留設(shè)斷層防水煤柱導(dǎo)致礦井被淹，并造成在下山地區(qū)作業(yè)的29 人死亡。發(fā)生小斷層突水災(zāi)害的主要原因包括：一是小斷層難以全部探查清楚；二是人們對小型斷層的重視程度不夠，認(rèn)為不需要留設(shè)煤柱。但是，隨著開采深度的增加、水壓力的增加，小型斷層也是突水優(yōu)勢面，也容易作為突水通道而引發(fā)水害事故。所以，小型斷層的水害防治、煤柱留設(shè)也應(yīng)予以重視，今后也應(yīng)該根據(jù)小型斷層具體的水文地質(zhì)特征，合理留設(shè)小型斷層的防水煤（巖）柱寬度。

3 斷層防水煤（巖）柱研究展望

1）流-固耦合理論。流-固耦合理論應(yīng)用在巖土體地下水方面有很大進(jìn)步，但關(guān)于防水煤（巖）柱安全評價的文章和研究卻寥寥無幾。因此，開展考慮人為采動影響下，集流-固耦合理論的煤（巖）柱留設(shè)研究更為符合生產(chǎn)實(shí)際條件。

2）最優(yōu)化。目前，中國通常依賴于現(xiàn)有的規(guī)程或者已有的經(jīng)驗(yàn)去設(shè)計(jì)斷層防水煤（巖）柱，但在斷層防水煤（巖）柱的優(yōu)化研究上知之甚少。這種結(jié)果使得斷層有較大煤（巖）柱，與此同時工作面的規(guī)劃和生產(chǎn)系統(tǒng)的布局也會被嚴(yán)重影響，不利于資源的充分利用[6,9,31-32]。因此研究不同典型地質(zhì)、水文地質(zhì)條件下的不同災(zāi)害類型的安全煤柱留設(shè)尺寸的最優(yōu)化是非常有必要的。

3）數(shù)值模擬與相似模擬的高仿真。盡管數(shù)值模擬和相似物理模擬方法存在不足，但不能忽略這2種方法在斷層煤柱留設(shè)研究中的作用。特別是數(shù)值模擬能再現(xiàn)多工況條件下煤層開采的過程，可以結(jié)合大數(shù)據(jù)發(fā)展技術(shù)，模擬多條件、深開挖的三維宏觀模型，將現(xiàn)實(shí)中的條件“加載”到數(shù)值模型中，從而更加逼近現(xiàn)實(shí)模型。相似物理模擬具有直觀等優(yōu)點(diǎn)，繼續(xù)發(fā)展三維相似模擬技術(shù)，并將地球物理、大數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)傳輸、可視化技術(shù)、人工智能技術(shù)等結(jié)合，實(shí)現(xiàn)物理模擬的多參數(shù)獲取、表達(dá)。

4）小型斷層的裂隙增滲規(guī)律。以往研究重點(diǎn)多集中于大型斷層方面，而對小型斷層重視不夠。但小型斷層突水事故也常見于報(bào)道。因此，應(yīng)該加強(qiáng)在深部開采、高強(qiáng)度開采條件下，小型斷層擴(kuò)展、貫通、活化機(jī)制、斷層裂隙增滲規(guī)律等方面的研究。

5）東部/西部煤（巖）柱留設(shè)方法與模型。隨著我國東部地區(qū)深部開采范圍、強(qiáng)度的加大，“三高一擾動”將會對煤（巖）柱的穩(wěn)定性、完整性產(chǎn)生較大影響，考慮構(gòu)造應(yīng)力場、采動應(yīng)力場、地下水滲流場、地溫高溫場等因素，開展多場綜合疊加作用下的煤（巖）體力學(xué)變形機(jī)制與規(guī)律研究；開展多煤層開采互饋影響條件下的煤（巖）體變形破壞特征研究；開展西部礦井弱膠結(jié)巖體-滲流-采動應(yīng)力綜合作用下的煤（巖）體穩(wěn)定性研究等；建立起符合我國煤礦不同典型地質(zhì)條件下的煤（巖）柱留設(shè)方法與模型參考。

4 結(jié) 語

我國針對斷層防水煤（巖）柱的研究成果十分豐富，這些研究成果對減少斷層突水事故的發(fā)生，改善我國煤礦安全生產(chǎn)狀況、提高煤炭資源利用率起到了至關(guān)重要作用。但基于斷層防水煤（巖）柱留設(shè)的復(fù)雜性，地質(zhì)、水文地質(zhì)條件、開采方法等多樣性與差異性，仍需總結(jié)典型地質(zhì)計(jì)算模型，開展基于煤層采動條件下的，數(shù)值模擬與相似模擬的高仿真研究、小型斷層的裂隙增滲規(guī)律、集流-固耦合理論的煤（巖）柱留設(shè)和優(yōu)化等方面研究，為防治我國礦井?dāng)鄬铀μ峁└嗟募夹g(shù)保障。