錢(qián)營(yíng)孜礦F22 高角度正斷層防水煤柱留設(shè)寬度研究

王浩杰，方家虎，孫 萍

（1.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院 地質(zhì)力學(xué)研究所，北京 100081；2.自然資源部 陜西寶雞地質(zhì)災(zāi)害野外科學(xué)觀測(cè)研究站，陜西 寶雞 721001；3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院，北京 100083）

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2000—2015 年我國(guó)共發(fā)生1 162 次煤礦水害事故，其中較大水害事故有1 056 起。煤礦水害事故依舊是煤礦事故的第二大殺手，其中絕大多數(shù)水害事故均是由斷層或隱伏斷裂引起的[1-2]。而預(yù)留斷層防水煤柱依然是防止斷層活化導(dǎo)水最主要的方法[3-5]。

在防水煤柱寬度研究方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)開(kāi)展了大量的工作并取得了豐富的理論成果和實(shí)踐方法[6-8]。其中主要的研究方法有基于相似材料的物理模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬分析及理論計(jì)算等[9-20]。但由于不同煤礦地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性、含水層分布以及斷層性質(zhì)的各異性，并不能依據(jù)單一的方法和理論公式確定防水煤柱的寬度。因此，聚焦淮北礦區(qū)錢(qián)營(yíng)孜煤礦F22大落差、高角度正斷層，采用FLAC3D有限差分?jǐn)?shù)值軟件研究了斷層下盤(pán)W3221 工作面開(kāi)采后斷層帶上、下盤(pán)界面及煤層頂、底板的位移場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)變化及其采動(dòng)破壞效應(yīng)，結(jié)合理論公式計(jì)算綜合確定了F22斷層下盤(pán)W3221 工作面開(kāi)采時(shí)預(yù)留的防水煤柱寬度。

1 地質(zhì)概況

錢(qián)營(yíng)孜礦井構(gòu)造綱要圖如圖1。

圖1 錢(qián)營(yíng)孜煤礦構(gòu)造綱要圖Fig.1 Structural outline of Qianyingzi Coal Mine

淮北煤田位于安徽北部，是我國(guó)主要的產(chǎn)煤地之一。其地處華北板塊東南緣的徐淮坳陷，構(gòu)造格架主要受一系列NNE、NW 向斷裂及NNE、NE 向褶皺構(gòu)造控制，以宿北斷裂為界，淮北煤田可劃分為南北2 大部分。錢(qián)營(yíng)孜煤礦位于淮北煤田南部，地處宿北斷裂、光武-固鎮(zhèn)斷裂、豐渦斷裂與固鎮(zhèn)-長(zhǎng)豐斷裂組成的斷塊內(nèi)，宿南背斜西翼，南坪向斜東翼。錢(qián)營(yíng)孜煤礦總體構(gòu)造形態(tài)為一較寬緩向南仰起的向斜，并被一系列南北向、北北東向斷層切割，發(fā)育有次級(jí)褶曲。主采煤層為二疊系上石盒子組的3煤、下石盒子組的8 煤及山西組的10 煤。

錢(qián)營(yíng)孜煤礦共有4 個(gè)主要含水層（組），自上而下分別為新生界松散含水層、二疊紀(jì)煤系地層含水層、太原組石灰?guī)r巖溶裂隙含水層（后文簡(jiǎn)稱“太灰”）和奧陶系石灰?guī)r巖溶裂隙含水層（后文簡(jiǎn)稱“奧灰”）。由于該斷層落差較大，且“太灰”和“奧灰”距3 煤距離較遠(yuǎn)，所以對(duì)斷層下盤(pán)3 煤開(kāi)采影響較大的主要為新生界松散含水層和煤系地層砂巖裂隙含水層。其中煤系地層砂巖裂隙含水層是其直接充水水源，而新生界第四含水層直接覆蓋在基巖各含水層之上，與基巖各含水層均有水力聯(lián)系，成為3 煤的間接充水水源。

F22斷層是礦井內(nèi)1 條規(guī)模較大的樞紐正斷層，為西二、西三采區(qū)邊界正斷層，走向近SN，平面上呈緩波狀，傾向W，傾角65°～75°，延伸長(zhǎng)度約6 500 m，落差0～350 m，切割3、7、8、10 煤。斷層破碎帶由泥巖、粉砂巖、砂巖和煤塊組成，其中以泥巖、粉砂巖為主，擠壓破碎，角礫狀明顯，有鉆孔及三維地震控制，屬查明斷層。

根據(jù)勘探資料，F(xiàn)22斷層破碎帶以煤系泥巖及粉砂巖為主，夾少量砂巖碎屑，所有鉆孔穿過(guò)斷層帶時(shí)，均未發(fā)生漏水現(xiàn)象，泥漿消耗量一般為0～0.016 m3/h，最大為0.58 m3/h。且F22斷層專門(mén)水文地質(zhì)勘探孔（Z1、Z2、Z3）在鉆進(jìn)到斷層帶時(shí)也均未發(fā)生明顯的漏水現(xiàn)象，根據(jù)其抽水試驗(yàn)成果資料：斷層帶靜止水位33.65 m，水位降深S=40.43 m，影響半徑R=56 m，滲透系數(shù)K=0.013～0.067 m/d，單位涌水量q=0.002～0.021 L/s·m，說(shuō)明其富水性較弱。地面瞬變電磁勘探資料顯示：F22斷層帶未見(jiàn)明顯異常區(qū)，以弱異常為主，其南部弱異常強(qiáng)于北部弱異常，表明F22斷層的含水性較弱。F22斷層破碎帶如圖2。

圖2 F22 斷層破碎帶Fig.2 Characteristics of F22 fault fracture zone

當(dāng)西三采區(qū)運(yùn)輸石門(mén)過(guò)F22斷層時(shí)，探查資料顯示，3 個(gè)超前探查孔過(guò)斷層帶時(shí)會(huì)有大量瓦斯涌出，但各孔并未發(fā)生漏水現(xiàn)象。2016 年1 月13 日，巷道掘進(jìn)至斷層破碎帶，遇見(jiàn)斷層破碎帶的標(biāo)志巖性-紫色斑狀泥巖，破碎帶巖性較混雜，主要為泥巖、細(xì)砂巖、粉砂巖及煤。綜合分析勘探和生產(chǎn)礦井水文地質(zhì)資料可知，F(xiàn)22斷層含、導(dǎo)水性均較差。

2 數(shù)值計(jì)算模型

2.1 采空區(qū)煤層屈服長(zhǎng)度及頂板和底板破壞深度

進(jìn)行煤層底板巖體最大破壞深度、煤層屈服區(qū)長(zhǎng)度與煤層頂板導(dǎo)水裂隙帶高度理論計(jì)算，一方面為精準(zhǔn)確定模型需細(xì)化網(wǎng)格的邊界范圍及監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置提供參考依據(jù)，另一方面也可與工作面采后的數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。

工作面底板巖體的滑移線場(chǎng)，即塑性邊界，由3個(gè)區(qū)組成：主動(dòng)極限區(qū)、被動(dòng)極限區(qū)和過(guò)渡區(qū)?？梢愿鶕?jù)塑性區(qū)的幾何尺寸確定出煤層底板在極限支承壓力條件下所產(chǎn)生破壞區(qū)的最大深度。

根據(jù)英國(guó)A H 威爾遜（Wilson，1972）提出的煤層屈服區(qū)長(zhǎng)度（Xα）計(jì)算公式：

式中：Xα為煤層屈服區(qū)長(zhǎng)度，m；M 為煤層采厚，取值3 m；ρ 為煤層密度，取值1.5 t/m3；H 為煤層埋深，取值400 m；φ 為煤層的內(nèi)摩擦角，取值27°；K1為比例系數(shù)；F 為與K1有關(guān)的系數(shù)。

由式（1）～式（3）計(jì)算F22斷層下盤(pán)32煤層的屈服區(qū)長(zhǎng)度Xα為5.84 m。

張金才等[21]結(jié)合煤層支撐壓力作用的特點(diǎn)，對(duì)A S Vesic 提出的巖體塑性滑移時(shí)極限承載力計(jì)算公式進(jìn)行了修改與補(bǔ)充，從而得出極限支承壓力條件下煤層底板破壞區(qū)的最大深度h 計(jì)算公式：

式中：φ′為底板巖體的內(nèi)摩擦角，底板巖體主要以泥巖、細(xì)砂巖、粉砂巖為主，綜合考慮取φ′＝35°。

由式（1）得Xα為5.84 m；由此得出極限支撐壓力條件下煤層底板破壞區(qū)的最大深度為10.54 m。

根據(jù)《煤礦防治水細(xì)則》中煤層頂板導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨菻L計(jì)算公式[22]：

錢(qián)營(yíng)孜煤礦32煤層傾角小于54°，其覆巖主要為泥巖，粉砂巖和細(xì)砂巖，屬中硬巖層（抗壓強(qiáng)度21～40 MPa），根據(jù)式（5）計(jì)算32煤層頂板導(dǎo)水?dāng)嗔严稁Ц叨葹椋?5.7±5.6）m。

2.2 模型建立及監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

F22斷層防水煤柱的留設(shè)寬度直接影響W3221工作面的布置，所以地質(zhì)模型主要依據(jù)29-30 勘探線剖面圖及29-30-5、29-30-6 鉆孔柱狀圖建立，模型選取斷層傾向方向?yàn)閤 軸，斷層的走向方向?yàn)閥軸，模型的豎直方向?yàn)閦 軸?？紤]到邊界效應(yīng)、煤層頂、底板破壞深度及計(jì)算效率等因素，最終確定計(jì)算模型大小為700 m×200 m×350 m，F(xiàn)22斷層及破碎帶寬15 m，傾角67°。

在FLAC3D5.01 軟件平臺(tái)下生成三維地質(zhì)計(jì)算模型，模型共42 460 個(gè)單元，49 295 個(gè)節(jié)點(diǎn)。為了研究工作面開(kāi)采后斷層破碎帶及煤層頂、底板的位移場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)變化及其破壞規(guī)律，本次在模型內(nèi)部斷層帶及煤層頂、底板布置了監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其分布位置及間距主要用于監(jiān)測(cè)煤層回采過(guò)程中應(yīng)力和位移的變化情況。 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖3。

圖3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置Fig.3 Layout of monitoring points

2.3 模型選取及參數(shù)確定

在本次數(shù)值模擬中，煤層及頂?shù)装鍘r體選用基于莫爾-庫(kù)侖屈服準(zhǔn)則的理想彈-塑性本構(gòu)模型：Mohr-Coulomb 模型，巖層物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 巖層物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of main rock

3 數(shù)值結(jié)果及分析

3.1 初始地應(yīng)力場(chǎng)的生成

煤層開(kāi)采屬于深埋工程的1 種，其現(xiàn)今應(yīng)力場(chǎng)比較復(fù)雜，通常為構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)和自重應(yīng)力場(chǎng)的疊加，通常構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)占主導(dǎo)地位，所以本次模擬采用應(yīng)力邊界法。這一方法的思路是：在初始地應(yīng)力場(chǎng)的生成過(guò)程中，模型不設(shè)速度邊界條件，而在模型表面根據(jù)地應(yīng)力場(chǎng)的分布情況施加構(gòu)造應(yīng)力的邊界條件并保持恒定，表層單元與模型內(nèi)部單元接觸面的節(jié)點(diǎn)力向模型內(nèi)部傳播，使得表面的應(yīng)力向模型內(nèi)部擴(kuò)散，直至達(dá)到平衡，這時(shí)得到的初始應(yīng)力場(chǎng)認(rèn)為是構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)和自重應(yīng)力場(chǎng)相疊加的結(jié)果[23]。

根據(jù)錢(qián)營(yíng)孜礦實(shí)測(cè)地應(yīng)力資料，錢(qián)營(yíng)孜礦的地應(yīng)力場(chǎng)以水平應(yīng)力為主，F(xiàn)22斷層所在的西二采區(qū)實(shí)測(cè)最大主應(yīng)力大小38 MPa，方位角133°，最大水平應(yīng)力為垂直應(yīng)力的1.9 倍，為最小主應(yīng)力的5.4 倍。將3 個(gè)主實(shí)測(cè)主應(yīng)力投影到計(jì)算平面（x，y，z 平面）上，假定地應(yīng)力大小是按深度等差分布，采用應(yīng)力邊界擬合法，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的迭代計(jì)算，表面的應(yīng)力場(chǎng)逐步擴(kuò)散到整個(gè)計(jì)算模型達(dá)到初始平衡。

快速應(yīng)力邊界法生成的初始應(yīng)力云圖如圖4。

圖4 快速應(yīng)力邊界法生成的初始應(yīng)力云圖Fig.4 Initial stress cloud diagrams generated by fast stress boundary method

由圖4 可以看出：依據(jù)反演得到的初始應(yīng)力場(chǎng)，應(yīng)力等值線基本呈水平，由于斷層的影響，應(yīng)力在斷層附近出現(xiàn)跳躍現(xiàn)象，但幅度不大。水平方向應(yīng)力Sxx的值約為16.38～35.05 MPa，垂直方向應(yīng)力Szz的值約為9.48～19.57 MPa。

3.2 不同煤柱寬度下應(yīng)力場(chǎng)分析

本次模擬斷層下盤(pán)W3221 工作面32煤層的開(kāi)采，工作面煤層回采寬度180 m，沿煤層傾向方向靠近斷層推進(jìn)，一次采全高，采高3 m，開(kāi)采步距10 m。不同煤柱寬度下斷層帶下、上盤(pán)應(yīng)力變化如圖5。

圖5 不同煤柱寬度下斷層帶下、上盤(pán)應(yīng)力變化Fig.5 Stress changes in hanging wall and footwall of fault zone under different pillar widths

從圖5（a）可以看出：煤層回采后斷層帶下盤(pán)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)x 軸水平應(yīng)力變化曲線，隨著工作面向斷層帶方向推進(jìn)，位于煤層底板及其上部的1#～4#監(jiān)測(cè)點(diǎn)的Sxx應(yīng)力值逐漸增大，位于煤層下部的5#監(jiān)測(cè)點(diǎn)的Sxx應(yīng)力值逐漸降低。當(dāng)保護(hù)煤柱寬度大于40 m 時(shí)，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力變化幅度均較小，說(shuō)明煤層的開(kāi)采對(duì)其影響較??；當(dāng)保護(hù)煤柱寬度小于40 m 時(shí)，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力變化幅度顯著增大；當(dāng)煤柱寬度為20 m 時(shí)，靠近煤層的2#～4#監(jiān)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力值相比煤柱寬度為40 m 時(shí)增大了5～6 MPa，說(shuō)明此時(shí)煤層的開(kāi)采對(duì)斷層帶的應(yīng)力產(chǎn)生了顯著的影響。

從圖5（b）可以看出：煤層回采后斷層帶上盤(pán)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)x 軸水平應(yīng)力變化曲線，隨著工作面的推進(jìn)，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的Sxx應(yīng)力值變化幅度均較小，均控制在2 MPa 以內(nèi)，分析原因?yàn)閿鄬悠扑閹У拇嬖?，?duì)水平應(yīng)力的傳遞造成了較大的阻礙；同時(shí)也說(shuō)明下盤(pán)煤層的開(kāi)采對(duì)斷層帶上盤(pán)水平應(yīng)力的影響較小。

從圖5（c）和圖5（d）可以看出：斷層帶下盤(pán)和上盤(pán)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的垂向應(yīng)力變化曲線，隨著工作面的推進(jìn)，工作面所在的斷層下盤(pán)靠近煤層的3#、4#監(jiān)測(cè)點(diǎn)的垂直應(yīng)力呈持續(xù)增大的趨勢(shì)，距煤層較遠(yuǎn)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)呈先增大后減小的趨勢(shì)。斷層上盤(pán)除上部距煤層最遠(yuǎn)的6#監(jiān)測(cè)點(diǎn)以外，其他監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力均呈持續(xù)增大的趨勢(shì)。當(dāng)保護(hù)煤柱寬度小于60 m 時(shí)，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力變化幅度明顯增大，應(yīng)力變化幅度最大約為4 MPa。尤其在煤柱寬度小于40 m 時(shí)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力變化更加顯著。其中位于斷層下盤(pán)3#、4#監(jiān)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力增大幅度達(dá)到了12 MPa；而1#、2#監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力變化發(fā)生轉(zhuǎn)折，由之前的增大趨勢(shì)變?yōu)闇p小趨勢(shì)，減小幅度約2 MPa；位于煤層下部的5#監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力變化較穩(wěn)定。同斷層下盤(pán)類似，斷層上盤(pán)7#～10#監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力也出現(xiàn)了顯著的增大，增大幅度相對(duì)下盤(pán)較小，約為3～4 MPa，而6#監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力出現(xiàn)小幅度的降低現(xiàn)象?？傮w上，當(dāng)煤柱寬度從60 m 減小到40 m后，垂直應(yīng)力變化幅度會(huì)出現(xiàn)明顯的增大，但并不改變應(yīng)力變化趨勢(shì)；而當(dāng)煤柱寬度從40 m 減小到20 m 后，垂直應(yīng)力變化幅度顯著增大，且改變了1#、2#和6#的變化趨勢(shì)。

總結(jié)可得：當(dāng)煤柱留設(shè)寬度小于40 m 時(shí)，煤層的繼續(xù)開(kāi)采會(huì)對(duì)斷層帶的應(yīng)力變化產(chǎn)生顯著的影響，受采空區(qū)應(yīng)力釋放的影響，垂直應(yīng)力的變化明顯大于水平應(yīng)力的變化；且工作面所在的下盤(pán)斷層帶應(yīng)力變化幅度明顯大于上盤(pán)，說(shuō)明斷層破碎帶的存在對(duì)煤層回采后產(chǎn)生的集中應(yīng)力的傳遞起到干擾作用；而且在斷層帶上距煤層越遠(yuǎn)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，開(kāi)采對(duì)其的應(yīng)力變化影響越小。

3.3 不同煤柱寬度下位移場(chǎng)分析

不同煤柱寬度下斷層帶上、下盤(pán)及煤層頂?shù)装逦灰谱兓鐖D6。斷層帶上下盤(pán)同標(biāo)高監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移差如圖7。

圖6 不同煤柱寬度下斷層帶上、下盤(pán)及煤層頂?shù)装逦灰谱兓疐ig.6 Displacement changes of fault zone, roof and floor of coal seam under different pillar widths

圖7 斷層帶上下盤(pán)同標(biāo)高監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移差Fig.7 Displacement difference of hanging wall and footwall monitoring point with same elevation in fault zone

由圖6（a）和圖6（b）可知：隨著工作面的回采，對(duì)于工作面所在的斷層下盤(pán)（圖6（a）），位于煤層上部的1#～3#監(jiān)測(cè)點(diǎn)受采空區(qū)影響產(chǎn)生向下的位移且位移量逐漸增大，最大位移量為14 cm；而位于煤層下部的4#、5#監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移方向向上且位移量變化幅度較小，約為2 cm。對(duì)于斷層上盤(pán)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)（圖6（b）），均產(chǎn)生向下的位移且位移量也呈逐漸增大趨勢(shì)，但相比下盤(pán)而言，其位移量較小，最大位移量約4 cm。當(dāng)煤柱寬度留設(shè)小于40 m 時(shí)，斷層上、下盤(pán)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移量出現(xiàn)顯著的增加；斷層上、下盤(pán)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移方向及變化幅度的差異說(shuō)明斷層破碎帶的存在也會(huì)影響位移的傳遞，分析原因主要為斷層破碎帶巖石摩擦力和黏聚力都比較小，從而形成不連續(xù)弱面對(duì)應(yīng)力和位移的傳遞起干擾作用，造成應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)的不連續(xù)。

由圖6（c）和圖6（d）可知：隨著工作面的推進(jìn)，煤層頂板產(chǎn)生向下的位移，最大位移量27 cm，煤層底板位移總體向上，最大位移量12 cm。圖中11#和15#監(jiān)測(cè)點(diǎn)距斷層帶10 m，12#和16#監(jiān)測(cè)點(diǎn)距斷層帶25 m，13#和17#監(jiān)測(cè)點(diǎn)距斷層帶40 m，14#和18#監(jiān)測(cè)點(diǎn)距斷層帶55 m。當(dāng)煤層開(kāi)挖至監(jiān)測(cè)點(diǎn)附近時(shí)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移量會(huì)顯著增大，然后保持穩(wěn)定；當(dāng)回采至煤柱寬度小于40 m 時(shí)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移量會(huì)再次出現(xiàn)顯著增大，最后保持穩(wěn)定。

由圖7 可知：當(dāng)煤柱寬度為80～60 m 時(shí)，斷層帶基本未發(fā)生錯(cuò)動(dòng)；當(dāng)煤柱寬度為60～40 m 時(shí)，斷層帶發(fā)生輕微錯(cuò)動(dòng)，錯(cuò)動(dòng)量最大為3 cm；當(dāng)煤柱寬度為40～20 m 時(shí)，斷層帶發(fā)生顯著錯(cuò)動(dòng)，錯(cuò)動(dòng)量最大可達(dá)9 cm，且監(jiān)測(cè)點(diǎn)標(biāo)高越高，錯(cuò)動(dòng)位移越大，此時(shí)很可能溝通煤層上部含水層，產(chǎn)生突水威脅。

3.4 不同煤柱寬度下塑性破壞狀態(tài)分析

不同煤柱寬度下斷層帶上、下盤(pán)及煤層頂?shù)装逅苄詤^(qū)發(fā)育如圖8。

圖8 不同煤柱寬度下斷層帶上、下盤(pán)及煤層頂?shù)装逅苄詤^(qū)發(fā)育Fig.8 Plastic zone of fault zone, roof and floor of coal seam developed under different pillar widths

隨著工作面的推進(jìn)，斷層帶及煤層頂?shù)装逅苄詤^(qū)發(fā)育逐漸增大；隨著煤柱寬度的不斷減小，煤層頂、底板塑性區(qū)不斷向斷層帶靠近，有效隔水煤柱寬度越來(lái)越小。當(dāng)工作面推進(jìn)到距斷層帶40 m 處時(shí)，斷層帶頂部開(kāi)始出現(xiàn)剪切破壞塑性區(qū)，塑性區(qū)貫通至32煤層與斷層帶的交匯處，此時(shí)斷層帶發(fā)生輕微錯(cuò)動(dòng)，錯(cuò)動(dòng)量最大為3 cm；但由于交匯處附近煤層及頂?shù)装鍘r體未進(jìn)入塑性屈服狀態(tài)，因此依然存在有效隔水煤柱。結(jié)合圖5 和圖7 可知：40 m 的隔水煤柱依然是相對(duì)安全的。當(dāng)工作面推進(jìn)到距斷層帶20 m 處時(shí)，煤層頂、底板塑性區(qū)分別發(fā)育到最大高度31 m 及15 m，這也與上節(jié)中根據(jù)公式求得的煤層頂、底板破壞深度較接近，此時(shí)斷層帶塑性區(qū)發(fā)育范圍已經(jīng)與煤層頂板塑性區(qū)貫通，說(shuō)明此時(shí)煤層上部含水層裂隙水很可能會(huì)通過(guò)導(dǎo)通的斷裂帶涌入工作面，造成涌水事故。

總結(jié)上述分析可以得出：通過(guò)對(duì)采后斷層帶及煤層頂、底板應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)和塑性區(qū)發(fā)育范圍3 方面綜合分析，得出F22斷層帶下盤(pán)煤柱留設(shè)寬度不得小于40 m。

4 煤柱寬度理論計(jì)算

錢(qián)營(yíng)孜礦32煤工作面回采直接充水水源為煤層直接頂、底板砂巖裂隙水，由于其厚度較薄，且與泥巖互層，根據(jù)抽水試驗(yàn)資料其富水性弱，一般出水點(diǎn)初期水量較大，但衰減趨勢(shì)明顯，最終隨時(shí)間推移多數(shù)干涸。所以對(duì)煤層開(kāi)采會(huì)產(chǎn)生突水的含水層主要為新生界第四含水層（以下簡(jiǎn)稱“四含”）和煤層底板下K3 砂巖裂隙含水層，根據(jù)對(duì)鉆孔單位涌水量的分析，其中"四含"富水性為弱-中，K3 砂巖裂隙含水層富水性為中。

對(duì)于防止K3 砂巖裂隙水突出的煤柱寬度計(jì)算，根據(jù)《煤礦防治水細(xì)則》[22]，煤層位于含水層上方且斷層導(dǎo)水較弱時(shí)，隔水煤柱的留設(shè)應(yīng)當(dāng)保證含水層頂面與斷層面交點(diǎn)至煤層底板間的最小距離，在垂直于斷層走向的剖面上大于安全防隔水煤（巖）柱寬度Ha，但不得小于20 m。

Ha值可以按式（6）計(jì)算：

式中：p 為防隔水煤（巖）柱所承受的實(shí)際水頭值，MPa；Ts為臨界突水系數(shù)，MPa/m；Hp為保護(hù)層厚度，一般取10 m。

根據(jù)鉆孔抽水試驗(yàn)資料，下盤(pán)32煤層下K3 砂巖裂隙水水位標(biāo)高平均約10.4 m，煤層底板標(biāo)高約-350 m，所以煤柱所承受的靜水壓力約為3.6 MPa，根據(jù)安徽皖北各礦區(qū)多年生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，臨界突水系數(shù)取0.06 MPa/m。求得Ha為70 m；以K3 砂巖裂隙含水層與斷層的交點(diǎn)做為圓心，以Ha為半徑畫(huà)圓，所畫(huà)圓與下盤(pán)32煤層底面的交點(diǎn)煤柱的寬度為38.65 m。煤層頂、底板含水層分布及煤柱留設(shè)示意圖如圖9。

圖9 煤層頂、底板含水層分布及煤柱留設(shè)示意圖Fig.9 Aquifer distribution and coal pillar layout on top and bottom of coal seam

考慮到斷層在煤層采動(dòng)作用下活化導(dǎo)水且水在順煤層方向上的壓力時(shí)，利用斷層導(dǎo)水模式煤柱留設(shè)的經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)上述煤柱寬度進(jìn)行檢驗(yàn)：

式中：Ha為煤柱留設(shè)的寬度，m；K′為安全系數(shù)，一般取2～5，本次取5；M 為煤層采高，取3 m；p 為實(shí)際水頭值，MPa；Kp為煤的抗拉強(qiáng)度，取0.63 MPa。

由式（7）計(jì)算可得：Ha=31.05 m，小于用幾何法求得的煤柱寬度，這也驗(yàn)證了上述煤柱留設(shè)38.65 m 的可靠性。

對(duì)于防止新生界第四含水層突水的煤柱寬度計(jì)算，由于含水層在煤層上部，幾何分析方法不再適用。根據(jù)《煤礦防治水細(xì)則》，由式（7）計(jì)算可知，新生界第四含水層距32煤頂板的水柱高度約130 m，所以煤柱所承受新生界四含的水壓力約為1.3 MPa，計(jì)算可得煤柱寬度約為19 m，也小于38.65 m，說(shuō)明此煤柱寬度是合理的。

5結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)錢(qián)營(yíng)孜礦特殊的水文及工程地質(zhì)條件，基于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用數(shù)值模擬及理論計(jì)算相結(jié)合的分析方法，對(duì)該礦F22大落差、高角度正斷層下盤(pán)32煤工作面回采過(guò)程中煤層頂?shù)装迤茐募皵鄬踊罨?guī)律進(jìn)行了研究。

1）由于煤炭開(kāi)采屬于深埋工程，數(shù)值模擬過(guò)程中應(yīng)用應(yīng)力邊界擬合法生成模型的初始地應(yīng)力場(chǎng)相對(duì)傳統(tǒng)方法更為可靠，為后續(xù)的煤層開(kāi)采模擬的可靠性奠定了基礎(chǔ)。

2）煤層開(kāi)采后，工作面所在的下盤(pán)斷層帶應(yīng)力及位移變化幅度明顯大于上盤(pán)，說(shuō)明因斷層破碎帶的存在而形成不連續(xù)弱面對(duì)應(yīng)力和位移的傳遞均起干擾和阻礙作用，造成斷層帶上、下兩盤(pán)應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)的不連續(xù)。

3）當(dāng)煤柱寬度留設(shè)從40 m 到20 m 時(shí)，斷層帶頂、底界面的應(yīng)力變化幅度及位移差會(huì)顯著增加，煤層頂、底板的位移變化幅度也明顯增大，斷層帶頂部出現(xiàn)剪切塑性破壞區(qū)并且范圍逐漸擴(kuò)大。當(dāng)煤柱寬度為20 m 時(shí)，斷層帶頂部塑性區(qū)與煤層頂板塑性區(qū)溝通，存在突水危險(xiǎn)。

4）根據(jù)含水層、斷層及煤層三者的位置關(guān)系，依據(jù)規(guī)范對(duì)F22斷層防水煤柱寬度進(jìn)行了理論計(jì)算和幾何作圖分析，計(jì)算得出煤柱寬度為38.65 m。綜合對(duì)比分析數(shù)值模擬和理論計(jì)算結(jié)果，確定煤柱留設(shè)40 m 是安全合理的。