断层煤柱计算方法及其活化对开采影响的分析研究

赵 晨

(山西煤炭运销集团裕兴煤业有限公司，山西 晋城 048000)

1 研究背景及意义

在对煤炭井下开采的矿井各部分设计过程中，对断层预留保护煤柱宽度设计是一个极其复杂的问题。矿井突水、瓦斯突出、压力异常增大、资源损失、开采效率等问题都与断层保护煤柱宽度有关，断层预留煤柱的宽度留设合理与否，严重影响煤炭井下能否安全开采。因此，对煤炭井下开采的矿井各部分设计时，要求设计出合理的断层保护煤柱宽度变得尤为重要[1-2]。

2 断层及邻近工作面概况

裕兴煤业15203工作面位于井田的二采区北部。工作面地面标高为+1 131 m～+1 327 m，工作面标高为+901 m～+940 m；工作面南部临近二采区西翼三条大巷，西部为二采区北翼三条大巷，东部为井田边界，其中F4断层位于工作面东部。15203工作面位置平面图和F4断层剖面图分别如图1和图2所示。15号煤层属Ⅱ类自燃煤层，煤尘无爆炸危险性。煤层厚度3.91 m～4.84 m，平均厚度4 m，煤层埋藏深度为242 m～420 m，倾角1°～4°。该工作面为一次采全高采工作面，其中，15203工作面设计长度为225 m，裕兴煤业准备在F4断层上盘附近一定位置布置开切眼，需要通过计算和模拟分析等方法确定F4断层保护煤柱的宽度；根据矿井建井地质报告可知：F4断层倾角75°，落差40 m～45 m。

图1 设计工作面位置与断层位置示意图

图2 断层剖面示意图

通过现场资料分析发现，裕兴煤业F4断层倾角较大，对附近巷道和工作面顶底板岩层影响范围较大，在确定断层附近岩层保护煤柱尺寸时应考虑较大的安全系数，以确保巷道和工作面回采的安全。

3 断层煤柱留设原则与计算方法

3.1 留设原则

1) 有利于15203工作面的布置与维护，避开断层构造应力影响范围，尽量降低煤炭资源损失。

2) 保护煤柱的宽度应大于顶板初次垮落步距，断层带在初次垮落步距以外。

3) 所留设的煤柱应能防止水、有害气体等灾害的发生，回采初期不会造成断层裂隙扩展范围与切眼、顺槽贯通。

4) 所留设的煤柱应能使断层避免受到工作面采动影响而活化，采动应力对断层影响较小或者无影响，断层处在支承压力影响范围以外，采动应力不会造成断层活化。

3.2 计算方法

裕兴煤业F4断层保护煤柱宽度主要采用查阅相关资料及工程实践经验、支承压力影响范围、顶板初垮步距以及数值模拟分析的方法等共同确定。

3.2.1 资料查询及工程实践

切眼或回采巷道的布置应避免受到断层构造应力的影响，查阅相关资料及工程实践经验，根据断层落差大小，可以将断层规模划分为大、中、小三种类型。一般将落差大于50 m的断层称为大型断层；落差在20 m～50 m的断层称为中型断层；落差小于20 m的断层称为小型断层。落差很大的断层，断层一侧的煤柱宽度不小于30 m；落差较大的断层，断层一侧的煤柱宽度一般为10 m～15 m；落差较小的断层通常可以不留设断层保护煤柱。裕兴煤业15203工作面内F4断层落差为40 m～45 m，属于中型断层，考虑到安全因素，煤柱留设宽度应不小于30 m。

3.2.2 支承压力影响范围计算

在断层附近布置工作面进行回采，工作面与断层面之间存在保护煤柱。随着工作面回采时间的增加，工作面后方支承压力影响区域逐渐远离断层带，支承压力对断层带的影响越来越小。因此，工作面回采对断层带影响最大为工作面初采期间，此时工作面后方支承压力分布规律近似于工作面超前支承压力的分布规律，工作面支承压力峰值以及影响范围计算如下：

根据极限平衡理论，可得工作面支承压力峰值点距煤壁的距离x0计算公式(1)。

(1)

式中：m为煤层厚度，m；θ为煤体内摩擦角，°；f为层面间的摩擦系数，f=tanθ；K为应力集中系数；γ为岩层平均体积力，N/m2；H为采深，m；τ0为剪切应力，N·m2。

对于裕兴煤业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，则：

根据大量理论研究表明，结合类似综采面大量的观测数据进行分析，工作面回采所引起的超前支承压力带影响范围计算如式(2)。

(2)

3.2.3 顶板初垮步距计算法

断层保护煤柱宽度应大于工作面初次垮落步距，具体计算如下：

1) 直接顶初次垮落步距

由收集资料可得，15203工作面直接顶基本由单一的灰岩组成，直接顶初次垮落步距公式如式(3)。

(3)

式中：L为直接顶初次垮落步距,m；MZ为直接顶厚度；σt为岩层抗拉强度，MPa；qz为直接顶载荷，MPa。

对裕兴煤业15203工作面取：MZ=7.8 m，σt=7.36 MPa，qz=0.375 MPa。

2) 老顶初次垮落步距[见式(4)]

(4)

式中：L1为老顶初次来压步距，m；h为老顶岩层厚度，m；Rt为岩层抗拉强度，MPa；q为老顶所承受的载荷，MPa。

对裕兴煤业15203工作面取：h=14.96 m，Rt=7.78 MPa，q=3.2 MPa。

4 采动影响下断层破碎带围岩应力分布规律数值模拟分析

利用FLAC3D软件模拟裕兴煤业F4断层上盘岩层保护煤柱的尺寸分别为10、20、30、40、50 m时，15203综采工作面后方支承压力分布规律。经过模拟分析可得出如下结论：

1) 在同一围岩条件下，工作面后方支承压力的变化规律随距工作面的距离的增加呈先增大后减小的变化趋势。在工作面后方0 m～5 m范围内，工作面超前支承压力呈上升趋势，且增加幅度较大，变化明显；在工作面后方5 m～40 m范围内工作面超前

支承压力逐渐降低，在5 m～30 m降低幅度较大，在30 m～40 m降低幅度较小。工作面后方40 m以外处于原岩应力区。

2) 工作面后方支承压力峰值位置距工作面的距离约为5 m左右，支承压力的影响区域约为40 m左右。

5 断层保护煤柱留设的确定

根据资料查询及工程实践方法(见图3)，裕兴

图3 不同保护煤柱宽度工作面后方支承压力分布曲线

煤业15203工作面内F4断层落差为40 m～45 m，属于中型断层，考虑到安全因素，煤柱留设宽度应不小于30 m；根据支承压力影响范围计算方法，煤柱留设宽度应不小于36.59 m；根据顶板初垮步距计算方法，煤柱留设宽度应不小于32.99 m。数值模拟分析结果：煤柱留设宽度应在30 m～40 m之间较好。综合分析，最终确定F4断层上盘附近一定位置布置开切眼时的保护煤柱尺寸为不小于36 m。