1、1042023 年第 10 期断层活化及防水煤柱留设数值模拟研究王 利1 王忠雪2 李 瑶2（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）摘 要 为解决阳城煤矿 1311 工作面 FD121 断层活化造成工作面突水的问题，利用 FLAC3D模拟分析留设不同宽度煤柱及使用“只采不放”方法，对工作面回采过程中覆岩应力场、断层滑移、塑性破坏特性以及断层活化特性等展开研究。结果表明：防水煤柱宽度越小，工作面正应力、剪应力和最大主应力越大；断层面位移越大，上、下盘塑性区接触越大，突水概率越大。邻近 FD121 断层开采时，留设 22 m
2、 煤柱是可靠的，而当只采不放时，“采”部分的煤柱可减小为 16 m。关键词 数值模拟；断层活化；应力场；塑性区；流固耦合中图分类号 TD822+.3 文献标识码 B doi:10.3969/j.issn.1005-2801.2023.10.024Numerical Simulation Study on Fault Activation and Waterproof Coal Pillar SettingWang Li1 Wang Zhongxue2 Li Yao2(1.Shandong Jining Yunhe Coal Mine Co.,Ltd.,Shandong Jining 27205
3、5;2.School of Resources,Shandong University of Science and Technology,Shandong Taian 271019)Abstract:In order to solve the problem of water inrush caused by the activation of the FD121 fault in the 1311 working face of Yangcheng Coal Mine,using FLAC3D to simulate and analyze the setting of coal pill
4、ars with different widths and the use of only mining without caving method,and conducting research on the stress field,fault slip,plastic failure characteristics,and fault activation characteristics of the overlying rock during the mining process of the working face.The results show that the smaller
5、 the width of the waterproof coal pillar,the greater the normal stress,shear stress,and maximum principal stress of the working face;The larger the displacement of the fault plane,the greater the contact between the plastic zones of the upper and lower walls,and the greater the probability of water
6、inrush.When mining near the FD121 fault,setting a 22 m coal pillar is reliable,but when only mining without caving,the mining part of the coal pillar can be reduced to 16 m.Key words:numerical simulation;fault activation;stress field;plastic zone;fluid solid coupling收稿日期 2023-03-11作者简介 王利（1980），男，山东
7、邹城人，2013 年毕业于山东科技大学采矿工程专业，本科，高级工程师，主要从事煤矿安全生产与管理工作。王 利等：断层活化及防水煤柱留设数值模拟研究随着我国浅部煤炭资源开发殆尽，并且煤炭需求量逐年递增，我国未来要转向深部开采，深部煤层赋存条件越来越复杂，特别是断层构造使开采难度大大增加1-2，因此，开展断层发育对工作面开采产生的影响的研究非常重要。在采动影响下，断层上盘和下盘沿断层面发生相对滑移，引起断层活化现象，使得断层的导水性增加，更容易形成突水通道3-4。当前，国内外学者针对采动影响下断层活化机理与其发展现状进行了一系列研究。彭文庆等5运用各力学理论推导了不同断层倾角的防水煤柱宽度计算公式
8、。师维刚等6通过建模分析，对防水隔离煤柱重新分区，规范了相关经验参数取值，使得防水煤柱设计更加全面。姜耀东等7通过在断层模型中添加监测点，观察法向应力和剪应力变化以研究断层活化规律，发现工作面距离断层越近，断层越易于活化。程浩等8模拟研究了断层在采动影响下对煤层顶底板变形的影响过程，对比发现断层情况下更容易引发突水危险。吴俊达等9使用相似材料模拟试验与数值模拟两种方法，对采动影响下断层的活化特征和煤柱留设进行了分析。杨本水等10研究断层对煤层围岩的影响程度，发现断层情况下预留合适长度的煤柱可以有效预防水害。朱光丽等11、张培森等31213、王浩杰等14利用数值模拟方法对断层活化突水的影响因素、
9、覆岩运动破坏形态、1052023 年第 10 期王 利等：断层活化及防水煤柱留设数值模拟研究底板裂隙延伸特征等展开研究。随着煤炭资源开采深度和强度的持续增加，断层活化导致的突水灾害严重威胁生产安全，因此，为了防止断层以及断层附近裂缝造成工作面突水，需要留设尺寸合理的断层保护煤柱。通过 CAE 近些年发展，使用有限差分数值模拟的方法可模拟断层在留设不同宽度防水煤柱时的活化程度，可以为工作面留设防水煤柱的尺寸提供参考依据15。本文通过分析 FLAC3D模拟留设不同宽度煤柱时，煤层开采过程中覆岩应力场变化规律、塑性区破坏特征及孔压和水流速度变化特征，然后综合对比分析，为断层防水保护煤柱宽度留设提供依
10、据。1 地质概况阳城煤矿 1311 综采放顶煤工作面走向长度 517 m，倾向长度 200 m，煤层埋深在-410-640 m，煤岩层倾角平均 20，3 煤厚度平均 7.2 m。煤层及顶板层理发育，内生裂隙较多；1311 工作面可能引起水害的主要充水含水层为山西组 3 煤层顶板砂岩含水层、石炭系太原组三灰以及断层水，其中3 煤顶板砂岩为直接充水含水层。工作面存在一正断层为 FD121 断层，FD121 断层走向 45，倾向315，倾角 50，落差 2050 m。2 数值模拟模型建立合理的计算范围对确保计算精度至关重要，本次模拟确定了如下的计算范围：模型尺寸长 宽 高=825 m200 m265
11、 m。根据研究目的，对断层上、下盘煤层及煤层直接顶网格进行加密处理，网格划分如图 1 所示。在模型的四周边界均约束水平位移，底部边界约束水平位移和垂直位移，上边界为自由面。本模型所受的重力载荷梯度为 25 kPa，上边界模拟岩层等效均布荷载q=h=25009.8350 8.58 MPa。根据大量的岩石力学试验以及工程类比可以得知，Mohr-Coulomb准则能较好地反映出岩石破坏特性，因此选取Mohr-Coulomb 本构模型进行分析。模拟计算所采用的岩体力学参数见表 1。利用数值模拟软件 FLAC3D，分析 1311 工作面开采对 FD121 断层活化的影响。方案一为模拟断层防水煤柱宽度分别
12、留设 33 m、27 m、22 m、16 m和 11 m 时，煤层开采过程对断层活化的影响；方案二为当断层防水煤柱宽度设定在 27 m 不变情况下，在煤柱部分工作面只采不放，逐渐缩小开采部分的煤柱尺寸为 22 m、16 m、11 m 时，煤层开采过程对断层活化的影响。图 1 模型网格划分表 1 各种岩性的物理力学参数岩性体积模量/GPa剪切模量/GPa抗拉强度/MPa内聚力/MPa内摩擦角/（）中砂岩3.52.53.018.032细砂岩3.32.42.88.232粉砂岩4.03.02.23.5333 煤1.81.40.91.830泥岩2.81.91.83.432砂质泥岩3.32.42.58.5
13、323 数值模拟结果分析3.1 煤层开采过程中覆岩应力场特征由图 2（a）可知，随着工作面推进，防水煤柱宽度越小，最大剪应力和最大主应力均呈现逐渐增大的趋势。煤柱分别为 33 m、27 m、22 m、16 m 和 11 m 时，工作面采动对应的正应力分别为4.75 MPa、4.82 MPa、4.91 MPa、5.40 MPa 和 5.36 MPa，对应的最大剪应力分别为 2.42 MPa、2.48 MPa、2.52 MPa、2.59 MPa 和 2.77 MPa，对应的最大主应力分别为2.66 MPa、2.68 MPa、2.78 MPa、2.88 MPa 和 3.11 MPa，留设 11 m
14、煤柱较 33 m 煤柱分别增长 12.8%、14.5%和 16.9%。当防水煤柱宽度大于 16 m 时，正应力随防水煤柱宽度的减小而逐渐增长，且在 22 m 时增长趋势更加明显。防水煤柱宽度小于 16 m 时，正应力随防水煤柱宽度的减小而缓慢减小，正应力在防水煤柱宽度为 11 m 时较之 16 m 时降低了约 0.7%。由图2（b）可知，“开采”部分煤柱分别为27 m、22 m、16 m、11 m 时，工作面采动对应的正应力分别 为 4.82 MPa、4.90 MPa、4.91 MPa、5.45 MPa，对应的剪应力分别为 2.482 MPa、2.526 MPa、2.524 MPa、2.465
15、 MPa，对应的最大主应力分别为 2.681 MPa、2.773 MPa、2.777 MPa、2.967 MPa。可以看出，随着工作面的推进，正应力和最大主应力逐渐增大，1062023 年第 10 期而剪应力除了由 27 m 变为 22 m 时略有增大外，其他均逐渐减小。（a）方案一在采动过程中覆岩应力场特征图（b）方案二在煤层开采过程中覆岩应力场特征图图 2 不同宽度防水煤柱应力场特征3.2 煤层开采过程中断层位移变化由图 3 可知，随着工作面的推进，FD121 断层面上的位移整体呈现增大趋势，煤柱尺寸缩减至 33 m 时，断层面上开始有明显位移，但总的来说，位移显现不明显；煤柱尺寸缩减至
16、22 m 后，断层面上的各个监测点位移都较之前有了大幅度的增加。从四个位移监测点的监测结果可看出，断层下盘位移测点受煤层开采影响产生的滑移量较上盘要大，因为下盘监测点离开采煤层的距离较近，同时受到断层带的阻隔作用，使得上盘滑移量较小。在方案二中 FD121 断层面上的位移整体不明显，且与方案一相同的是，断层下盘位移测点产生的滑移量较上盘要大。图 3 断层面位移变化图3.3 煤层开采过程中塑性区演化特征图 4 展示了两个方案在采动过程中塑性区演化特征。如图 4 所示，随着煤柱宽度缩短，工作面顶、底板岩层均呈现不同程度的破坏，塑性区向着断层方向延伸且顶板的覆岩破坏范围较之底板要大得多。留设煤柱宽度
17、为 33 m 和 27 m 时，顶板塑性区有零星模拟单元与 FD121 断层接触，同时断层上盘出现较小区域塑性破坏区。当留设 22 m 煤柱时，顶板塑性区与 FD121 断层的接触单元面积增大，且塑性区开始越过断层，在断层上盘附近出现零星塑性区单元；当留设煤柱宽度为 16 m、11 m 时，顶板塑性区面积进一步增大，且下盘塑性区越过FD121 断层与上盘塑性区接触。因此，可认为煤柱宽度小于 22 m 后断层被活化，形成导水通路，工作面存在较大突水危险性。与方案一相同，工作面顶板的覆岩破坏范围较之底板要大得多，但在“采”部分的煤柱尺寸逐渐缩小的过程中，顶、底板的塑性破坏区均未发生显著的破坏区扩大
18、现象，仅在当“采”部分煤柱缩短为 11 m 时，断层上下盘塑性区连接，整体塑性区范围较为增大。可见当煤层“只采不放”情况下，将“采”部分煤柱缩短不会引起开采对于上覆岩层以及断层的进一步明显破坏。采用此种方法，可在保证开采破坏范围基本不变的情况下，将“采”部分煤层进一步解放。A.工作面留设 27 m 煤柱 B.工作面留设 22 m 煤柱 C.工作面留设 16 m 煤柱 D.工作面留设 11 m 煤柱（a）方案一：不同宽度防水煤柱覆岩破坏特征图 A.“采”部分煤柱为 27 m B.“采”部分煤柱为 22 m C.“采”部分煤柱为 16 m D.“采”部分煤柱为 11 m（b）方案二：“采”部分尺寸
19、不同煤柱覆岩破坏特征图图 4 不同宽度防水煤柱覆岩破坏特征图3.4 断层渗流特征图 5 为两种方案在采动过程中的水流矢量图。由图得知，当方案一留设煤柱宽度为 33 m、27 m、1072023 年第 10 期王 利等：断层活化及防水煤柱留设数值模拟研究22 m、16 m、11 m 时，最大孔隙压力分别为 7.70 MPa、7.93 MPa、8.28 MPa、8.26 MPa、8.62 MPa，随着煤柱宽度缩短，靠近断层附近孔隙压力值逐渐增大，并且影响范围均逐渐增大。虽然整体的最大水流矢量并未明显改变，但是由于煤层持续开采产生的高集中应力致使前方断层带附近区域产生裂隙，而导致区域的水流流速逐渐加
20、快。具体来说，煤柱为 27 m 时水流矢量的箭头要较 33 m 时更长也更密，即水流流速也就更大，但是两者水流矢量影响并不显著。当煤柱为 22 m 时，水流矢量更加明显，且流向断层下盘的水流显著增多。将煤柱进一步缩短为16 m 和 11 m 时，断层带上下盘两个方向的水流均显著增多且水流进一步显著增大，断层的导水性进一步明显提高，大大增加了工作面发生突水的可能性。保持煤柱整体尺寸 27 m 不变，逐渐缩小“采”部分的煤柱尺寸，而“放”部分的煤柱不变时，靠近断层一侧煤柱底板围岩孔隙压力同样随着工作面的推进而逐渐增大，但是相较于方案一，增加的并不明显；在工作面靠近断层的区域，当“采”部分的煤柱由
21、27 m 逐渐变为 22 m 和 16 m 过程中，水流矢量变化并不明显，而当煤柱变为 11 m 时，断层附近水流矢量增加较为明显，增加幅度显著提高。因此可以认为，方案二煤柱在前期逐渐减小的过程中，并不会引起破坏范围以及水压的显著变化，但当煤柱为 11 m 时，破坏范围及水压增大明显，工作面突水可能性显著提高。A.工作面留设 27 m 煤柱 B.工作面留设 22 m 煤柱 C.工作面留设 16 m 煤柱 D.工作面留设 11 m 煤柱（a）方案一：不同宽度防水煤柱水流矢量图 A.“采”部分煤柱为 27 m B.“采”部分煤柱为 22 m C.“采”部分煤柱为 16 m D.“采”部分煤柱为 1
22、1 m（b）方案二：不同宽度防水煤柱水流矢量图图 5 不同方案防水煤柱水流矢量图4 结论1）防水煤柱的宽度越短，正应力、剪应力和最大主应力均呈现出随着工作面推进逐渐增大的趋势，各应力最大增长位置分别在煤柱 16 m、11 m、11 m 处，最大增长率分别为 10%、6.9%、8%。随着煤柱宽度缩短，断层面位移逐渐增大，煤柱 22 m以后位移变化率最大，由于断层阻隔作用，断层下盘界面位移比上盘界面位移大。2）随着煤柱宽度缩短，塑性区向着断层方向延伸，工作面顶、底板岩层均呈现不同程度的破坏，且顶板的覆岩破坏范围较之底板要大得多。当留设22 m煤柱时，在断层上盘附近出现零星塑性区单元，煤柱宽度为 1
23、6 m 时，下盘塑性区越过 FD121 断层与上盘塑性区接触，此时可视为已经形成导水通路。3）随着煤柱宽度缩短，靠近断层附近孔隙压力值和影响范围均逐渐增大。煤柱进一步缩短为 16 m 和 11 m 时，孔压影响范围完全穿越 FD121 断层，此时认为断层导水通路基本形成，工作面发生突水的可能性大大增加。综合应力场特征，塑性区演化特征和断层渗流特征，留设 22 m 安全煤柱最优，可以有效避免断层活化突水。4）当煤柱整体尺寸保持 27 m 不变，煤柱仅采不放情况下，逐渐缩小“采”部分的煤柱尺寸，而“放”部分的煤柱不变时，当“采”部分煤柱分别为 27 m、22 m、16 m 时，并不会引起破坏范围以
24、及水压的显著变化，但当煤柱为 11 m 时，破坏范围及水压增大明显，工作面突水可能性显著提高。因此，该方案“采”部分的煤柱可减小为 16 m。【参考文献】1 齐庆新，潘一山，舒龙勇，等.煤矿深部开采煤岩动力灾害多尺度分源防控理论与技术架构 J.煤炭学报，2018，43（07）：1801-1810.2 袁亮.煤炭精准开采科学构想 J.煤炭学报，2017，42（01）：1-7.3 张培森，颜伟，张文泉，等.固液耦合模式下含断层缺陷煤层回采诱发底板损伤及断层活化突水机制研究 J.岩土工程学报，2016，38（05）：877-889.4 田雨桐，张平松，吴荣新，等.煤层采动条件下断层活化研究的现状分析
25、及展望 J.煤田地质与勘探，2021，49（04）：60-70.5 彭文庆，王卫军，李青锋.不同断层倾角条件下防水煤柱合理宽度的研究 J.采矿与安全工程学报，2009，26（02）：179-182+186.（下转第 112 页）1122023 年第 10 期6 师维刚，张嘉凡，张慧梅，等.防水隔离煤柱结构分区及合理宽度确定J.岩石力学与工程学报，2017，36（05）：1227-1237.7 姜耀东，王涛，赵毅鑫，等.采动影响下断层活化规律的数值模拟研究 J.中国矿业大学学报，2013，42（01）：1-5.8 程浩，杨本水.基于 FLAC3D五沟煤矿 1031 工作面采动覆岩变形破坏特征研究
26、J.皖西学院学报，2018，34（02）：134-140.9 吴俊达，解建，孙亚楠，等.承压水上工作面采动诱发断层活化及煤柱留设研究 J.煤炭工程，2020，52（05）：133-137.10 李浩然，杨本水.断层对煤层回采的影响模拟研究 J.四川轻化工大学学报（自然科学版），2022，35（05）：87-94.（上接第 107 页）正射影像，根据影像纹理、地层产状，对填图区的地层进行地质界限划分。经现场验证，与实际情况相符。图 4 成果图对于勘查区的构造解译，通过卫星影像和无人机正射影像综合来看，填图区内解译断层 12 条，其中 9 条断层呈西南-东北走向，2 条呈东南-西北走向；还有贯穿区
27、内的大断层 f1，共计 12 条断层；另外勘查区有 1 条明显的褶皱，为“S”型。5 展望本次遥感解译主要针对沉积岩，解译数据用到了中分辨率的卫星多光谱影像、无人机正射影像、实景三维模型，工作中发现了很多问题，需要在后续工作中加强。1）构造解译要充分利用三维模型，除了直接判读外，间接、邻比、综合判读法应积极尝试，重视地形、地貌、地物在构造中的作用。2）岩性解译要以多光谱影像为主，从各地层的差异入手，有针对性对图像进行强调。3）遥感填图规程要求，对特殊标志层要进行提取，另外发现遥感填图需要大量的岩石光谱信息和空间信息，所以，对高光谱影像后续应充分利用，来划分更细致的岩性界限，来识别填图区内的蚀变
28、、岩浆岩等活动特征。【参考文献】1 蔡晓文，李晓东，牛彦杰，等.甘肃山丹花草滩煤矿扩大区煤炭详查钻井液工艺及应用 J.探矿工程（岩土钻掘工程），2020，47（11）：56-60.2 王辉，汤洪志，许志彬，等.江西某地区遥感地质 解 译 J.西 部 探 矿 工 程，2019，31（03）：127-128+133.3 张亮，那晓东，刘知，等.基于国产 GF-2 卫星影像的遥感地质解译:以阿吾拉勒地区为例 J.地质科技情报，2018，37（02）：233-240.4 李志龙，王文博.遥感地质信息解译工作方法研究 J.四川有色金属，2018（02）：9-11.5 刘登忠，李斌山四川南江地区 1：50
29、00 遥感地质填图效果评价 J.成都理工学院学报，1997，24（02）：108-11211 朱光丽，张文泉，张贵彬，等.采动诱发断层活化导水试验研究 J.岩土力学，2017，38（11）：3163-3172.12 张培森，杨健，王明辉，等.固液耦合模式下采动诱发断层界面应力变化规律的模拟研究 J.中国矿业，2014，23（04）：84-89.13 昌修林，张培森，阳华，等.采动诱发断层活化规律相似模拟试验研究 J.煤炭科学技术，2018，46（S1）：107-111.14 王浩杰，方家虎，孙萍.钱营孜矿 F22 高角度正断层防水煤柱留设宽度研究 J.煤矿安全，2023，54（01）：188-197.15 邓新刚，刘国利，殷现民.基于数值模拟法采煤沉陷应力导致的断层活化导水机理的技术研究J.煤炭技术，2020，39（02）：118-120.
