地堑区工作面断层防水煤柱合理留设研究

王 利 李 瑶 王忠雪

（1.山东济宁运河煤矿有限责任公司，山东 济宁 272055；2.山东科技大学资源学院，山东 泰安 271019）

我国地下水文地质环境复杂，矿井水害事故频发，阻碍着煤炭产业的发展。断层活化突水事故在煤矿工作面底板突水事故中占比较高，对工作面安全生产及地表生态环境产生巨大影响，造成了严重的经济损失[1-2]。断层活化使得裂隙不断发展，当覆岩裂隙与断层大面积导通时，就会导致工作面发生突水灾害[3]。合理留设防水煤柱是解决断层活化突水问题的主要方案之一[4-5]。阳城煤矿1315 工作面位于两断层形成的地堑内，轨顺及切眼邻近DF53断层、皮顺邻近FD105 断层布设。使用FLAC3D数值模拟软件，在其他条件不变的情况下，研究在DF53 断层落差不同情况下和在FD105、DF53 断层留设不同煤柱宽度时，工作面回采过程中周围岩体的应力、塑性破坏规律，为断层的煤柱留设宽度合理设计确定提供依据，为今后矿井安全生产及矿井突水的治理提供参考。

1 工程概况

1315 工作面主采煤层为3 煤，工作面标高为-490～-660 m，地 面 标 高+37.5～+39.8 m，工作面走向长460 m，倾斜宽139 m，煤岩层倾角22°～32°，平均27°左右，煤层厚度为7.20 m，属于稳定煤层。3 煤直接顶板为泥岩，中部相变为粉砂岩，偶为碳质泥岩，大多以伪顶形式出现，直接底板为泥岩或粉砂岩。1315 工作面与FD105和DF53 断层相邻，FD105 断层倾角为70°，落差为0～10 m，DF53 断层倾角为70°，落差为10～35 m，均为正断层。DF53 对回采影响程度小，但是FD105 对回采影响程度较大。

2 模型的建立

根据研究目的，建立长宽高=700 m×450 m×400 m 数值模拟模型，选取工作面的推进方向为X 轴，工作面的倾斜方向为Y 轴，模型的竖直方向为Z 轴，具体网格划分如图1。对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，模型顶部自由。对模型顶部未模拟的覆岩等效为均布荷载：q=∑γh=27 000×375=10.125 MPa。模型采用FLAC3D数值模拟软件中的Mohr-Coulomb模型，主要岩层的物理力学参数见表1。模拟方案为固定FD105 断层落差为10 m，设置DF53 断层落差为10 m、20 m、35 m 对照组，研究当两侧断层分别留设不同尺寸煤柱，采动对覆岩和断层的影响。

图1 模型网格划分

3 FD105/DF53 断层数值模拟分析

3.1 覆岩应力场变化规律

在FD105、DF53 断层留设不同煤柱宽度时，DF53 断层落差分别为10 m、20 m、35 m 情况下，模拟分析工作面回采过程中周围岩体的应力、塑性破坏规律。

如图2 所示，在断层其他条件不变的情况下，DF53 断层落差越大，煤柱宽度相同时正应力和剪应力均越小，这是由于断层的阻隔作用且工作面在DF53 断层的下盘。随着两断层煤柱留设宽度不断增大，正应力和剪应力整体呈现逐渐减小的趋势，可以看出FD105 断层处煤柱处于5 m、DF53 断层处煤柱大于10 m 时，正应力整体变化缓慢，但当FD105 断层处煤柱15 m 时正应力变化较大。最大主应力随着煤柱宽度增大而逐渐减小，煤柱宽度越大断层活化突水的危险性就越低。

图2 不同宽度煤柱应力变化规律

以最不利情况即DF53 断层落差为10 m 时进行分析。如图3 所示，对于正应力，随着保护煤柱的不断扩大，卸压区域不断减小，对含水层的影响逐渐减小，直至几乎不再波及。同时，采空区两端由于煤壁的支承压力作用产生两个应力集中区，该应力集中区呈现随着煤柱的增大逐渐从两侧断层向中间转移的特征，由此可见断层对于应力的阻隔作用十分明显。

图3 DF53 落差10 m 正应力变化云图

如图4 所示，对于剪应力，随煤柱增大，剪应力在减小的同时，工作面两端的应力集中区位置不同，且在两断层煤柱均较宽时，该应力升高区整体呈现中心对称形状特征。具体表现为FD105 正的应力集中区位于煤层以下，负的应力集中区位于煤层以上，而DF53 断层正负值剪应力集中区位置相反。随着煤柱不断增大，工作面两端的应力集中区范围逐渐向采空区中部倾斜，上下两部分应力集中区域随着煤柱的不断增大，剪应力变小，向下对含水层影响变小，对断层影响范围逐渐减小，影响范围约束在左右两侧断层内。

图4 DF53 落差10 m 剪应力变化云图

3.2 覆岩破坏塑性区变化规律

图5 为DF53 落差10 m 断层留设不同宽度煤柱时塑性破坏图，随着断层煤柱宽度变小，中间塑性区域逐渐相连接，塑性破坏区由“圆拱形”逐步过渡为“马鞍形”，并最终变为“中部马鞍、整体圆拱”形态。对于断层破坏情况，直至煤柱均缩小到20 m 时，FD105 断层仍未发生塑性破坏，DF53断层受到影响较小；当断层煤柱宽度都降低至15 m或10 m 时，FD105 断层也未发生塑性破坏，DF53断层塑性破坏区有零星接触。当FD105 断层煤柱为10 m 或者5 m 时，DF53 断层煤柱越小，塑性区贯通面积越大。

图5 FD105&DF53 断层不同宽度煤柱塑性破坏图

DF53 断层煤柱留设5 m 时，发生大面积贯通，可知DF53 断层煤柱不能小于10 m。FD105 断层煤柱降低至5 m 时，塑性区域开始主要集中于工作面一端，对FD105 断层存在影响，FD105 断层煤柱宽度留设5 m 可以确保安全。

4 结论

1）在其他条件不变的情况下，DF53 断层落差越大，采动应力对断层影响就越小，工作面越安全。

2）通过分析FD105 断层及DF53 断层煤柱缩短过程中工作面覆岩的应力场特征，随着在两断层煤柱留设宽度不断增大，正应力和剪应力呈现逐渐减小的趋势。

3）煤柱均缩小到10 m 时，FD105 也未发生塑性破坏，DF53 有零星接触。DF53 断层煤柱留设5 m 时，发生大面积贯通。综合可得：DF53 及FD105 断层煤柱宽度分别约为10 m、5 m 时能实现工作面安全开采。