楊柳礦小沈家斷層煤柱留設合理性研究

吳詩勇，時帥印，黃 楷

(安徽理工大學地球與環(huán)境學院，安徽 淮南 232001)

隨著國家經(jīng)濟快速發(fā)展，煤炭等礦產(chǎn)資源需求日益緊張[1-2]，而地下煤層賦存條件較為復雜，不易開采，事故頻發(fā)[3-4]。在煤炭開采過程中絕大多數(shù)突水事故是由隱伏斷層引起的，斷層作為重要的突水通道，許多專家學者進行了長期的大量的研究[5-8]。文獻[9]通過建立不同傾角斷層的三維地質模型，研究得出小傾角正斷層比大傾角正斷層對底板突水影響大等結論。文獻[10]建立主、次斷層的三維地質模型，模擬采動過程中對斷層活化的影響，研究得出次生斷層的存在易造成斷層活化等結論。因此，在礦井生產(chǎn)安全的前提下，如何合理留設防水煤巖柱的尺寸，提高開采工作面煤炭回收率，顯得愈益重要。

本文根據(jù)楊柳礦10412工作面實際地質條件，采用FLAC3D來模擬采動條件下斷層活化對煤層頂、底板及采空區(qū)的影響，確定留設斷層保護煤柱的合理寬度，為礦區(qū)安全生產(chǎn)及防突水提供理論依據(jù)和參考。

1 工作面地質概況

10412工作面位于楊柳煤礦井田中部，介于戴廟斷層與小沈家斷層之間(見圖1)。10412是10煤采區(qū)工作面。 10煤層原始沉積較好，以單一煤層出現(xiàn)，煤層厚度0～7.97m，平均厚2.95m。該工作面煤巖呈近S-N向延伸，傾向東，傾角1°～10°。煤層頂、底板以中砂巖、粉砂巖為主。工作面采用自由垮落的方式管理頂板。

圖1 楊柳煤礦構造簡圖

南部小沈家斷層呈NE-SW向延伸，傾向SE，傾角在50°～70°之間，延伸長度約10km，落差20～220m。斷層上盤以細砂巖為主，下盤以泥巖為主；斷層面有擦痕，有少量淋水。

2 數(shù)值模擬

2.1 模型構建

模擬區(qū)位于10412工作面南部，包含小沈家斷層。選取模型長300m，沿巖層走向；寬250m，沿斷層延伸方向；高120m，沿豎直方向。

根據(jù)小沈家斷層展布情況，本次地質模型選取的斷層傾角為60°，落差30m，斷層帶寬5m。各巖層按水平地層處理，煤層厚度選取3m。劃分模型網(wǎng)格總數(shù)49 410，網(wǎng)格節(jié)點數(shù)53 816(見圖2)。

圖2 三維地質模型

2.2 模擬條件及模型運行

模擬采用摩爾-庫倫本構模型。四周及底面固定，頂部邊界為活動面。模型埋深440m，上覆巖層平均密度取2 280kg/m3，則上部巖層等效荷載為9.8MPa。頂、底面只受上覆巖層荷載的垂向作用，四周無剪切力。

相關巖石力學參數(shù)如表1所示。

表1 巖石力學參數(shù)

工作面從煤層走向100m處開挖，向斷層方向推進。分五次開挖，每次開挖20m。

3 模擬結果分析

3.1 應力分布

最大主應力云圖(見圖3a～圖3d)顯示，應力變化主要表現(xiàn)在豎直方向，從采空區(qū)到工作面，大致形成卸壓區(qū)、應力集中區(qū)、初始狀態(tài)區(qū)3個區(qū)域。卸壓區(qū)主要分布在采空區(qū)四周，其中頂板應力明顯高于底板；應力集中區(qū)出現(xiàn)在煤壁附近，向外圍逐漸過渡到初始應力區(qū)。隨著煤層開采向前推進，應力集中區(qū)隨之前移，卸壓區(qū)逐漸擴大，工作面與斷層之間的初始應力區(qū)逐漸縮小。當開挖90m時，應力影響范圍靠近斷層帶，頂板應力集中區(qū)最先抵達斷層帶(見圖3e)，斷層下盤近斷層處應力未超過煤巖強度。繼續(xù)開挖5m后，斷層附近應力增大，導致水平方向應力超過巖石的抗拉強度(見圖3f)，出現(xiàn)明顯的導水裂隙面，造成工作面附近巖石破碎區(qū)與斷層破壞區(qū)相連通，形成導水通道。

(a)開挖20m (b)開挖40m

圖4為煤層頂板2m處工作面開挖方向應力分布，坐標原點處表示斷層位置。工作面推進過程中，卸壓區(qū)向斷層方向逐漸擴展， 煤壁前后集中應力逐漸增大， 從初始應力11.20MPa達到20.4MPa， 且煤柱寬度逐漸減小， 直至出現(xiàn)溝通斷層帶的導水裂隙，此時垂向應力值達到20.61MPa，此后則逐漸減小。

圖4 頂板應力分布圖

3.2 頂、底板變形特征

工作面的開挖，造成采空區(qū)圍巖擾動明顯，開始出現(xiàn)塑性變形。從模擬變形云圖(見圖5)來看，巖石變形區(qū)呈“馬鞍”型，相對于開挖面大致呈對稱分布。當工作面推進20m時(見圖3a)，頂、底板圍巖破壞區(qū)域小，主要集中在采空區(qū)中部，其前后煤壁均發(fā)生塑性變形，且頂板變形大于底板。隨著工作面不斷推進(見圖5b～圖5d)，頂、底板變形加劇，采煤工作面附近塑性區(qū)不斷擴大，頂板塑性區(qū)與斷層帶之間的有效隔水寬度越來越小。當工作面推進90m時(見圖5e)，采空區(qū)頂、底板破壞嚴重，頂板塑性區(qū)抵達斷層；在此基礎上，再往前推進5m(見圖5f)，頂板破壞帶與斷層帶導通，斷層導水，易引起煤層突水事故，此時工作面距離斷層帶36.53m。

(a)開挖20m (b)開挖40m

4 斷層煤柱的留設寬度

根據(jù)《煤礦防治水細則》[11]，斷層區(qū)采煤，煤柱留設寬度計算公式為

(1)

式中：K為安全系數(shù)，一般取2～5；M為煤層的厚度，m；P為斷層煤柱承受的水壓，MPa；FP為煤層的抗拉強度，MPa。

將K=4，M=2.95m，P=3.0MPa，F(xiàn)P=0.26MPa代入式(1)得L=34.12m。

從以上模擬結果來看，此臨界寬度必然會造成采動引起斷層活化，導致開采引起的頂板破壞帶與斷層帶導通，形成導水通道，容易引發(fā)突水事故。因此，10412工作面小沈家斷層防水煤柱留設寬度應不小于36.53m。

5 結論

本文主要采用數(shù)值模擬方法，對楊柳礦10412工作面小沈家斷層區(qū)在采動條件下煤層頂、底板變形及應力分布進行了研究，并確定了小沈家斷層防水煤柱留設的合理寬度。

(1)沿工作面推進方向，從采空區(qū)到斷層帶，應力大致形成卸壓區(qū)、應力集中區(qū)、初始狀態(tài)區(qū)三個區(qū)域；

(2)巖石變形區(qū)主要集中在采空區(qū)中部，呈“馬鞍”型，隨著工作面的推進，頂、底板圍巖破壞區(qū)域擴大，塑性變形區(qū)逐漸靠近斷層帶；

(3)當工作面推進95m時，集中應力超過斷層帶圍巖強度導致下盤巖石出現(xiàn)裂縫，造成頂板破壞帶與斷層帶導通，形成導水通道，易引發(fā)突水事故；

(4)根據(jù)采動過程中頂、底板變形及應力分布特征，建議10412工作面小沈家斷層防水煤柱留設寬度應不小于36.53m。