斷層活化及防水煤柱留設(shè)數(shù)值模擬研究

王 利 王忠雪 李 瑤

（1.山東濟(jì)寧運(yùn)河煤礦有限責(zé)任公司，山東 濟(jì)寧 272055；2.山東科技大學(xué)資源學(xué)院，山東 泰安 271019）

隨著我國淺部煤炭資源開發(fā)殆盡，并且煤炭需求量逐年遞增，我國未來要轉(zhuǎn)向深部開采，深部煤層賦存條件越來越復(fù)雜，特別是斷層構(gòu)造使開采難度大大增加[1-2]，因此，開展斷層發(fā)育對工作面開采產(chǎn)生的影響的研究非常重要。在采動影響下，斷層上盤和下盤沿斷層面發(fā)生相對滑移，引起斷層活化現(xiàn)象，使得斷層的導(dǎo)水性增加，更容易形成突水通道[3-4]。當(dāng)前，國內(nèi)外學(xué)者針對采動影響下斷層活化機(jī)理與其發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了一系列研究。彭文慶等[5]運(yùn)用各力學(xué)理論推導(dǎo)了不同斷層傾角的防水煤柱寬度計算公式。師維剛等[6]通過建模分析，對防水隔離煤柱重新分區(qū)，規(guī)范了相關(guān)經(jīng)驗參數(shù)取值，使得防水煤柱設(shè)計更加全面。姜耀東等[7]通過在斷層模型中添加監(jiān)測點(diǎn)，觀察法向應(yīng)力和剪應(yīng)力變化以研究斷層活化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)工作面距離斷層越近，斷層越易于活化。程浩等[8]模擬研究了斷層在采動影響下對煤層頂?shù)装遄冃蔚挠绊戇^程，對比發(fā)現(xiàn)斷層情況下更容易引發(fā)突水危險。吳俊達(dá)等[9]使用相似材料模擬試驗與數(shù)值模擬兩種方法，對采動影響下斷層的活化特征和煤柱留設(shè)進(jìn)行了分析。楊本水等[10]研究斷層對煤層圍巖的影響程度，發(fā)現(xiàn)斷層情況下預(yù)留合適長度的煤柱可以有效預(yù)防水害。朱光麗等[11]、張培森等[3][12][13]、王浩杰等[14]利用數(shù)值模擬方法對斷層活化突水的影響因素、覆巖運(yùn)動破壞形態(tài)、底板裂隙延伸特征等展開研究。

隨著煤炭資源開采深度和強(qiáng)度的持續(xù)增加，斷層活化導(dǎo)致的突水災(zāi)害嚴(yán)重威脅生產(chǎn)安全，因此，為了防止斷層以及斷層附近裂縫造成工作面突水，需要留設(shè)尺寸合理的斷層保護(hù)煤柱。通過CAE 近些年發(fā)展，使用有限差分?jǐn)?shù)值模擬的方法可模擬斷層在留設(shè)不同寬度防水煤柱時的活化程度，可以為工作面留設(shè)防水煤柱的尺寸提供參考依據(jù)[15]。本文通過分析 FLAC3D模擬留設(shè)不同寬度煤柱時，煤層開采過程中覆巖應(yīng)力場變化規(guī)律、塑性區(qū)破壞特征及孔壓和水流速度變化特征，然后綜合對比分析，為斷層防水保護(hù)煤柱寬度留設(shè)提供依據(jù)。

1 地質(zhì)概況

陽城煤礦1311 綜采放頂煤工作面走向長度517 m，傾向長度200 m，煤層埋深在-410～-640 m，煤巖層傾角平均20°，3 煤厚度平均7.2 m。煤層及頂板層理發(fā)育，內(nèi)生裂隙較多；1311 工作面可能引起水害的主要充水含水層為山西組3 煤層頂板砂巖含水層、石炭系太原組三灰以及斷層水，其中3 煤頂板砂巖為直接充水含水層。工作面存在一正斷層為FD121 斷層，F(xiàn)D121 斷層走向45°，傾向315°，傾角50°，落差20～50 m。

2 數(shù)值模擬模型建立

合理的計算范圍對確保計算精度至關(guān)重要，本次模擬確定了如下的計算范圍：模型尺寸長×寬×高=825 m×200 m×265 m。根據(jù)研究目的，對斷層上、下盤煤層及煤層直接頂網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，網(wǎng)格劃分如圖1 所示。在模型的四周邊界均約束水平位移，底部邊界約束水平位移和垂直位移，上邊界為自由面。本模型所受的重力載荷梯度為25 kPa，上邊界模擬巖層等效均布荷載q=Σγh=2500×9.8×350 ≈8.58 MPa。根據(jù)大量的巖石力學(xué)試驗以及工程類比可以得知，Mohr-Coulomb準(zhǔn)則能較好地反映出巖石破壞特性，因此選取Mohr-Coulomb 本構(gòu)模型進(jìn)行分析。模擬計算所采用的巖體力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 各種巖性的物理力學(xué)參數(shù)

圖1 模型網(wǎng)格劃分

利用數(shù)值模擬軟件FLAC3D，分析1311 工作面開采對FD121 斷層活化的影響。方案一為模擬斷層防水煤柱寬度分別留設(shè)33 m、27 m、22 m、16 m和11 m 時，煤層開采過程對斷層活化的影響；方案二為當(dāng)斷層防水煤柱寬度設(shè)定在27 m 不變情況下，在煤柱部分工作面只采不放，逐漸縮小開采部分的煤柱尺寸為22 m、16 m、11 m 時，煤層開采過程對斷層活化的影響。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 煤層開采過程中覆巖應(yīng)力場特征

由圖2（a）可知，隨著工作面推進(jìn)，防水煤柱寬度越小，最大剪應(yīng)力和最大主應(yīng)力均呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢。煤柱分別為33 m、27 m、22 m、16 m 和11 m 時，工作面采動對應(yīng)的正應(yīng)力分別為4.75 MPa、4.82 MPa、4.91 MPa、5.40 MPa 和5.36 MPa，對應(yīng)的最大剪應(yīng)力分別為2.42 MPa、2.48 MPa、2.52 MPa、2.59 MPa 和2.77 MPa，對應(yīng)的最大主應(yīng)力分別為2.66 MPa、2.68 MPa、2.78 MPa、2.88 MPa 和3.11 MPa，留設(shè)11 m 煤柱較33 m 煤柱分別增長12.8%、14.5%和16.9%。當(dāng)防水煤柱寬度大于16 m 時，正應(yīng)力隨防水煤柱寬度的減小而逐漸增長，且在22 m 時增長趨勢更加明顯。防水煤柱寬度小于16 m 時，正應(yīng)力隨防水煤柱寬度的減小而緩慢減小，正應(yīng)力在防水煤柱寬度為11 m 時較之16 m 時降低了約0.7%。

圖2 不同寬度防水煤柱應(yīng)力場特征

由圖2（b）可知，“開采”部分煤柱分別為27 m、22 m、16 m、11 m 時，工作面采動對應(yīng)的正應(yīng)力分別 為4.82 MPa、4.90 MPa、4.91 MPa、5.45 MPa，對應(yīng)的剪應(yīng)力分別為2.482 MPa、2.526 MPa、2.524 MPa、2.465 MPa，對應(yīng)的最大主應(yīng)力分別為2.681 MPa、2.773 MPa、2.777 MPa、2.967 MPa?？梢钥闯觯S著工作面的推進(jìn)，正應(yīng)力和最大主應(yīng)力逐漸增大，而剪應(yīng)力除了由27 m 變?yōu)?2 m 時略有增大外，其他均逐漸減小。

3.2 煤層開采過程中斷層位移變化

由圖3 可知，隨著工作面的推進(jìn)，F(xiàn)D121 斷層面上的位移整體呈現(xiàn)增大趨勢，煤柱尺寸縮減至33 m 時，斷層面上開始有明顯位移，但總的來說，位移顯現(xiàn)不明顯；煤柱尺寸縮減至22 m 后，斷層面上的各個監(jiān)測點(diǎn)位移都較之前有了大幅度的增加。從四個位移監(jiān)測點(diǎn)的監(jiān)測結(jié)果可看出，斷層下盤位移測點(diǎn)受煤層開采影響產(chǎn)生的滑移量較上盤要大，因為下盤監(jiān)測點(diǎn)離開采煤層的距離較近，同時受到斷層帶的阻隔作用，使得上盤滑移量較小。在方案二中FD121 斷層面上的位移整體不明顯，且與方案一相同的是，斷層下盤位移測點(diǎn)產(chǎn)生的滑移量較上盤要大。

圖3 斷層面位移變化圖

3.3 煤層開采過程中塑性區(qū)演化特征

圖4 展示了兩個方案在采動過程中塑性區(qū)演化特征。如圖4 所示，隨著煤柱寬度縮短，工作面頂、底板巖層均呈現(xiàn)不同程度的破壞，塑性區(qū)向著斷層方向延伸且頂板的覆巖破壞范圍較之底板要大得多。留設(shè)煤柱寬度為33 m 和27 m 時，頂板塑性區(qū)有零星模擬單元與FD121 斷層接觸，同時斷層上盤出現(xiàn)較小區(qū)域塑性破壞區(qū)。當(dāng)留設(shè)22 m 煤柱時，頂板塑性區(qū)與FD121 斷層的接觸單元面積增大，且塑性區(qū)開始越過斷層，在斷層上盤附近出現(xiàn)零星塑性區(qū)單元；當(dāng)留設(shè)煤柱寬度為16 m、11 m 時，頂板塑性區(qū)面積進(jìn)一步增大，且下盤塑性區(qū)越過FD121 斷層與上盤塑性區(qū)接觸。因此，可認(rèn)為煤柱寬度小于22 m 后斷層被活化，形成導(dǎo)水通路，工作面存在較大突水危險性。

圖4 不同寬度防水煤柱覆巖破壞特征圖

與方案一相同，工作面頂板的覆巖破壞范圍較之底板要大得多，但在 “采”部分的煤柱尺寸逐漸縮小的過程中，頂、底板的塑性破壞區(qū)均未發(fā)生顯著的破壞區(qū)擴(kuò)大現(xiàn)象，僅在當(dāng)“采”部分煤柱縮短為11 m 時，斷層上下盤塑性區(qū)連接，整體塑性區(qū)范圍較為增大。可見當(dāng)煤層“只采不放”情況下，將“采”部分煤柱縮短不會引起開采對于上覆巖層以及斷層的進(jìn)一步明顯破壞。采用此種方法，可在保證開采破壞范圍基本不變的情況下，將“采”部分煤層進(jìn)一步解放。

3.4 斷層滲流特征

圖5 為兩種方案在采動過程中的水流矢量圖。由圖得知，當(dāng)方案一留設(shè)煤柱寬度為33 m、27 m、22 m、16 m、11 m 時，最大孔隙壓力分別為7.70 MPa、7.93 MPa、8.28 MPa、8.26 MPa、8.62 MPa，隨著煤柱寬度縮短，靠近斷層附近孔隙壓力值逐漸增大，并且影響范圍均逐漸增大。雖然整體的最大水流矢量并未明顯改變，但是由于煤層持續(xù)開采產(chǎn)生的高集中應(yīng)力致使前方斷層帶附近區(qū)域產(chǎn)生裂隙，而導(dǎo)致區(qū)域的水流流速逐漸加快。具體來說，煤柱為27 m 時水流矢量的箭頭要較33 m 時更長也更密，即水流流速也就更大，但是兩者水流矢量影響并不顯著。當(dāng)煤柱為22 m 時，水流矢量更加明顯，且流向斷層下盤的水流顯著增多。將煤柱進(jìn)一步縮短為16 m 和11 m 時，斷層帶上下盤兩個方向的水流均顯著增多且水流進(jìn)一步顯著增大，斷層的導(dǎo)水性進(jìn)一步明顯提高，大大增加了工作面發(fā)生突水的可能性。

圖5 不同方案防水煤柱水流矢量圖

保持煤柱整體尺寸27 m 不變，逐漸縮小“采”部分的煤柱尺寸，而“放”部分的煤柱不變時，靠近斷層一側(cè)煤柱底板圍巖孔隙壓力同樣隨著工作面的推進(jìn)而逐漸增大，但是相較于方案一，增加的并不明顯；在工作面靠近斷層的區(qū)域，當(dāng)“采”部分的煤柱由27 m 逐漸變?yōu)?2 m 和16 m 過程中，水流矢量變化并不明顯，而當(dāng)煤柱變?yōu)?1 m 時，斷層附近水流矢量增加較為明顯，增加幅度顯著提高。因此可以認(rèn)為，方案二煤柱在前期逐漸減小的過程中，并不會引起破壞范圍以及水壓的顯著變化，但當(dāng)煤柱為11 m 時，破壞范圍及水壓增大明顯，工作面突水可能性顯著提高。

4 結(jié)論

1）防水煤柱的寬度越短，正應(yīng)力、剪應(yīng)力和最大主應(yīng)力均呈現(xiàn)出隨著工作面推進(jìn)逐漸增大的趨勢，各應(yīng)力最大增長位置分別在煤柱16 m、11 m、11 m 處，最大增長率分別為10%、6.9%、8%。隨著煤柱寬度縮短，斷層面位移逐漸增大，煤柱22 m以后位移變化率最大，由于斷層阻隔作用，斷層下盤界面位移比上盤界面位移大。

2）隨著煤柱寬度縮短，塑性區(qū)向著斷層方向延伸，工作面頂、底板巖層均呈現(xiàn)不同程度的破壞，且頂板的覆巖破壞范圍較之底板要大得多。當(dāng)留設(shè)22 m 煤柱時，在斷層上盤附近出現(xiàn)零星塑性區(qū)單元，煤柱寬度為16 m 時，下盤塑性區(qū)越過FD121 斷層與上盤塑性區(qū)接觸，此時可視為已經(jīng)形成導(dǎo)水通路。

3）隨著煤柱寬度縮短，靠近斷層附近孔隙壓力值和影響范圍均逐漸增大。煤柱進(jìn)一步縮短為16 m 和11 m 時，孔壓影響范圍完全穿越FD121 斷層，此時認(rèn)為斷層導(dǎo)水通路基本形成，工作面發(fā)生突水的可能性大大增加。綜合應(yīng)力場特征，塑性區(qū)演化特征和斷層滲流特征，留設(shè)22 m 安全煤柱最優(yōu)，可以有效避免斷層活化突水。

4）當(dāng)煤柱整體尺寸保持27 m 不變，煤柱僅采不放情況下，逐漸縮小“采”部分的煤柱尺寸，而“放”部分的煤柱不變時，當(dāng)“采”部分煤柱分別為27 m、22 m、16 m 時，并不會引起破壞范圍以及水壓的顯著變化，但當(dāng)煤柱為11 m 時，破壞范圍及水壓增大明顯，工作面突水可能性顯著提高。因此，該方案“采”部分的煤柱可減小為16 m。