五沟煤矿F6 断层缩小保护煤柱可行性研究

王道坤 ，牛 辉 ，解 建 ，胡 伟 ，张培森

（1.安徽皖北煤电集团有限责任公司，安徽 宿州 234001；2.山东科技大学 矿业工程国家级实验教学示范中心，山东 青岛 266590）

由于我国煤炭资源开采强度不断增加，浅部易采煤炭资源逐步开采殆尽，特殊地质构造条件下所赋存的煤炭资源的安全开采成为当前需要解决的重点问题之一；但是，因为矿井地质构造的复杂性，当前要实现安全开采仍需面对诸多难题，尤其是断层活化导致的底板突水问题，严重制约着煤矿企业向着安全高效的方向发展[1-2]。

断层保护煤柱的留设可以有效地预防由断层引发的突水事故，许多国家都针对不同地质条件、不同回采工艺下的防水煤柱留设，制定了相应的安全规程。印度规定，采场与充水水源的距离不小于60 m；波兰则规定，当回采含水层下的煤层时，在其露头处应留设8 倍煤厚的煤柱，且煤柱宽度不得小于20 m。对于断层突水及煤柱留设问题，国外专家学者侧重于断层形成机理及断层对周边岩体的力学性质影响等领域研究[3-4]，国内的专家学者则侧重于断层突水的机理及其防治等领域研究，二者均取得了长足的进步。WANG 等[5]通过对地质因素（底板岩体性质、断裂构造等）及回采工艺（工作面斜长、推进速度等）对底板破坏深度影响程度的研究，确定了影响承压水上煤层开采时底板破坏最大深度的主要因素为地质条件；张伟杰等[6]基于理论力学，研究底板与断层突水的力学基本情况，推导开采条件下断层的临界突水判据，并依据实际情况对其合理性进行了验证；李博等[7]通过流固耦合分析，将强富水型断层的突水过程分为3 个不同的阶段，并解释了不同阶段的围岩应力、位移、渗流及内部裂隙变化情况；张培森等[8]利用FLAC3D数值模拟软件对工作面开挖过程中断层带的应力演化规律作了较为系统的研究，结果表明随着断层保护煤柱尺寸的减小断层界面出现应力集中现象，煤柱留设尺寸越小断层活化突水可能性越大；刘志军等[9]基于理论分析，利用有限元数值模拟，分析得出断层倾角、断层厚度和断层断距与突水之间的关系，并基于线性回归法提出了正、逆断层的临界保护煤柱宽度拟合关系式；尹会永等[10]通过总结典型地质计算模型，开展基于煤层采动条件下的小型断层的裂隙发育情况及渗流变化特征；朱光丽等[11]利用相似材料模拟实验与自主研制的承压水加载系统，研究了影响承压水导升高度的相关因素，得出承压水导升高度与工作面距断层的距离近似呈负线性关系，与水压力、断层带宽度呈正相关性。在国内外专家的研究之下，目前针对断层煤柱留设问题已经形成较为完善的系统理论并且运用于国内的大部分矿区，以此来确定安全的断层保护煤柱宽度，保证工作面回采过程中的安全性。

但是，在煤矿的实际开采过程中，断层保护煤柱的宽度一般按照相应规范中的规定留设，并未考虑不同的地质情况对煤柱留设宽度的影响，往往导致在断层附近留设了过多的煤柱，虽然保证了回采过程中的安全性，但从资源回收的角度，断层附近压煤量大，资源浪费严重。为此，以五沟煤矿F6断层为研究对象，分析缩小断层留设的保护煤柱宽度，提高资源采出率的可行性。

1 工程背景

五沟煤矿是临涣矿区的一部分，总体上为一个受断层切割、且以向斜为主的复式褶皱构造组合；向斜的轴部呈反S 形，矿井内地质条件极为复杂，工作面受水患威胁严重，矿井内共发育断层545 条，大部分为正断层，断层走向主要以近北东向为主。

该矿当前主要采掘活动范围为二采区西翼，主要涉及的工作面包括1024、1026、1028 工作面，其中1026 工作面已回采完成，1024、1028 工作面作为采掘接替工作面，是当前需要重点研究的工作面。

1024、1028 工作面位于二采区西翼，其中1028 工作面机巷、风巷分别沿F6、DF60断层掘进，巷道走向与断层走向基本一致，工作面起止标高为-320～-420 m，平均走向长度1 350 m，平均倾向长度150 m；1024 工作面机、风巷分别沿F7、F6断层近走向掘进，巷道设计走向长度约701 m，平均倾向长度为170 m，工作面起止标高为-410～-440 m。

在研究区域内存在大型断层F6、F7断层，对1024、1028 工作面的安全回采影响程度较大；本次仅针对F6断层，研究其注浆加固后缩小煤柱留设宽度的可行性。由三维地震探查成果可知：F6断层为正断层，错断5 煤～奥灰，走向NS～NE，倾向W～NW，倾角70°，落差0～50 m，区内延展长度2.4 km。在井下由钻孔探查及1022 工作面风巷、机巷实揭资料分析可知：机巷揭示F6断层落差18 m，风巷揭露F6断层落差2 m，且断层呈张性，断面平滑平整，不含（导）水，断层带宽度为0.1～0.5 m。

研究区域内主采煤层为10 煤，煤层开采时主要受太原组灰岩含水层威胁，太原组地层由石灰岩、泥岩、粉砂岩及薄煤层组成，以石灰岩为主，有11～12 层石灰岩；地下水主要储存和运移在石灰岩岩溶裂隙网络之中，富水性主要取决于岩溶裂隙发育的程度，岩溶裂隙发育具有不均一性，因此，富水性也不均一，其中一～四灰岩溶裂隙发育，水动力条件好，含水丰富。

研究区域内的10 煤至太灰间正常间距为38.87～49.29 m，平均44.73 m，10 煤层下至太灰间隔水层（段）岩性主要为泥岩和粉砂岩，夹1～20 层砂岩，局部有砂泥岩互层，岩性较致密，隔水性较好，正常地层条件下，工作面回采受太灰水的影响程度小，但若受断层影响导致间距缩短或煤层与太灰对口，则有可能造成“底鼓”或断层突水。

2 F6 断层合理煤柱留设宽度

2.1 F6 断层不导水时防隔水煤（岩）柱合理留设

根据五沟煤矿在井下对F6断层的实揭资料可知，F6断层为不含（导）水断层，依据《煤矿防治水细则》，得到的煤层位于含水层上方且断层不导水时防隔水煤（岩）柱留设图如图1。

图1 煤层位于含水层上方且断层不导水时防隔水煤（岩）柱留设图Fig.1 Drawing of water proof coal （rock） pillar when the coal seam is above the aquifer and the fault does not conduct water

断层不含（导）水时防隔水煤（岩）柱的留设尺寸，应当保证含水层顶面与断层面交点至煤层底板间的最小距离，在垂直于断层走向的剖面上大于安全防隔水煤（岩）柱宽度Ha，但不得小于20 m。Ha应根据矿井实际观测资料确定，也可按如下公式计算：

式中：Ha为安全防隔水煤（岩）柱的宽度，m；Ts为临界突水系数，MPa/m；p为防隔水煤（岩）柱所承受的实际水头值，MPa；10 为保护层厚度，一般取10 m。

通过对F6断层附近的水文长观孔水5 孔测得的太灰水位标高分析，近年来水位呈下降趋势，回采工作面受太灰水突水威胁逐年降低，但依据《煤矿防治水细则》，计算断层防隔水煤（岩）柱留设宽度时，应取近3 年水位最大值，故灰岩水位取-245.84 m。

F6断层带附近岩体较为破碎，在该区域临界突水系数取0.06 MPa/m，1028 工作面在邻近F6断层处最深的标高为-440 m 左右，与太灰距离75.28 m，结合1024、1028 工作面与F6断层的空间层位关系，按三维地震测得F6断层最大落差计算时，得到的F6断层的防隔水煤（岩）柱宽度见表1。

表1 F6 断层的防隔水煤（岩）柱宽度Table 1 Width of water proof coal （rock） pillar of F6 fault

由F6断层的安全防隔水煤（岩）柱宽度，得到F6断层的防隔水煤（岩）柱宽度，煤层位于含水层上方且断层不导水时防隔水煤（岩）柱留设图如图2。

图2 煤层位于含水层上方且断层不导水时防隔水煤（岩）柱留设图Fig.2 Drawing of water proof coal （rock） pillar when the coal seam is above the aquifer and the fault does not conduct water

由图2 可知：太灰水对F6断层下盘回采无影响，无需留设防隔水煤（岩）柱；但F6断层上盘需留设55 m 防隔水煤（岩）柱。

2.2 F6 断层导水时防隔水煤（岩）柱合理留设分析

受采动影响，F6断层活化成为含（导）水断层时，防隔水煤（岩）柱的留设应当考虑2 个方向上的压力，即煤层底板隔水层能否承受下部含水层的压力和断层水在顺煤层方向的压力。

当考虑底部压力时，其计算公式为：

式中：L1为考虑承受含水层压力的煤柱留设宽度，L1≥20 m；α为断层倾角，（°）。

当考虑断层水在顺煤层方向上的压力时，计算公式为：

式中：L2为考虑承受断层水压力的煤柱留设宽度，L2≥20 m；K为安全系数，一般取2～5；M为煤层厚度或采高，m；Kp为煤的抗拉强度，MPa；按矿区经验取值，煤的抗拉强度Kp一般为0.2～1.4 MPa。

通过计算得到F6断层为含（导）水时的安全防隔水煤（岩）柱宽度，煤层位于含水层上方且断层导水时防隔水煤（岩）柱留设图如图3，考虑断层水在顺煤层方向上的压力时F6断层留设防隔水煤（岩）柱宽度见表2，考虑底部压力时F6断层留设防隔水煤（岩）柱宽度见表3。

表2 考虑断层水在顺煤层方向上的压力时F6 断层留设防隔水煤（岩）柱宽度Table 2 Width of water proof coal （rock） pillar reserved for F6 fault when the pressure of fault water along the coal seam is considered

表3 考虑底部压力时F6 断层留设防隔水煤（岩）柱宽度Table 3 Width of water resisting coal（rock）pillar reserved for F6 fault considering bottom pressure

图3 煤层位于含水层上方且断层导水时防隔水煤（岩）柱留设图Fig.3 Drawing of water proof coal （rock） pillars when the coal seam is above the aquifer and the fault conducts water

当F6断层活化成为含水或导水断层时，煤柱留设宽度取顺煤层方向上压力及煤层底板隔水层承受下部含水层水的压力所得计算结果的最大值，F6断层上、下盘需留设的煤柱宽度分别为67.22 、58.35 m。

3 F6 断层煤柱缩小可行性分析

3.1 注浆范围计算

断层的岩体结构一般比较破碎，常充填软泥和风化碎屑，并可能成为导通富水岩层与工作面的通道，其岩体自承载能力差，不利于煤层的安全回采；而底板注浆技术是通过浆液充填封堵底板含水层存在的导水裂隙，在煤层开采期间，将底板含水层变成隔水层，起到隔水作用，从而增强抵抗承压水对底板的破坏的能力。目前工作面底板灰岩注浆带压开采技术，在预防断层突水、围岩加固等方面得到广泛应用，在防治煤层底板灰岩突水事故方面取得了显著成效[12-15]。太灰岩层注浆范围如图4。

图4 太灰岩层注浆范围Fig.4 Grouting range of the limestone strata

按照三维地震测的F6断层最大落差计算时，太灰水会对1 024 工作面造成影响，为保障研究区域10 煤回采过程中的安全性及减小煤柱留设，故对断层破碎带、太灰及下部含水岩层进行注浆处理，分析确定太灰及下部岩层需要注浆处理的范围。

3.2 注浆钻孔布设和注浆工艺

由于1024 工作面位于F6断层上盘，工作面与对盘的灰岩含水层距离较近，且工作面风巷走向基本与F6断层走向一致，故将钻场沿工作面风巷布置，每隔80 m 施工1 组，每个钻场内布设3个注浆钻孔，同时施工1 个注浆效果检验孔，共计6 个钻场，18 个注浆孔及6 个注浆效果检验孔。

针对1024 工作面底板灰岩含水层富水性强、水头压力大的特点，在常规注浆加固工艺的基础上，本次注浆加固采取分段注浆、反复透孔注浆的方法，即在注浆过程中，为避免底板岩体破碎严重，难以成孔的现象，采取钻、注交替作业的方式，每次钻孔注浆分段长度3～5 m；但是在对更低层位的底板注浆时，可能因为前一段注浆后的岩层尚存有裂隙，或者上部已加固区域抗压强度较低，在对后一段较深区域注浆时较高的注浆压力会造成上一段加固区域重新产生裂隙，浆液重新进入新产生的裂隙之中，难以进入到深部需要注浆的裂隙中；因此，在分段注浆的基础上，采取反复透孔注浆，二者配合，以保证注浆加固效果。

3.3 煤柱缩小可行性

在对F6断层及F6断层下盘灰岩含水层注浆加固完成以后，通过施工注浆检验孔，分析检验孔取心情况及检查孔施工过程中的钻孔出水量情况，评价底板灰岩含水层及F6断层的注浆加固效果，达到预期的注浆目标后，可以缩小断层煤柱的留设宽度。

断层带及含水岩体注浆加固后，Ts取0.1 MPa/m，计算获得F6断层为不含（导）水时安全防隔水煤（岩）柱的宽度。F6断层安全防隔水煤（岩）柱宽度见表4。

表4 F6 断层安全防隔水煤（岩）柱宽度Table 4 Width of F6 fault safety water proof coal （rock） pillar

由计算结果可得安全防隔水煤（岩）柱的宽度涉及范围，注浆后断层保护煤柱留设图如图5。

图5 注浆后断层保护煤柱留设图Fig.5 Setting of fault protection coal pillar after grouting

由图5 可知：在对F6断层及底板含水层进行注浆加固以后，该断层可不留设断层保护煤柱。

4 数值模拟

Flac3D是基于有限差分法的数值模拟软件，在模拟岩土或其他材料的三维力学行为方面有着广泛的应用；为了研究F6断层合理的煤柱留设宽度，针对F6断层现场钻探资料，利用Flac3D数值模拟软件建立模型，对工作面回采过程中留设不同宽度保护煤柱时，断层活化的程度及断层带、断层保护煤柱附近的突水危险性进行分析。

4.1 方案设计及参数优化

采用Flac3D数值模拟软件中的莫尔-库仑模型，按照五沟煤矿的回采工作面接替顺序，模拟1026工作面回采完成后，先采1024 工作面，后采1028工作面的回采过程；在此过程中，分别计算了1024工作面留设20、15、10、5、0 m 煤柱时，1028 工作面无煤柱开采，以及1024、1028 工作面均留设15、10、5、0 m 煤柱时，工作面回采对F6断层的影响程度。模型简化示意图如图6。

图6 模型简化示意图Fig.6 Simplified schematic diagram of model

模型主要涉及的岩性参数包括弹性模量E、泊松比λ、黏聚力c、内摩擦角 φ，抗拉强度σ等；采用的主要岩层的物理力学参数，在对模型进行参数赋值时，已对拟注浆范围内的岩层进行相应的参数优化，用以分析注浆加固后工作面回采对断层的影响程度。主要岩层的物理力学参数见表5。

表5 主要岩层的物理力学参数Table 5 Physical and mechanical parameters of main rock strata

4.2 数值模拟结果

受1024 工作面留设不同煤柱影响，1028 工作面无煤柱开采对F6断层影响程度随着1024 工作面留设煤柱宽度逐渐减小，在1024 工作面回采完成后，回采1028 工作面所导致的工作面顶、底板塑性破坏范围逐渐增大，塑性破坏区与断层对接区域逐渐增大，F6断层塑性破坏程度加深，活化程度加剧。1024 工作面留设不同煤柱时1028 工作面不留设煤柱塑性破坏特征图如图7，1024、1028工作面留设相同煤柱时塑性破坏特征图如图8。

图7 1024 工作面留设不同煤柱时1028 工作面不留设煤柱塑性破坏特征图Fig.7 Plastic failure characteristics of 1028 working face without coal pillars and 1024 working face with different coal pillars

由图7 可知：当1024 工作面煤柱留设宽度为20 m 时，其回采完成后，1028 工作面无煤柱开采所引发的塑性破坏区域并未波及断层，此时F6断层并不影响1028 工作面煤层的开采；随着1024工作面断层保护煤柱宽度减小，当1024 工作面煤柱留设宽度为15、10 m 时，受1024、1028 工作面回采影响，断层带附近岩体破坏加剧，但断层带附近的破坏区域与1024、1028 工作面回采导致的塑性破坏区域并未完全联通，此状况下1028 工作面回采引发断层活化突水的可能性小；当1024工作面留设煤柱为5 m 时，此时受工作面回采影响，断层两侧破坏区域与工作面底板塑性破坏区域完全联通且波及太灰含水层，断层活化突水危险性增大。

由图8 可知：当2 个工作面均留设15、10 m煤柱时，由于工作面离断层较远，F6断层未发生破坏；随着煤柱尺寸缩小至5 m 时，F6断层发生零星破坏，且与1024、1028 工作面围岩塑形破坏区域均与产生了零星连接，此时工作面回采受底板灰岩水威胁较小；当2 个工作面均不留设煤柱时，F6断层活化加剧，且工作面围岩塑性破坏区与断层对接区域增大，并与底板灰岩导通，此条件下工作面回采受太灰水威胁严重。

在原本的1024 工作面设计中，F6断层留设的保护煤柱宽度为30 m，在注浆加固后，通过合理计算，F6断层可以实现无煤柱开采；同时结合数值模拟计算结果，并且为了确保安全生产，F6断层注浆加固后仍需留设10 m 煤柱，故在注浆加固后实际缩小的保护煤柱宽度为20 m。

5 结 语

为了提高煤炭资源采出率，针对五沟煤矿F6断层，研究断层煤柱缩小可行性，通过对研究区域内底板灰岩含、隔水层的水文地质特征研究，结合F6断层与其相邻工作面的空间层位关系，采用数值模拟的方法分析不同宽度煤柱留设下断层对工作面回采的影响程度；根据数值模拟计算结果：随着煤柱宽度缩小，工作面回采导致断层带周围岩体影响程度及破坏范围越大，引发断层活化的可能性越大，危险性越大；F6断层上、下盘均需留设10 m 以上煤柱才能保证工作面安全开采。采用理论分析的方法，对F6断层不导水及导水2种情况下的断层对工作面安全回采的影响程度进行分析，确定了底板注浆加固范围。通过对断层破碎带、太灰及下部含水岩层进行注浆处理，结合三维地震与井下实揭资料，对注浆加固后的F6断层煤柱缩小可行性进行分析，在注浆加固以后，根据理论计算结果及数值模拟计算结果，F6断层可以留设10 m 煤柱宽度，与原本的设计相比，缩小了20 m 保护煤柱宽度，可以有效提高资源采出率。