煤矿断层防水煤柱预设的研究

贾礼祥

（西山煤电集团公司屯兰矿，山西 太原 030206）

0 引言

我国的煤炭开采量和存储量是世界上较大的国家之一，虽然近年来风电、太阳能、核电等新型清洁能源都有了快速的发展，但煤炭作为我国主要能源，始终在消耗资源中占第一位[1-2]。在煤矿未开采之前，断层并不具有导水性；在煤矿的开采过程中，虽然矿井设有防水煤柱，因未考虑断层活化的因素，若防水煤柱预留太宽则浪费资源，预设太窄则不安全。随着煤层的开采，断层在采动效应的影响下逐渐出现了活化的现象，为生产埋下了安全隐患，偶发的断层突水事故仍然造成了巨大的人员伤亡和重大的经济损失，因此对断层活化机理的研究和计算预设防水煤柱的宽度具有重要的指导意义[3-5]。

1 研究区概况

1.1 孔庄矿井概况

孔庄煤矿位于江苏省和山东省的交汇处，位置交通便利，总面子约为44.14km2，东西长约为12.98km，南北宽约为3.4km，如图1所示。

图1 孔庄煤矿位置示意图

1.2 矿井地质条件

1）煤层情况，孔庄煤矿是华北型，属于石炭二叠系地层，主要由下石盒子组、山西组及太原组等组成。下石盒子组主要以岩石、砂岩等为主，仅存少量煤线；山西组为主要含煤层，煤层平均厚度109.5m，共含煤有 5层，编号为 6#、7#、7下#、8#、8下#，主要开采煤层为7#和8#层，含煤量高，厚度6.69m，在F6-6断层的下面；太原组主要以泥岩、砂岩和煤层为主。

2）地构情况，孔庄井田走向是东北向，并向西北当方倾斜，倾角11°～32°，如图2所示。由于矿井多期开采，受地构的影响，井田发现大量断层，但未发现明显的褶曲，据统计，有183条落差为3m～5m的小型断层，有143条落差大于5m的中、大型断层，如图2所示。井田内共有2个陷落柱，分别位于I4工作面和7192工作面，使用电流法对7192工作面的陷落柱进行探测，发现该陷落柱位于四灰以上且充填体弱含水，深部越深含水量越弱，并呈直立状态。

图2 孔庄地构简图

1.3 矿井水文地质条件

由图2可知，孔庄矿井四周都有中、大型断层的正在发育，平均落差大于100m，且矿井导水性很差，于是使得孔庄矿井形成一个独立的、半封闭的地质单元。本文主要以影响F6-6的断层的K17、K59、20-39、02-1等含水层进行检验分析，测量水质PH值＜7，呈弱酸性，为 HCO3--SO42--Ca2+-（K++Na+）型，如表 1所示。

表1 水质抽验结果表

2 F6-6断层水文地质概况

1）断层地质分析，F6-6断层落差 77～156 m，贯穿整个井田，呈抛物线型，南北两头落差大，中间落差小，断层延伸长度约为3.89km，是孔庄煤矿开采过程中必须要控制的断层之一。受地质结构运动的影响，对F6-6断层的上、下构造岩取样分析，成分为泥岩、砂质泥岩和煤。

图3 瞬间电磁法结果图

2）断层水性分析，为了判断断层的含水性和导水性，使用瞬间电磁法分别以15°、45°和75°测量断层，发现断层较为破碎、电阻率小且富水性好，测量结果如图3所示。由图3可知，F6-6断层含水性和导水性较差且基本不含水。

3 F6-6断层活化机理研究

断层突水主要有两种，分别为揭露型的断层突水和滞后型的断层突水。揭露型的断层突水其本身含水量大或富水型好，主要发生在巷道掘进或回采过程中；而滞后型的断层突水情况正好相反，含水量低且导水性差，仅为导水通道。根据上文分析，孔庄F6-6属于滞后型的断层，因滞后型断层活化成因复杂和煤层的采动效应的不可预期性，其危害性远大于揭露型的断层活化。

3.1 断层活化模型的创建

1）底板支护，根据研究资料，煤层的底板应力分布分为：煤层前方的应力集中区、采空区的应力降低区、已采区域的应力回复区，结合矿山压力与岩层控制理论，在煤矿开采的过程中，在采动效应的影响下，原岩应力会发生重新分布，如图4所示。

图4 底板支护压力分布

2）断层活化力学模型，断层的活化成因复杂且受采动效应的影响较大，结合对F6-6断层的勘探资料及查阅相关文献资料，将煤层顶部岩层等效成弹性体，底部支护的应力等效成平面体的载荷，建立断层的力学模型，如图5所示。

图5 断层活化力学模型

由图5可知，随着开采的向前推进，因采动效应形成的Ⅱ应力集中区和Ⅲ应力降低区越来越靠近断层破碎带，断层逐渐形成活化的现象。

3）活化的必要条件，为分析断层受力情况，如图5所示，将断层左、右两边煤岩层简化成均匀介质的弹性体，在竖直方向上，受Ⅱ应力集中区和Ⅲ应力降低区的最大应力，在水平方向上，受最小压应力，如图6 所示[6]。

图6 断层活化受力简图

由图6可知，经受力分解，得到断层受到的剪切应力τn为：

式中：σ1为最大主应力，MPa；α为断层倾角，°；σ3为最小主应力，MPa；

由摩尔库伦破坏准则知[7]，依据煤层的勘探，断层左、右两侧煤岩体的抗剪切应力τmax为：

式中：C为煤岩层的粘结系数；φ为煤岩体的内摩擦角，°；

当 τn≥τmax时，断层开始活化。

4）FLAC3D断层模型的建立，依据勘探资料及上文分析，将断层模型简化成500m×200m×120m的弹性体单元，如图7所示。为了简化模型，在竖直方向上，把岩体的重力等效成大小均匀的分布载荷；在水平方向上，把岩体的水平分力等效成大小均匀的分布载荷。根据煤层实际开采情况，把模型底部的走向方向、倾向方向与垂直方向的速度和位移设置成固定约束，模型四周的走向和倾角方向设置成固定约束，模型顶部为自由约束，建立如图7所示的FLAC3D模型。

图7 断层的FLAC3D模型

3.2 断层的FLAC3D模型结果分析

1）参数赋值，依据上文对断层活化的分析和研究，选取主要影响因素断层倾角、煤层深度、工作面推进距离、断层带内摩擦角等为研究参数，查阅相关勘探资料，各参数赋值如表2所示。

表2 断层参数赋值表

2）结论分析，以断层交线为基点，沿断层倾角方向左、右面各50m煤岩层为断层活化的研究范围，利用FLAC3D软件以不同断层倾角为变量，做出活化量的位移图，如图8所示。

图8 断层活化位移曲线图

由图8可知，断层深度越深，由断层倾角引起的断层活化位移量的变化量越小，断层倾角与断层位移活化量不呈单调关系，在断层深度小于50m时，相对于大倾角的断层，小倾角的断层位移活化量变化较大；当断层大于50m时，因断层倾角引起的断层活化量基本一致且逐渐减小。

4 F6-6断层防水煤柱的预设

查阅《煤矿防治水规定》和相关文献资料，得到优化后的预防煤柱的计算公式[8]。

式中：L0为预设煤柱的宽度，m；M为煤层开采厚度，m；P 为静水压力，MPa；Kp为煤层的抗拉强度，MPa；K为安全系数，取2-5；

根据孔庄矿区的勘探资料，F6-6断层附近的7#煤层某一年最大水位为+12.4m，7#煤层的煤的抗拉强度为0.98MPa，安全系数取5，不同勘探线的其余参数如表3所示。

将以上参数代入预设煤柱L0中，分别得到各勘探线的预设防水煤柱的宽度为 53.07m、59.41、44.52m、49.57m，各预设防水煤柱宽度＞20m，满足使用要求。

表3 勘探线的参数表

5 结语

本文通过模拟分析断层FLAC3D模型，分析断层活化机理，计算出预设防水煤柱的宽度，不仅保证了煤矿的安全开采，并且解决了之前预设防水煤柱过宽或过窄的难题，对以后类似断层煤矿的开采具有关键指导性的意义。

（收稿日期：2019-9-26）

[2]宋卫东，赵增山，王浩.断层破碎带与采准巷道围岩作用机理模拟研究[J].金属矿山，2004（2）:11-13.

[3]高召宁，郑志伟，潘继良等.采动与承压水藕合作用下煤层底板的力学效应及破坏机理分析[J].中国安全生产科学技术，2016,12（3）:10-14.

[4]卜万奎，茅献彪.断层倾角对断层活化及底板突水的影响研究田.岩石力学与工程学报，2009,28（2）:386-394.

[5]武强，刘金韬，董东林等.煤层底板断裂突水时间弱化效应机理的仿真模拟研究--以开滦赵各庄煤矿为例[J].地质学报，2001,75（4）:554-561.