黄洪涛 邓重青 李继路
（微山金源煤矿，山东 济宁 277600）
井工开采留设断层煤柱是常用的灾害防治方法[1-2]。近年来，煤炭开采深度和强度逐渐增加，断层防水等问题更加突出：落差大、延展长的区域断裂构造，在区域范围内造成了奥灰含水层与可采煤层的直接对接，严重威胁了矿井安全开采[3]；
深部煤层在采动过程中，将对断层稳定性造成影响，并可能引起断层活化或煤柱失稳，继而易发矿井水害[4-5]。
微山金源煤矿存在典型的深部大断层，潜在断层失稳和活化导水等威胁。为保障近断层工作面安全开采，需要根据实际条件进行采前针对性的保护煤柱宽度研究。鉴于此，在大屯断层水文地质条件基础上，拟建立断层上盘开采断层活化力学模型，并用数值模拟煤层开采应力分布和塑性区变化特征，揭示近断层煤层采动条件下断层活化与留设煤柱宽度之间的关系，为安全合理的防水煤柱宽度确定提供依据。
金源煤矿已开采多年，剩余可采储量较少，且位于西部二采区，该区域受边界大屯断层的影响大。揭示的大屯断层为北部边界断层，走向近EW，倾向S，倾角70°，落差范围80～600 m，煤矿内延展长度约8750 m，断层下盘奥陶纪含水层与上盘含煤地层对接，威胁二采区3 煤的安全开采。如图1。
2.1 力学模型建立
为了研究采场断层在采动作用下的活化机理，假定断层的上、下盘为弹性岩体，断层面即为上下盘的接触面，断层初始活化的标志为上下盘产生剪切运动，建立如图2 所示的平面简化断层受力状态模型。其中：断层结构面倾角为β（°）；
断层受到的最大主应力为σ1（MPa），方向垂直向下；
最小主应力σ2（MPa），方向水平。
图2 平面简化断层受力状态模型
作用于结构面上的剪应力τxy（MPa）、正应力σn（MPa）分别为：
若断层结构面具有粘聚力C和摩擦系数f=tanφ，φ为岩石内摩擦角，（°），以压应力为正，则由库仑定律知结构面的抗剪强度为：
进一步得到断层结构面上扣除抗剪力后的剩余剪应力为：
式（3）表明，断层结构面的滑移变形是由剩余剪应力τ"作用产生的。
2.2 断层滑移失稳判据
采场底板岩体处于三向压应力状态，工作面推进过程中，推进方向上的支承压力变化由正常压力→压力增加→峰值支承压力，通常条件，采场的覆岩自重应力（正常压力）和峰值支承压力简化为：
式中，γ为覆岩容重，kN/m3；
H为开采深度，m；
k为应力集中系数，无量纲。
可以确定当断层结构面处于峰值支承压力影响区时，结构面变形最大，相应的力学条件为：
式中：λ为侧压系数，无量纲。
由以上进一步得到作用于断层结构面上的剪应力、正应力表达式：
如果断层结构面发生剪切滑动需要式（7）满足条件：τ"≥0，则滑移变形临界角β0：
由β0表达式定性分析，可以得出：
（1）采动影响和应力越大（k越大），断层越易滑移。因此，对相似开采条件的矿井，开采深度越大，断层越易活化。
（2）煤柱宽度越大（ 越大），断层越不易发生滑移。因此，在水平应力较大的煤田，断层不易活化。
（3）断层产状和其他开采条件一定情况下，可通过留设合理煤柱宽度和降低采动影响（应力集中），达到控制断层稳定的目的。
3.1 模型建立
采动断层活化及煤柱的合理尺寸可借助数值模拟来确定。FLAC3D软件对大型变形及扭曲现象尤为适用。以金源煤矿二采区钻孔揭露的地质资料为基础确定相关参数，模型尺寸确定为长×宽×高=350 m×300 m×200 m，断层倾角为70°，煤厚均选用设计采高3.2 m。为了简化计算，煤层设计为水平煤层，煤层埋深选取研究区最大埋深（900 m左右），模型上方取780 m 岩层的自重通过施加垂向的载荷实现。模型侧边界施加水平约束，底边界施加水平及垂直约束，模型前后左右均为不透水边界。计算分析判据采用摩尔—库伦强度准则。为了分析煤层开采过程中围岩及断层处重分布应力的变化特征，设置的各监测点位置及编号如图3。
图3 应力监测点布置
3.2 模拟结果分析
模拟工作面与断层距离为90 m、70 m 时，围岩垂直应力分布与塑性区分布。工作面距断层90 m：采动造成断层煤柱塑区开始快速增加；
工作面距断层70 m：断层煤柱塑区广泛分布，采动开始对断层稳定性产生影响。结果如图4、图5，具体如下：
图4 工作面距断层90 m
图5 工作面距断层70 m
（1）工作面推进距断层90 m，煤层顶、底板岩层中塑性区完全呈似“马鞍形”，塑性破坏区范围继续加大，已经具有一定规模。垂直应力图显示出垂直应力在覆岩内影响范围不断扩大，其形态趋向改变，拱形范围不断增大，采动煤柱塑性影响明显。
（2）工作面推进距断层70 m，由于工作面的不断推进，顶底板破坏继续发展，底板塑性区向断层发育的趋势更为明显，形成不对称的“马鞍形”破坏区，采动造成断层煤柱围岩稳定性急剧降低（断层煤柱局部破坏）。此时断层仍保持稳定，但还未出现整体破坏。
断层面覆岩监测结果如图6 所示。工作面与断层间距不小于80 m 时，各监测点应力基本无变化；
工作面开采至距断层70 m的位置时，受压应力作用，断层内部出现应力增大现象；
当工作面距断层宽度小于40 m 后，应力增大程度加剧。表明随着工作面向断层方向的推进，煤层采动对断层的扰动越来越大。工作面前方支承压力区范围大致为50 m，最大应力约为50 MPa。工作面底板监测如图7 所示，监测点3上4 表明工作面开采至距断层90 m 处，该监测点处应力开始增大。
图6 覆岩断层监测点竖向应力
图7 底板处监测点竖向应力
模拟分析结果表明，为了保证断层的绝对稳定（断层煤柱不发生失稳，且避免断层受到明显采动影响），大屯断层保护煤柱宽度D1=90 m，并根据局部区域的埋深、断层落差和倾角变化等，进行适当调整。
（1）合理大屯断层保护宽度，需要考虑保证采动条件下煤柱围岩稳定和断层失稳控制的“安全性”需要。根据本文理论研究，大屯断层保护煤柱理论宽度D1=90 m。考虑工作面回采期间还可能受大屯断层伴生及派生断层的影响，而进一步弱化断层煤柱强度及其完整程度，需要适当增加煤柱宽度（即考虑安全系数，参考文献[2,5]研究和经验，本文取安全系数k=1.1），得到大屯断层保护煤柱合理宽度Ds1（单位：m）：
依据实际参数，得到Ds=1.1×90=99 m。
（2）查阅了《煤矿防治水细则》断层煤柱设计规范，以及考虑结合大屯断层实际落差条件，满足“合规性”大屯断层保护煤柱宽度Ds2≥75～86 m。
综合“安全性”与“合规性”两个方面，大屯断层煤柱留设宽度Ds（单位：m）为 ：
为了进一步方便现场技术管理，实际宽度取整数，即Ds=100 m。目前，金源煤矿西部二采区采用上述煤柱留设，已经完成了2318、2320 等工作面安全开采，现场效果良好。
（1）建立了深部大断层滑移失稳力学模型，推导了断层失稳的临界判据，得到通过合理增加煤柱宽度和降低开采扰动实现断层活化控制的力学依据。
（2）数值模拟对比了不同煤柱宽度条件下采场围岩应力和塑性变化，得到了金源煤矿西部二采区大屯断层合理保护煤柱宽度为100 m。
（3）本文研究模型和方法，有助于评估断层活化的可能性，作为断层煤柱设计参考验证依据。
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