深部大斷層保護(hù)煤柱合理寬度研究

黃洪濤 鄧重青 李繼路

（微山金源煤礦，山東 濟(jì)寧 277600）

井工開采留設(shè)斷層煤柱是常用的災(zāi)害防治方法[1-2]。近年來，煤炭開采深度和強(qiáng)度逐漸增加，斷層防水等問題更加突出：落差大、延展長的區(qū)域斷裂構(gòu)造，在區(qū)域范圍內(nèi)造成了奧灰含水層與可采煤層的直接對(duì)接，嚴(yán)重威脅了礦井安全開采[3]；深部煤層在采動(dòng)過程中，將對(duì)斷層穩(wěn)定性造成影響，并可能引起斷層活化或煤柱失穩(wěn)，繼而易發(fā)礦井水害[4-5]。

微山金源煤礦存在典型的深部大斷層，潛在斷層失穩(wěn)和活化導(dǎo)水等威脅。為保障近斷層工作面安全開采，需要根據(jù)實(shí)際條件進(jìn)行采前針對(duì)性的保護(hù)煤柱寬度研究。鑒于此，在大屯斷層水文地質(zhì)條件基礎(chǔ)上，擬建立斷層上盤開采斷層活化力學(xué)模型，并用數(shù)值模擬煤層開采應(yīng)力分布和塑性區(qū)變化特征，揭示近斷層煤層采動(dòng)條件下斷層活化與留設(shè)煤柱寬度之間的關(guān)系，為安全合理的防水煤柱寬度確定提供依據(jù)。

1 工程背景

金源煤礦已開采多年，剩余可采儲(chǔ)量較少，且位于西部二采區(qū)，該區(qū)域受邊界大屯斷層的影響大。揭示的大屯斷層為北部邊界斷層，走向近EW，傾向S，傾角70°，落差范圍80～600 m，煤礦內(nèi)延展長度約8750 m，斷層下盤奧陶紀(jì)含水層與上盤含煤地層對(duì)接，威脅二采區(qū)3 煤的安全開采。如圖1。

2 上盤開采斷層活化力學(xué)判據(jù)

2.1 力學(xué)模型建立

為了研究采場斷層在采動(dòng)作用下的活化機(jī)理，假定斷層的上、下盤為彈性巖體，斷層面即為上下盤的接觸面，斷層初始活化的標(biāo)志為上下盤產(chǎn)生剪切運(yùn)動(dòng)，建立如圖2 所示的平面簡化斷層受力狀態(tài)模型。其中：斷層結(jié)構(gòu)面傾角為β（°）；斷層受到的最大主應(yīng)力為σ1（MPa），方向垂直向下；最小主應(yīng)力σ2（MPa），方向水平。

圖2 平面簡化斷層受力狀態(tài)模型

作用于結(jié)構(gòu)面上的剪應(yīng)力τxy（MPa）、正應(yīng)力σn（MPa）分別為：

若斷層結(jié)構(gòu)面具有粘聚力C和摩擦系數(shù)f=tanφ，φ為巖石內(nèi)摩擦角，（°），以壓應(yīng)力為正，則由庫侖定律知結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度為：

進(jìn)一步得到斷層結(jié)構(gòu)面上扣除抗剪力后的剩余剪應(yīng)力為：

式（3）表明，斷層結(jié)構(gòu)面的滑移變形是由剩余剪應(yīng)力τ'作用產(chǎn)生的。

2.2 斷層滑移失穩(wěn)判據(jù)

采場底板巖體處于三向壓應(yīng)力狀態(tài)，工作面推進(jìn)過程中，推進(jìn)方向上的支承壓力變化由正常壓力→壓力增加→峰值支承壓力，通常條件，采場的覆巖自重應(yīng)力（正常壓力）和峰值支承壓力簡化為：

式中，γ為覆巖容重，kN/m3；H為開采深度，m；k為應(yīng)力集中系數(shù)，無量綱。

可以確定當(dāng)斷層結(jié)構(gòu)面處于峰值支承壓力影響區(qū)時(shí)，結(jié)構(gòu)面變形最大，相應(yīng)的力學(xué)條件為：

式中：λ為側(cè)壓系數(shù)，無量綱。

由以上進(jìn)一步得到作用于斷層結(jié)構(gòu)面上的剪應(yīng)力、正應(yīng)力表達(dá)式：

如果斷層結(jié)構(gòu)面發(fā)生剪切滑動(dòng)需要式（7）滿足條件：τ'≥0，則滑移變形臨界角β0：

由β0表達(dá)式定性分析，可以得出：

（1）采動(dòng)影響和應(yīng)力越大（k越大），斷層越易滑移。因此，對(duì)相似開采條件的礦井，開采深度越大，斷層越易活化。

（2）煤柱寬度越大（ 越大），斷層越不易發(fā)生滑移。因此，在水平應(yīng)力較大的煤田，斷層不易活化。

（3）斷層產(chǎn)狀和其他開采條件一定情況下，可通過留設(shè)合理煤柱寬度和降低采動(dòng)影響（應(yīng)力集中），達(dá)到控制斷層穩(wěn)定的目的。

3 開采斷層采動(dòng)效應(yīng)模擬

3.1 模型建立

采動(dòng)斷層活化及煤柱的合理尺寸可借助數(shù)值模擬來確定。FLAC3D軟件對(duì)大型變形及扭曲現(xiàn)象尤為適用。以金源煤礦二采區(qū)鉆孔揭露的地質(zhì)資料為基礎(chǔ)確定相關(guān)參數(shù)，模型尺寸確定為長×寬×高=350 m×300 m×200 m，斷層傾角為70°，煤厚均選用設(shè)計(jì)采高3.2 m。為了簡化計(jì)算，煤層設(shè)計(jì)為水平煤層，煤層埋深選取研究區(qū)最大埋深（900 m左右），模型上方取780 m 巖層的自重通過施加垂向的載荷實(shí)現(xiàn)。模型側(cè)邊界施加水平約束，底邊界施加水平及垂直約束，模型前后左右均為不透水邊界。計(jì)算分析判據(jù)采用摩爾—庫倫強(qiáng)度準(zhǔn)則。為了分析煤層開采過程中圍巖及斷層處重分布應(yīng)力的變化特征，設(shè)置的各監(jiān)測點(diǎn)位置及編號(hào)如圖3。

圖3 應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn)布置

3.2 模擬結(jié)果分析

模擬工作面與斷層距離為90 m、70 m 時(shí)，圍巖垂直應(yīng)力分布與塑性區(qū)分布。工作面距斷層90 m：采動(dòng)造成斷層煤柱塑區(qū)開始快速增加；工作面距斷層70 m：斷層煤柱塑區(qū)廣泛分布，采動(dòng)開始對(duì)斷層穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。結(jié)果如圖4、圖5，具體如下：

圖4 工作面距斷層90 m

圖5 工作面距斷層70 m

（1）工作面推進(jìn)距斷層90 m，煤層頂、底板巖層中塑性區(qū)完全呈似“馬鞍形”，塑性破壞區(qū)范圍繼續(xù)加大，已經(jīng)具有一定規(guī)模。垂直應(yīng)力圖顯示出垂直應(yīng)力在覆巖內(nèi)影響范圍不斷擴(kuò)大，其形態(tài)趨向改變，拱形范圍不斷增大，采動(dòng)煤柱塑性影響明顯。

（2）工作面推進(jìn)距斷層70 m，由于工作面的不斷推進(jìn)，頂?shù)装迤茐睦^續(xù)發(fā)展，底板塑性區(qū)向斷層發(fā)育的趨勢更為明顯，形成不對(duì)稱的“馬鞍形”破壞區(qū)，采動(dòng)造成斷層煤柱圍巖穩(wěn)定性急劇降低（斷層煤柱局部破壞）。此時(shí)斷層仍保持穩(wěn)定，但還未出現(xiàn)整體破壞。

斷層面覆巖監(jiān)測結(jié)果如圖6 所示。工作面與斷層間距不小于80 m 時(shí)，各監(jiān)測點(diǎn)應(yīng)力基本無變化；工作面開采至距斷層70 m的位置時(shí)，受壓應(yīng)力作用，斷層內(nèi)部出現(xiàn)應(yīng)力增大現(xiàn)象；當(dāng)工作面距斷層寬度小于40 m 后，應(yīng)力增大程度加劇。表明隨著工作面向斷層方向的推進(jìn)，煤層采動(dòng)對(duì)斷層的擾動(dòng)越來越大。工作面前方支承壓力區(qū)范圍大致為50 m，最大應(yīng)力約為50 MPa。工作面底板監(jiān)測如圖7 所示，監(jiān)測點(diǎn)3上4 表明工作面開采至距斷層90 m 處，該監(jiān)測點(diǎn)處應(yīng)力開始增大。

圖6 覆巖斷層監(jiān)測點(diǎn)豎向應(yīng)力

圖7 底板處監(jiān)測點(diǎn)豎向應(yīng)力

模擬分析結(jié)果表明，為了保證斷層的絕對(duì)穩(wěn)定（斷層煤柱不發(fā)生失穩(wěn)，且避免斷層受到明顯采動(dòng)影響），大屯斷層保護(hù)煤柱寬度D1=90 m，并根據(jù)局部區(qū)域的埋深、斷層落差和傾角變化等，進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

4 大屯斷層防水煤柱綜合確定

（1）合理大屯斷層保護(hù)寬度，需要考慮保證采動(dòng)條件下煤柱圍巖穩(wěn)定和斷層失穩(wěn)控制的“安全性”需要。根據(jù)本文理論研究，大屯斷層保護(hù)煤柱理論寬度D1=90 m。考慮工作面回采期間還可能受大屯斷層伴生及派生斷層的影響，而進(jìn)一步弱化斷層煤柱強(qiáng)度及其完整程度，需要適當(dāng)增加煤柱寬度（即考慮安全系數(shù)，參考文獻(xiàn)[2,5]研究和經(jīng)驗(yàn)，本文取安全系數(shù)k=1.1），得到大屯斷層保護(hù)煤柱合理寬度Ds1（單位：m）：

依據(jù)實(shí)際參數(shù)，得到Ds=1.1×90=99 m。

（2）查閱了《煤礦防治水細(xì)則》斷層煤柱設(shè)計(jì)規(guī)范，以及考慮結(jié)合大屯斷層實(shí)際落差條件，滿足“合規(guī)性”大屯斷層保護(hù)煤柱寬度Ds2≥75～86 m。

綜合“安全性”與“合規(guī)性”兩個(gè)方面，大屯斷層煤柱留設(shè)寬度Ds（單位：m）為 ：

為了進(jìn)一步方便現(xiàn)場技術(shù)管理，實(shí)際寬度取整數(shù)，即Ds=100 m。目前，金源煤礦西部二采區(qū)采用上述煤柱留設(shè)，已經(jīng)完成了2318、2320 等工作面安全開采，現(xiàn)場效果良好。

5 結(jié)論

（1）建立了深部大斷層滑移失穩(wěn)力學(xué)模型，推導(dǎo)了斷層失穩(wěn)的臨界判據(jù)，得到通過合理增加煤柱寬度和降低開采擾動(dòng)實(shí)現(xiàn)斷層活化控制的力學(xué)依據(jù)。

（2）數(shù)值模擬對(duì)比了不同煤柱寬度條件下采場圍巖應(yīng)力和塑性變化，得到了金源煤礦西部二采區(qū)大屯斷層合理保護(hù)煤柱寬度為100 m。

（3）本文研究模型和方法，有助于評(píng)估斷層活化的可能性，作為斷層煤柱設(shè)計(jì)參考驗(yàn)證依據(jù)。