承压水上工作面采动诱发断层活化及煤柱留设研究

2020-06-19吴俊达孙亚楠闫奋前

煤炭工程 2020年5期

吴俊达，解建，孙亚楠，闫奋前

(1.山东科技大学矿业与安全工程学院，山东青岛 266590；2.山东科技大学矿山灾害预防控制省部共建国家重点实验室培育基地，山东青岛 266590 3.安徽恒源煤电股份有限公司五沟煤矿，安徽宿州 234000)

我国煤矿水文地质条件复杂，大多数煤层在开采过程中均会受到底板突水的威胁，研究结果表明突水事故大部分与断层有着直接的联系[1-3]，且80%以上的突水事故均发生在断层带附近[4-6]。因此，正确认识和分析采动过程中断层活化特征，采取有效手段，防治断层活化突水，保证矿井的安全高效生产，不仅关系到矿井的生产安全和经济效益，也关系到煤炭资源回收和煤炭工业的可持续发展[7-11]。

近年来，国内外研究学者从理论推导、数值模拟等多个角度对断层防水煤柱合理留设问题展开了研究[12-15]，唐东旗等[16]研究了断裂带岩体力学特征以及断层防水煤柱留设，得出断层活化后由底板引起突水。施龙青等[17]建立了底板力学模型，模拟了断层发生活化引起底板突水的过程并进一步分析了矿山压力对底板岩层的破坏情况。刘荣茂[18]通过利用水压致裂的方法对断层煤柱的留设情况进行了研究分析。易伟欣等[19]利用理论计算公式，推导出弱导水断层的留设煤柱宽度。黄凯等[20]利用数值模拟软件，通过对断层带应力演化规律的研究，得出了断层煤柱的合理留设宽度。但目前国内大多学者对断层活化突水及煤柱留设研究手段较为单一，本文以五沟煤矿实际地质条件为基础，通过相似材料试验对工作面回采过程中断层活化特征以及应力演化规律进行了系统的分析，并借助FLAC3D数值模拟软件优化断层防水煤柱合理留设宽度，最终确定了断层防水煤柱留设宽度，为承压水上含断层工作面的安全回采问题提供了理论参考。

1 相似材料试验研究

1.1 研究重点区域地质概况

五沟煤矿1026工作面位于矿井南部，其工作面运输巷南边紧邻DF68断层保护煤柱，工作面风巷北边紧邻DF60断层保护煤柱。本次研究重点为DF68断层，该断层紧邻1026工作面运输巷，为正断层，断层倾角为70°，断层落差为0～35m，区内延展长度为0.82km。开采煤层为10#煤层，平均煤厚为4m，属于厚煤层，煤层倾角8°，属较稳定煤层，煤层埋深为460m，在回采期间主要的突水威胁来自10#煤层底板下方太原组灰岩含水层。1026工作面平面布置如1所示。

1.2 试验模型条件及测点布置

试验运用山东科技大学二维相似材料模拟实验平台，实验台尺寸为：长1900mm、宽220mm、高1800mm。

图1 工作面布置平面图

试验相似条件为：几何常数比为1∶200；容重相似比为1∶1.5；强度相似比为1∶300。在模型煤层中部位置向DF68及DF60断层方向同时推进，模型开采高度为2cm，相当于实际采高4m，每次左右各推进3cm，相当于实际各推进6m，煤层倾角8°属于近水平煤层，因此在试验当中岩层与煤层均水平铺设，两断层破碎带铺设宽度为3cm，断层带充填物多为砂泥岩混合物，模型中1026工作面煤层上方岩层铺设高度为96cm，相当于实际岩层高度192m，煤层下方岩层铺设高度为42cm，相当于实际岩层高度84m。采用千斤顶在模型上方加载的方式，补偿未模拟岩层上覆荷载，根据岩层厚度计算确定补偿量。在煤层开采过程中，着重对DF68断层带破坏情况进行观察并拍照记录。

本次试验采用溧阳金诚测试仪器厂生产的应变式微型压力传感器，该设备具有灵敏度高、尺寸小、操作方便的特点，可实现对工作面回采过程中的应力的检测及监控。在DF68断层下盘界面距煤层距顶板10cm、20cm垂直方向处布设有两个应力传感器分别为测点1和测点2，且两测点距模型边界距离分别为29.55cm及33.19cm，在DF68断层上盘界面距煤层顶板10cm、20cm垂直方向处布设有两个应力传感器分别为测点3和测点4，且两测点距模型边界距离分别为26.55cm及30.19cm，测点1—测点4用来观测DF68断层两盘界面处的应力变化情况，以此来研究分析DF68断层活化特征。布设方案如图2所示。

图2 模型应力测点布置设计图

1.3 工作面采动诱发断层活化及应力演化规律研究

1.3.1 工作面采动诱发DF68断层活化规律研究

工作面开挖后，煤层顶板出现离层、垮落等覆岩运动现象，且随推进距离增大，垮落高度逐渐增大；当DF68断层煤柱宽度为10cm(实际20m)时，煤层顶板出现大面积破坏，且破坏范围已经影响到断层带，DF68断层带内砂泥岩充填物有明显突出的迹象，且DF68断层带微裂隙初次发育，并且具有明显的发育扩展趋势，DF68断层带裂隙初次发育如图3所示。

图3 DF68断层带裂隙初次发育

DF68断层煤柱宽度继续减小，煤层顶板破坏范围继续增大，当DF68断层煤柱宽度减小到7cm(实际14m)时，DF68断层活化加剧，且断层带与采空区形成了导通裂隙，灰岩水会沿着活化断层及裂隙带流入工作面造成突水危险，如图4所示。为了不影响DF68断层下盘工作面的正常回采，根据试验结果及《煤矿防治水细则》规定，在实际生产中断层下盘煤柱留设宽度应不小于20m。

图4 DF68断层带裂隙延伸扩展

1.3.2 工作面推进过程中断层带应力演化规律研究

为了研究DF68断层活化特征，首先要掌握采动过程中，DF68断层的应力演化规律。此次相似材料试验在DF68断层界面处布置有4个应力测点，随着1026工作面的推进，测点1—测点4分别产生了应力变化，如图5所示。

图5 DF68断层界面应力变化曲线

通过具体分析来看，由图5(a)可以看出，由于开挖位置距离各测点距离较远，开采初期，各测点应力都没有反应，当工作面推进步距为25cm时，各测点应力开始有所增加，随着工作面向前推进，应力值逐渐增大；显同一推进步距下，测点1与测点4的应力数据依次减小，分析其原因，测点1靠近回采工作面一侧，而测点4位于远离工作面一侧断层界面，得出距离回采工作面越近的DF68断层界面受采动影响越明显，图5(b)和(a)的应力变化规律基本相同，由于测点2—测点3较测点1—测点4与回采工作面距离更远，在工作面推进到30cm时该测点处断层带才有应力反应。对比发现，图(b)的应力数值较(a)要小，这是由于测点2—测点3与回采工作面距离更远，受采动影响更小。因此工作面距离断层带越近，断层带应力受采动影响越明显，断层活化程度也就越严重。

2 数值模拟研究

2.1 模拟构建

运用FLAC3D三维有限差分数值软件建立以五沟煤矿实际地质结构为基础的固液耦合模型，模型构建有DF68、DF60两条断层，断层倾角相同为70°。本次模拟主要研究DF68断层活化及煤柱留设情况，DF68断层下盘1026工作面斜长为280m，考虑到边界效应及断层的煤柱留设，模拟设计模型总尺寸为：长×宽×高=500m×200m×280m。

2.2 边界条件及主要岩层力学参数

模型四周进行水平位移约束，底部边界进行水平与垂直位移双约束，在模型顶部施加应力荷载，施加荷载大小根据模拟岩层厚度计算，模型顶面施加面力6.6MPa以模拟上覆岩层的自重。灰岩含水层施加实际水压值(3.09MPa)，四周设为不透水边界，以不容许水体通过。力学模型选用莫尔—库伦模型，在流体进程的计算上选用各向同性流体模型。主要岩体的力学参数见表1。

2.3 模拟结果分析

2.3.1 塑性区破坏特征

DF68断层下盘煤柱宽度留设不同时，1026工作面推进开采过程中围岩和断层塑性破坏特征如图6所示。具体分析，当工作面DF68断层下盘煤柱宽度留设50m时，顶板塑性破坏形状呈现“椭圆拱形”，导水裂隙带发育高度为25m，且DF68断层侧煤柱底板破坏范围也相对较小，没有与DF68断层发生相连通；当DF68断层下盘煤柱宽度分别留设40m、30m、25m时，工作面推进过程中顶板塑性破坏由“椭圆拱形”逐渐转变成“马鞍形”、导水裂隙带发育高度逐渐增加且塑性破坏范围也在逐渐扩大，而靠近DF68断层侧的工作面底板塑性区呈面破坏，且有与DF68断层带塑性区接触的趋势，同时断层带的破坏范围也在逐步扩展增大，但与塑性区均未连接成片，且未与DF68断层导通，未形成有效的突水路径；当DF68断层下盘煤柱宽度留设20m时，工作面顶板塑性区已连成片并且与DF68断层带基本导通，此时说明了工作面将面临突水的危害；当工作面煤柱宽度留设至15m时，采动破坏带与DF68断层带之间的导通的范围已经越来越大，导水裂隙带最大发育高度稳定在64m左右，DF68断层活化加剧，表明工作面受突水威胁将更大。综合分析，确定DF68断层防水煤柱不应小于20m，基本上与相似材料试验所得结果相一致。

2.3.2 断层渗流特征

DF68断层下盘留设不同煤柱宽度时，工作面推进过程中断层带孔隙水压力图和孔隙水压力值的变化情况如图7、图8所示。通过对图8具体分析可知，在DF68断层下盘煤柱留设宽度为50m、40m、30m、25m时，孔隙水压值依次为11.4MPa、12.1MPa、12.6MPa、12.7MPa，可以发现水流矢量在缓慢增长，工作面突水威胁也相对较小；当DF68断层下盘煤柱从20m缩小到15m时，断层带的最大孔隙水压值从12.8MPa增大到了15.6MPa，孔隙水压值的陡增说明此时DF68断层带内水流的流速在迅速增加，因此也说明了DF68断层煤柱在小于20m时，工作面突水危险性更大。