斷層煤柱計算方法及其活化對開采影響的分析研究

趙 晨

(山西煤炭運銷集團裕興煤業有限公司，山西 晉城 048000)

1 研究背景及意義

在對煤炭井下開采的礦井各部分設計過程中，對斷層預留保護煤柱寬度設計是一個極其復雜的問題。礦井突水、瓦斯突出、壓力異常增大、資源損失、開采效率等問題都與斷層保護煤柱寬度有關，斷層預留煤柱的寬度留設合理與否，嚴重影響煤炭井下能否安全開采。因此，對煤炭井下開采的礦井各部分設計時，要求設計出合理的斷層保護煤柱寬度變得尤為重要[1-2]。

2 斷層及鄰近工作面概況

裕興煤業15203工作面位于井田的二采區北部。工作面地面標高為+1 131 m～+1 327 m，工作面標高為+901 m～+940 m；工作面南部臨近二采區西翼三條大巷，西部為二采區北翼三條大巷，東部為井田邊界，其中F4斷層位于工作面東部。15203工作面位置平面圖和F4斷層剖面圖分別如圖1和圖2所示。15號煤層屬Ⅱ類自燃煤層，煤塵無爆炸危險性。煤層厚度3.91 m～4.84 m，平均厚度4 m，煤層埋藏深度為242 m～420 m，傾角1°～4°。該工作面為一次采全高采工作面，其中，15203工作面設計長度為225 m，裕興煤業準備在F4斷層上盤附近一定位置布置開切眼，需要通過計算和模擬分析等方法確定F4斷層保護煤柱的寬度；根據礦井建井地質報告可知：F4斷層傾角75°，落差40 m～45 m。

圖1 設計工作面位置與斷層位置示意圖

圖2 斷層剖面示意圖

通過現場資料分析發現，裕興煤業F4斷層傾角較大，對附近巷道和工作面頂底板巖層影響范圍較大，在確定斷層附近巖層保護煤柱尺寸時應考慮較大的安全系數，以確保巷道和工作面回采的安全。

3 斷層煤柱留設原則與計算方法

3.1 留設原則

1) 有利于15203工作面的布置與維護，避開斷層構造應力影響范圍，盡量降低煤炭資源損失。

2) 保護煤柱的寬度應大于頂板初次垮落步距，斷層帶在初次垮落步距以外。

3) 所留設的煤柱應能防止水、有害氣體等災害的發生，回采初期不會造成斷層裂隙擴展范圍與切眼、順槽貫通。

4) 所留設的煤柱應能使斷層避免受到工作面采動影響而活化，采動應力對斷層影響較小或者無影響，斷層處在支承壓力影響范圍以外，采動應力不會造成斷層活化。

3.2 計算方法

裕興煤業F4斷層保護煤柱寬度主要采用查閱相關資料及工程實踐經驗、支承壓力影響范圍、頂板初垮步距以及數值模擬分析的方法等共同確定。

3.2.1 資料查詢及工程實踐

切眼或回采巷道的布置應避免受到斷層構造應力的影響，查閱相關資料及工程實踐經驗，根據斷層落差大小，可以將斷層規模劃分為大、中、小三種類型。一般將落差大于50 m的斷層稱為大型斷層；落差在20 m～50 m的斷層稱為中型斷層；落差小于20 m的斷層稱為小型斷層。落差很大的斷層，斷層一側的煤柱寬度不小于30 m；落差較大的斷層，斷層一側的煤柱寬度一般為10 m～15 m；落差較小的斷層通常可以不留設斷層保護煤柱。裕興煤業15203工作面內F4斷層落差為40 m～45 m，屬于中型斷層，考慮到安全因素，煤柱留設寬度應不小于30 m。

3.2.2 支承壓力影響范圍計算

在斷層附近布置工作面進行回采，工作面與斷層面之間存在保護煤柱。隨著工作面回采時間的增加，工作面后方支承壓力影響區域逐漸遠離斷層帶，支承壓力對斷層帶的影響越來越小。因此，工作面回采對斷層帶影響最大為工作面初采期間，此時工作面后方支承壓力分布規律近似于工作面超前支承壓力的分布規律，工作面支承壓力峰值以及影響范圍計算如下：

根據極限平衡理論，可得工作面支承壓力峰值點距煤壁的距離x0計算公式(1)。

(1)

式中：m為煤層厚度，m；θ為煤體內摩擦角，°；f為層面間的摩擦系數，f=tanθ；K為應力集中系數；γ為巖層平均體積力，N/m2；H為采深，m；τ0為剪切應力，N·m2。

對于裕興煤業15#煤：γ=2.5×104N/m3，m=4.17 m，H=225 m，τ0=1.62×106N/m2，K=3，θ=30°，f=0.577，則：

根據大量理論研究表明，結合類似綜采面大量的觀測數據進行分析，工作面回采所引起的超前支承壓力帶影響范圍計算如式(2)。

(2)

3.2.3 頂板初垮步距計算法

斷層保護煤柱寬度應大于工作面初次垮落步距，具體計算如下：

1) 直接頂初次垮落步距

由收集資料可得，15203工作面直接頂基本由單一的灰巖組成，直接頂初次垮落步距公式如式(3)。

(3)

式中：L為直接頂初次垮落步距,m；MZ為直接頂厚度；σt為巖層抗拉強度，MPa；qz為直接頂載荷，MPa。

對裕興煤業15203工作面取：MZ=7.8 m，σt=7.36 MPa，qz=0.375 MPa。

2) 老頂初次垮落步距[見式(4)]

(4)

式中：L1為老頂初次來壓步距，m；h為老頂巖層厚度，m；Rt為巖層抗拉強度，MPa；q為老頂所承受的載荷，MPa。

對裕興煤業15203工作面取：h=14.96 m，Rt=7.78 MPa，q=3.2 MPa。

4 采動影響下斷層破碎帶圍巖應力分布規律數值模擬分析

利用FLAC3D軟件模擬裕興煤業F4斷層上盤巖層保護煤柱的尺寸分別為10、20、30、40、50 m時，15203綜采工作面后方支承壓力分布規律。經過模擬分析可得出如下結論：

1) 在同一圍巖條件下，工作面后方支承壓力的變化規律隨距工作面的距離的增加呈先增大后減小的變化趨勢。在工作面后方0 m～5 m范圍內，工作面超前支承壓力呈上升趨勢，且增加幅度較大，變化明顯；在工作面后方5 m～40 m范圍內工作面超前

支承壓力逐漸降低，在5 m～30 m降低幅度較大，在30 m～40 m降低幅度較小。工作面后方40 m以外處于原巖應力區。

2) 工作面后方支承壓力峰值位置距工作面的距離約為5 m左右，支承壓力的影響區域約為40 m左右。

5 斷層保護煤柱留設的確定

根據資料查詢及工程實踐方法(見圖3)，裕興

圖3 不同保護煤柱寬度工作面后方支承壓力分布曲線

煤業15203工作面內F4斷層落差為40 m～45 m，屬于中型斷層，考慮到安全因素，煤柱留設寬度應不小于30 m；根據支承壓力影響范圍計算方法，煤柱留設寬度應不小于36.59 m；根據頂板初垮步距計算方法，煤柱留設寬度應不小于32.99 m。數值模擬分析結果：煤柱留設寬度應在30 m～40 m之間較好。綜合分析，最終確定F4斷層上盤附近一定位置布置開切眼時的保護煤柱尺寸為不小于36 m。