竇仲四， 田諾成

(1.東華理工大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，江西 南昌 330013；2.合肥工業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

當(dāng)前煤礦生產(chǎn)有5大安全問題亟待解決(黃玉治，2019)，其中礦井水害嚴(yán)重威脅礦工生命安全。近年來研究者利用井下放水實(shí)驗(yàn)、水化學(xué)分析法及地球物理勘探等方法進(jìn)行礦井水防治(Jiang et al., 2015；林遠(yuǎn)東等，2012；Yu et al.,2015)。斷層“活化”突水是誘導(dǎo)礦井水害重要因素，具有突發(fā)性、隱蔽性、危險(xiǎn)性和不可預(yù)測(cè)性，威脅煤礦安全生產(chǎn)(王冬平,2016；呂兆海等，2015；劉業(yè)嬌等，2017；楊為民等，2017)。學(xué)者通過理論解析、數(shù)值模擬、相似模擬等方法對(duì)采動(dòng)效應(yīng)及斷層“活化”誘因進(jìn)行了研究(曹蘭柱等，2018；李振華等，2015；陳曉祥等2018；Jiang et al.，2015；張雪昂等，2019;陳全明，2019)。李鵬飛等(2018)利用FLAC3D數(shù)值軟件分析斷層傾角、深度、破碎帶寬度等對(duì)斷層“活化”影響，結(jié)果表明傾角小、采深大、破碎帶寬、落差大的斷層更容易出現(xiàn)斷層活化。基于相似物理材料模擬試驗(yàn)得出，斷層“活化”是當(dāng)斷層煤柱寬度減小到一定程度時(shí)，斷層面上、下盤巖體會(huì)發(fā)生相對(duì)錯(cuò)動(dòng)(吳基文等，2007)。針對(duì)淮北煤田宿縣礦區(qū)鄒莊礦井F25逆斷層切割煤層底板奧陶系灰?guī)r可能導(dǎo)致87采區(qū)煤層回采過程中斷層“活化”突水情況，筆者以F25逆斷層為分析對(duì)象，利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，根據(jù)礦井勘探資料建立工程地質(zhì)模型，通過分析煤層回采過程中應(yīng)力場(chǎng)、塑性破壞區(qū)分布特征、斷層帶附近巖體垂向應(yīng)力變化及斷層“活化”規(guī)律，綜合評(píng)判F25逆斷層的采動(dòng)效應(yīng)，確定斷層保護(hù)煤柱合理寬度，以期為后續(xù)采區(qū)布置及煤層安全回采提供科學(xué)依據(jù)。

1 工程背景及模型建立

F25逆斷層為鄒莊井田內(nèi)發(fā)育的一條大型逆斷層，位于礦井西部邊緣，為87采區(qū)與其東部采區(qū)的邊界。地震地質(zhì)剖面(圖1)顯示F25逆斷層切割的地層有：奧陶系、石炭系、二疊系。

圖1 18和24勘查線地震地質(zhì)剖面圖Fig.1 Seismological profiles of exploration lines 18 and 24

上盤的太原組灰?guī)r，含水量少、斷層帶導(dǎo)水性差，基本不會(huì)發(fā)生礦井突水，但斷層下盤奧陶系灰?guī)r含大量水，由于煤層采動(dòng)，會(huì)致使斷層帶發(fā)生滑移、“活化”，從而發(fā)生礦井突水現(xiàn)象。為合理留設(shè)F25逆斷層帶煤柱寬度，根據(jù)工程地質(zhì)背景，建立了三維數(shù)值模型(圖2)，模型X、Y、Z分別為315 m、210 m、150 m，模型由478 800個(gè)單元格和499 746個(gè)單元節(jié)點(diǎn)組成，工作面位于斷層下盤。

圖2 三維計(jì)算模型及網(wǎng)格Fig.2 Three-dimensional computational model and grid

模型底部邊界XY面采用全約束條件，頂部采用自由邊界條件，上覆巖層荷載計(jì)算值為15 Mpa，X、Y方向采用全部固定,以Mohr-Coulomb作為煤巖體材料屈服準(zhǔn)則。煤層沿Y軸方向開挖，為消除邊界影響，分別留設(shè)40 m、30 m、20 m、10 m約束煤柱，進(jìn)行4次不同保留煤柱條件下的模擬開挖，巖層力學(xué)屬性參數(shù)如表1所示。

表1 巖組物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of rock association

2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.1 不同煤柱下水平應(yīng)力場(chǎng)演化

為研究不同留設(shè)煤柱下水平應(yīng)力場(chǎng)演化規(guī)律，分別調(diào)取留設(shè)煤柱為40 m、30 m、20 m、10 m時(shí)開挖后的水平應(yīng)力云圖(圖3)。隨著保留煤柱寬度的變小，采空區(qū)卸壓范圍向斷層帶靠近，同時(shí)超前應(yīng)力集中區(qū)也在向斷層帶靠近并穿越斷層。當(dāng)保留煤柱為40 m時(shí)，斷層下盤有明顯應(yīng)力集中區(qū)，上盤出現(xiàn)應(yīng)力增加區(qū)(圖3a)；當(dāng)保留煤柱為30 m時(shí)，斷層下盤、上盤均有明顯應(yīng)力集中區(qū)，但上盤應(yīng)力集中區(qū)范圍較小(圖3b)；當(dāng)保留煤柱為20 m時(shí)，斷層下盤、上盤應(yīng)力均有應(yīng)力集中區(qū)，且區(qū)間范圍相當(dāng)(圖3c)；當(dāng)保留煤柱為10 m時(shí)，應(yīng)力穿越了斷層，使得下盤無(wú)應(yīng)力集中區(qū)，在斷層帶及上盤形成應(yīng)力集中區(qū)(圖3d)。

圖3 不同寬度煤柱下水平應(yīng)力場(chǎng)云圖Fig.3 Nephogram of horizontal stress field under coal pillars with different widths a.40 m煤柱；b.30 m煤柱；c.20 m煤柱；d.10 m煤柱

2.2 不同煤柱下垂直應(yīng)力場(chǎng)演化

為研究不同留設(shè)煤柱下垂直應(yīng)力場(chǎng)演化規(guī)律，分別調(diào)取留設(shè)煤柱為40 m、30 m、20 m、10 m時(shí)開挖后的垂直應(yīng)力云圖(圖4)。與水平應(yīng)力演化相似，隨著保留煤柱寬度的變小，采空區(qū)卸壓范圍向斷層靠近，同時(shí)超前應(yīng)力集中區(qū)也在向斷層附近靠近并穿越斷層，但是垂向應(yīng)力的演化規(guī)律不及水平應(yīng)力變化明顯，表現(xiàn)出滯后性。當(dāng)保留煤柱為40 m時(shí)，斷層下盤有明顯應(yīng)力集中區(qū)，上盤無(wú)應(yīng)力增加區(qū)(圖4a)；當(dāng)保留煤柱為30 m時(shí)，斷層下盤有明顯應(yīng)力集中區(qū)，上盤出現(xiàn)應(yīng)力增加區(qū)(圖4b)；當(dāng)保留煤柱為20 m時(shí)，斷層下盤應(yīng)力集中區(qū)漸漸轉(zhuǎn)移，在上盤應(yīng)力集中區(qū)增大(圖4c)；當(dāng)保留煤柱為10 m時(shí)，應(yīng)力穿越了斷層，使得下盤集中區(qū)變小，在斷層帶及上盤形成應(yīng)力集中區(qū)(圖4d)。

圖4 不同寬度煤柱下垂直應(yīng)力場(chǎng)云圖Fig.4 Nephogram of vertical stress field under different width coal pillars a.40 m煤柱；b.30 m煤柱；c.20 m煤柱；d.10 m煤柱

2.3 不同煤柱下塑性破壞特征

為研究不同留設(shè)煤柱下塑性破壞規(guī)律，分別調(diào)取留設(shè)煤柱為40 m、30 m、20 m、10 m時(shí)開挖后的塑性破壞區(qū)云圖(圖5)。當(dāng)保留煤柱為40 m時(shí)，工作面發(fā)生塑性破壞而斷層帶基本沒有破壞(圖5a)；當(dāng)保留煤柱為30 m時(shí)，工作面破壞區(qū)靠近斷層帶，斷層帶開始出現(xiàn)輕微剪切破壞(圖5b)；當(dāng)保留煤柱為20 m時(shí)，斷層下盤塑性破壞區(qū)接近斷層帶，但仍然沒有導(dǎo)通，斷層帶上開始出現(xiàn)了拉伸破壞(圖5c)；當(dāng)保留煤柱為10 m時(shí)，斷層帶大面積出現(xiàn)塑性破壞，且與下盤塑性破壞區(qū)連成一體(圖5d)。

圖5 不同寬度煤柱下塑性破壞區(qū)圖Fig.5 Map of plastic failure zone under different width coal pillarsa.40 m煤柱；b.30 m煤柱；c.20 m煤柱；d.10 m煤柱

2.4 斷層帶及周邊采動(dòng)應(yīng)力演化特征

分別在煤層頂板、底板10 m處選取13個(gè)測(cè)點(diǎn)，且分布在斷層帶附近，研究不同保留煤柱情況下，工作面推進(jìn)30 m時(shí)，煤層頂?shù)装逶跀鄬訋Ц浇蓜?dòng)應(yīng)力演化規(guī)律。

圖6為留設(shè)不同寬度煤柱下煤層頂各單元體垂向應(yīng)力變化規(guī)律。采動(dòng)應(yīng)力變化曲線基本符合采空區(qū)卸壓，采空區(qū)圍巖應(yīng)力集中這一普遍規(guī)律，但在留設(shè)不同保護(hù)煤柱情況下，同一系列測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力變化是有差異的。當(dāng)保留煤柱為40 m、30 m時(shí)，在采空區(qū)圍巖斷層帶下盤出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力集中系數(shù)為1.3～1.4；保留煤柱為10 m時(shí)，采動(dòng)應(yīng)力穿越斷層帶，致使斷層上盤應(yīng)力劇增，集中系數(shù)高達(dá)1.4；保留煤柱為20 m時(shí)，采空區(qū)卸壓，在圍巖斷層帶附近應(yīng)力達(dá)到原巖應(yīng)力，沒有出現(xiàn)明顯應(yīng)力集中現(xiàn)象。

圖6 煤層頂斷層帶附近巖體垂向應(yīng)力變化規(guī)律Fig.6 Variations of vertical stress of rock mass near fault zone of coal seam top

圖7為留設(shè)不同寬度煤柱下煤層底板各單元體垂向應(yīng)力變化規(guī)律。可以看出在保留煤柱為40 m、30 m、20 m時(shí)采動(dòng)應(yīng)力變化曲線基本一致，采空區(qū)內(nèi)卸壓，圍巖處有應(yīng)力集中現(xiàn)象，但不明顯；在保留煤柱為10 m時(shí)，斷層帶下盤靠近斷層帶處采動(dòng)應(yīng)力先增加后減小，而在斷層帶附近上盤先增加后減小又增加演化趨勢(shì)，這種應(yīng)力演化非常不利于斷層穩(wěn)定性，極易導(dǎo)致出現(xiàn)破裂或“活化”。

圖7 煤層底板斷層帶附近巖體垂向應(yīng)力變化規(guī)律Fig.7 Variations of vertical stress of rock mass near fault zone of coal seam floor

2.5 不同寬度煤柱下斷層“活化”情況

分別在煤層頂板、底板10 m處選取14個(gè)測(cè)點(diǎn)，且分布在斷層帶附近，提取豎向位移值，研究不同保留煤柱情況下，工作面推進(jìn)30 m時(shí)，煤層頂?shù)装逶跀鄬訋Ц浇奈灰蒲葑円?guī)律。

圖8為不同寬度保留煤柱煤層頂板監(jiān)測(cè)點(diǎn)豎向位移變化情況。當(dāng)留設(shè)40 m煤柱時(shí)，斷層帶附近(非采空區(qū))的煤層頂?shù)装逦灰普劬€趨于直線，表明基本無(wú)位移差值；當(dāng)留設(shè)30 m煤柱時(shí)變化趨勢(shì)類似于留設(shè)40 m煤柱情況；當(dāng)留設(shè)20 m煤柱時(shí)，斷層帶附近(非采空區(qū)))的煤層頂?shù)装逦灰普劬€開始有一定增幅，且差值達(dá)到0.13 cm，說明此時(shí)斷層開始有“活化”趨勢(shì)；當(dāng)留設(shè)10 m煤柱時(shí)，斷層帶附近上下盤位移量增大，且在上下盤出現(xiàn)明顯差值達(dá)0.7 cm，說明此時(shí)斷層帶已經(jīng)有趨于活化現(xiàn)象。

圖8 不同留設(shè)煤柱頂板監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移變化情況Fig.8 Displacement variations of monitoring points of different coal pillar roof

圖9為不同寬度保留煤柱煤層底板監(jiān)測(cè)點(diǎn)豎向位移變化情況。當(dāng)留設(shè)40 m、30 m、20 m煤柱時(shí)，斷層帶附近(非采空區(qū))的煤層頂?shù)装逦灰普劬€趨于0，表明基本沒有發(fā)生位移；當(dāng)留設(shè)10 m煤柱時(shí)，斷層帶附近上下盤位移量增大，在斷層處位移最大達(dá)1 cm，上下盤原同一水平處出現(xiàn)明顯錯(cuò)動(dòng)，說明此時(shí)斷層帶已經(jīng)發(fā)生活化現(xiàn)象。

圖9 不同留設(shè)煤柱底板監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移變化情況Fig.9 Displacement variations of monitoring points of different coal pillar floor

3 斷層保護(hù)煤柱寬度確定

通過對(duì)鄒莊井田F25斷層保留不同煤柱情況下進(jìn)行回采時(shí)采場(chǎng)底板水平應(yīng)力、垂直應(yīng)力、塑性破壞及斷層“活化”情況分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)斷層保留煤柱為40 m、30 m時(shí)，基本沒有產(chǎn)生活化影響；當(dāng)斷層保留煤柱為10 m時(shí)，采動(dòng)應(yīng)力已經(jīng)傳遞到斷層帶，且斷層帶發(fā)生嚴(yán)重塑性破壞與工作面導(dǎo)通，F(xiàn)25斷層附近煤層底板奧陶系灰?guī)r含水豐富，隨著工作面回采可能引發(fā)礦井突水事故；當(dāng)斷層保留煤柱為20 m時(shí)，斷層帶附近(非采空區(qū))的煤層頂?shù)装逦灰普劬€開始有一定增幅，且差值達(dá)到0.13 cm，說明此時(shí)斷層開始有“活化”趨勢(shì)，但斷層帶附近(非采空區(qū))的煤層頂?shù)装逦灰普劬€趨于0，表明基本沒有發(fā)生位移，結(jié)合塑性破壞云圖發(fā)現(xiàn)斷層下盤塑性破壞區(qū)接近斷層帶，斷層帶上開始出現(xiàn)了拉伸破壞，但沒有導(dǎo)通，此時(shí)仍然是安全的。結(jié)合安全與高效等綜合因素考慮，鄒莊井田F25斷層保護(hù)煤柱建議留設(shè)20 m較為合理。

4 結(jié)論

(1)隨著F25逆斷層煤柱留設(shè)的減小，采動(dòng)應(yīng)力集中區(qū)逐漸向斷層靠近，當(dāng)斷層煤柱減小到一定程度時(shí)，集中區(qū)轉(zhuǎn)移到斷層上盤，但垂向應(yīng)力的演化明顯滯后于水平應(yīng)力；塑性破壞區(qū)逐漸向斷層靠近，當(dāng)煤柱寬度減小到一個(gè)臨界值時(shí)，塑性破壞區(qū)與斷層導(dǎo)通，且塑性破壞區(qū)發(fā)育范圍突然增大。

(2)煤層頂部斷層帶附近巖體的垂向應(yīng)力變化先于煤層底斷層帶出現(xiàn)，且變化趨勢(shì)不同；煤層頂斷層帶先于煤層底部斷層帶“活化”，煤層頂部斷層帶在煤柱寬度為20 m時(shí)開始具有“活化”趨勢(shì)，煤層底部斷層帶在煤柱寬度為10 m時(shí)才具有明顯的“活化”趨勢(shì)，斷層活化具有明顯的空間特征。

(3)基于本次分析結(jié)果及合理留設(shè)煤柱所涉及綜合因素，建議鄒莊F25逆斷層保留煤柱留設(shè)20 m較為合理。