地塹區(qū)工作面斷層防水煤柱合理留設研究

王 利 李 瑤 王忠雪

（1.山東濟寧運河煤礦有限責任公司，山東 濟寧 272055；2.山東科技大學資源學院，山東 泰安 271019）

我國地下水文地質環(huán)境復雜，礦井水害事故頻發(fā)，阻礙著煤炭產業(yè)的發(fā)展。斷層活化突水事故在煤礦工作面底板突水事故中占比較高，對工作面安全生產及地表生態(tài)環(huán)境產生巨大影響，造成了嚴重的經濟損失[1-2]。斷層活化使得裂隙不斷發(fā)展，當覆巖裂隙與斷層大面積導通時，就會導致工作面發(fā)生突水災害[3]。合理留設防水煤柱是解決斷層活化突水問題的主要方案之一[4-5]。陽城煤礦1315 工作面位于兩斷層形成的地塹內，軌順及切眼鄰近DF53斷層、皮順鄰近FD105 斷層布設。使用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，在其他條件不變的情況下，研究在DF53 斷層落差不同情況下和在FD105、DF53 斷層留設不同煤柱寬度時，工作面回采過程中周圍巖體的應力、塑性破壞規(guī)律，為斷層的煤柱留設寬度合理設計確定提供依據(jù)，為今后礦井安全生產及礦井突水的治理提供參考。

1 工程概況

1315 工作面主采煤層為3 煤，工作面標高為-490～-660 m，地 面 標 高+37.5～+39.8 m，工作面走向長460 m，傾斜寬139 m，煤巖層傾角22°～32°，平均27°左右，煤層厚度為7.20 m，屬于穩(wěn)定煤層。3 煤直接頂板為泥巖，中部相變?yōu)榉凵皫r，偶為碳質泥巖，大多以偽頂形式出現(xiàn)，直接底板為泥巖或粉砂巖。1315 工作面與FD105和DF53 斷層相鄰，F(xiàn)D105 斷層傾角為70°，落差為0～10 m，DF53 斷層傾角為70°，落差為10～35 m，均為正斷層。DF53 對回采影響程度小，但是FD105 對回采影響程度較大。

2 模型的建立

根據(jù)研究目的，建立長寬高=700 m×450 m×400 m 數(shù)值模擬模型，選取工作面的推進方向為X 軸，工作面的傾斜方向為Y 軸，模型的豎直方向為Z 軸，具體網格劃分如圖1。對模型四周進行水平位移約束，底部邊界進行水平與垂直位移雙約束，模型頂部自由。對模型頂部未模擬的覆巖等效為均布荷載：q=∑γh=27 000×375=10.125 MPa。模型采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件中的Mohr-Coulomb模型，主要巖層的物理力學參數(shù)見表1。模擬方案為固定FD105 斷層落差為10 m，設置DF53 斷層落差為10 m、20 m、35 m 對照組，研究當兩側斷層分別留設不同尺寸煤柱，采動對覆巖和斷層的影響。

圖1 模型網格劃分

3 FD105/DF53 斷層數(shù)值模擬分析

3.1 覆巖應力場變化規(guī)律

在FD105、DF53 斷層留設不同煤柱寬度時，DF53 斷層落差分別為10 m、20 m、35 m 情況下，模擬分析工作面回采過程中周圍巖體的應力、塑性破壞規(guī)律。

如圖2 所示，在斷層其他條件不變的情況下，DF53 斷層落差越大，煤柱寬度相同時正應力和剪應力均越小，這是由于斷層的阻隔作用且工作面在DF53 斷層的下盤。隨著兩斷層煤柱留設寬度不斷增大，正應力和剪應力整體呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，可以看出FD105 斷層處煤柱處于5 m、DF53 斷層處煤柱大于10 m 時，正應力整體變化緩慢，但當FD105 斷層處煤柱15 m 時正應力變化較大。最大主應力隨著煤柱寬度增大而逐漸減小，煤柱寬度越大斷層活化突水的危險性就越低。

圖2 不同寬度煤柱應力變化規(guī)律

以最不利情況即DF53 斷層落差為10 m 時進行分析。如圖3 所示，對于正應力，隨著保護煤柱的不斷擴大，卸壓區(qū)域不斷減小，對含水層的影響逐漸減小，直至幾乎不再波及。同時，采空區(qū)兩端由于煤壁的支承壓力作用產生兩個應力集中區(qū)，該應力集中區(qū)呈現(xiàn)隨著煤柱的增大逐漸從兩側斷層向中間轉移的特征，由此可見斷層對于應力的阻隔作用十分明顯。

圖3 DF53 落差10 m 正應力變化云圖

如圖4 所示，對于剪應力，隨煤柱增大，剪應力在減小的同時，工作面兩端的應力集中區(qū)位置不同，且在兩斷層煤柱均較寬時，該應力升高區(qū)整體呈現(xiàn)中心對稱形狀特征。具體表現(xiàn)為FD105 正的應力集中區(qū)位于煤層以下，負的應力集中區(qū)位于煤層以上，而DF53 斷層正負值剪應力集中區(qū)位置相反。隨著煤柱不斷增大，工作面兩端的應力集中區(qū)范圍逐漸向采空區(qū)中部傾斜，上下兩部分應力集中區(qū)域隨著煤柱的不斷增大，剪應力變小，向下對含水層影響變小，對斷層影響范圍逐漸減小，影響范圍約束在左右兩側斷層內。

圖4 DF53 落差10 m 剪應力變化云圖

3.2 覆巖破壞塑性區(qū)變化規(guī)律

圖5 為DF53 落差10 m 斷層留設不同寬度煤柱時塑性破壞圖，隨著斷層煤柱寬度變小，中間塑性區(qū)域逐漸相連接，塑性破壞區(qū)由“圓拱形”逐步過渡為“馬鞍形”，并最終變?yōu)椤爸胁狂R鞍、整體圓拱”形態(tài)。對于斷層破壞情況，直至煤柱均縮小到20 m 時，F(xiàn)D105 斷層仍未發(fā)生塑性破壞，DF53斷層受到影響較?。划敂鄬用褐鶎挾榷冀档椭?5 m或10 m 時，F(xiàn)D105 斷層也未發(fā)生塑性破壞，DF53斷層塑性破壞區(qū)有零星接觸。當FD105 斷層煤柱為10 m 或者5 m 時，DF53 斷層煤柱越小，塑性區(qū)貫通面積越大。

圖5 FD105&DF53 斷層不同寬度煤柱塑性破壞圖

DF53 斷層煤柱留設5 m 時，發(fā)生大面積貫通，可知DF53 斷層煤柱不能小于10 m。FD105 斷層煤柱降低至5 m 時，塑性區(qū)域開始主要集中于工作面一端，對FD105 斷層存在影響，F(xiàn)D105 斷層煤柱寬度留設5 m 可以確保安全。

4 結論

1）在其他條件不變的情況下，DF53 斷層落差越大，采動應力對斷層影響就越小，工作面越安全。

2）通過分析FD105 斷層及DF53 斷層煤柱縮短過程中工作面覆巖的應力場特征，隨著在兩斷層煤柱留設寬度不斷增大，正應力和剪應力呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢。

3）煤柱均縮小到10 m 時，F(xiàn)D105 也未發(fā)生塑性破壞，DF53 有零星接觸。DF53 斷層煤柱留設5 m 時，發(fā)生大面積貫通。綜合可得：DF53 及FD105 斷層煤柱寬度分別約為10 m、5 m 時能實現(xiàn)工作面安全開采。