安徽建筑大学土木工程学院安徽合肥230022
摘要：以唐家会煤矿DF11断层周边开采为工程背景，构建了工程地质模型。采用模拟软件FLAC3D对DF11不同倾角断层、不同破碎带宽度断层等影响因素进行分析，研究开采过程中覆岩应力变化特征、覆岩破坏规律以及断层的活化、渗流特征。研究分析表明：随着工作面离断层的距离越来越近，覆岩所受的剪应力和垂直向应力逐渐增大，但含水层水压一定。在距离不变的情况下，工作面推进至断层，地下水流的流速会逐渐增大，也就是说煤柱宽度的留设是随着渗水危险性增大而增大的。模拟软件FLAC3D为唐家会煤矿61101工作面开采提供了数值模拟依据，也对矿井的开采和施工具有指导意义。
关键词：FLAC3D;断层;覆岩；煤柱宽度
1引言
煤炭产业一直是我国的传统基础行业，我国许多行业都依赖于煤炭的发展，例如钢铁业的冶炼，电力业火力发电，火车运输，以及人类的生活起居，都离不开煤炭的开采利用。近些年来，随着煤炭开采量的逐年增加，地质开采情况复杂，断层问题突出，造成煤炭开采的技术难度越来越大。本文以唐家会煤矿61101工作面DF11断层开采设计为研究背景，采用FLAC3D模拟软件[1]对DF11不同倾角断层、不同破碎带宽度断层等影响因素进行分析，研究开采过程中覆岩应力变化特征、覆岩破坏规律以及断层的活化、渗流特征。
2工程概况
唐家会煤矿工程开采条件好，煤炭资源储量丰富。井田有煤炭资源总量80522万吨，其中探明储量为10613万吨，设计可采储量为42887万吨。煤质主要为低灰、低硫、低磷、中高热值的长陷煤，是良好的民用和动力用煤。井田内地质构造简单、瓦斯含量低、煤层为较为稳定的特厚煤层，适合综合机械化大规模开采，具备建设大型矿井的资源开采条件。
61101工作面DF11断层水文地质条件复杂，主要含隔水层如下：
（1）第四系松散层潜水含水层（弱含水层）
岩性为上更新统马兰组黄土、全新统冲洪积砂砾石，残坡积砂土及风积砂等，全区分布广泛，多为透水不含水层，只有沟谷中的冲洪积砂砾石层构成松散层潜水的主要含水层。含水层富水性弱，局部富水性较强，由于大气降水的补给量小，所以补给条件差，潜水含水层与下部承压水含水层的水力联系较小，而与地表短暂的洪水水力联系密切。该含水层为矿床的间接充水含水层。
（2）新近系半胶结岩层隔水层
岩性为红色、棕红色砂质粘土，即红土层，含丰富呈层状分布的钙质结核，呈半胶结状态，出露于井田北部沟掌一带，厚度小于15m，该隔水层的透水性微弱，但在井田内分布不太连续，只能起局部隔水作用，隔水性能相对较差。
61101首采工作面位于一盘区东翼，工作面东至井田东边界，西至6煤辅运大巷，走向长2300m，工作面回采宽度220m。61101首采工作面煤层倾角0～3°，平均2°；煤层平均可采厚度为15.4m，煤层结构复杂，含矸4～7层，全区稳定，煤质为长焰煤，开采标高机巷770-795m，风巷770-785m，现5煤砂岩长观孔水位标高847.32m，BK1水位标高为824.95m，奥灰长观孔水位标高为875.31m，采用综采放顶煤方法开采，全部垮落法管理顶板。
为确保工作面安全开采，设计且施工6个顺层长钻孔（其中5煤砂岩顺层长钻孔疏放水量由初始100m3/h逐渐衰减为0；6煤砂岩顺层长钻孔疏放水量由初始60m3/h逐渐衰减到目前10m3/h，56个穿层顶板砂岩放水钻孔（疏放水量140m3/h左右），7个奥灰水文检查孔DF11断层斜穿工作面中部，给矿井安全开采造成严重威胁，以下建立了FLAC3D模型[2]。
（1）模型建立
图1.3工作面距离断层210m时倾角为50°覆岩的应力变化图
图1.3反映了断层中倾角应力变化图，图1.3为工作面距离断层210m时倾角为50°覆岩的应力变化图，在开采煤层中，断层倾角为50°时，，覆岩所受的剪应力和垂直向应力在逐渐增大。在较大倾角时，如图1.3，随着断层倾角的增大，在推进相同距离时，倾角较大的断层，其剪应力反而越小。
3不同倾角断层，煤层开采过程中断层界面应力场变化特征
图2.1-2.2具体给出了不同倾角的断层，煤层在开采过程中，断层界面上同一标高处的应力变化曲线[3]。从图2.1-2.2中可以看出，随着工作面的推进，断层带内所受的垂向应力逐渐增大；同时随着断层倾角的增加，在工作面推进至断层30m时，断层带内所受的正应力逐渐减小。
（1）断层滑移受不同倾角断层的作用
下面给出了工作面推进到距离断层30m时倾角分别为50°、60°，断层上下盘界面的滑移量。
图2.3-2.4给出了断层界面上不同倾角滑移曲线，在上盘进行煤层开采时，断层界面随着倾角增大，垂直向位移变小，虽然断层倾角由50°增加到60°，但是断层垂直向位移曲线依然很小，工作面开采至距离断层30m时产生的。图中时步由0～216×102是属于工作面推进距离断层210m的运算时步，805×102时步之后是属于工作面推进距离断层30m的运算时步。
垂直向应力/Szz
图3.1距离断层90m时宽度为5m破碎带下覆岩应力工作面的变化图
图3.1给出了推进到距离不变情况下覆岩应力在工作面中的不同变化图，由图中也能够得出，其覆岩中的剪应力和覆岩中所受到的垂直向应力是随着煤层开采越来越大；由图3.1能够得出，推进到距离不变的情况下，由于断层破碎带宽度的增大，覆岩中的剪应力也会增大，而垂直向应力却减小。当推进至距离断层90m的工作面时，宽度为5m时断层破碎带所受的最大剪应力为8.603MPa，垂直向应力为39.791MPa.
（2）断层界面应力场在开采过程中变化特征
图3.2具体可以看出煤层在开采破碎带宽度为5m的断层，断层界面上同一标高处的应力变化曲线[4]。从图3.2中同样可以看出，在煤层连续推进过程中，破碎带宽度为5m的断层带内应力变化表现出的规律，随着工作面的推进，断层带内的垂向应力逐渐增大；同时由于断层破碎带宽度逐渐增加.
（3）煤层开采过程中岩层孔隙压力变化特征
由图3.3能够得出，当推进距离断层为30m工作面时，覆岩[5]的煤柱顶、底板孔隙力随着断层破碎带宽度增加逐渐增加，因此可以得出渗水危险性的大小是由断层破碎带宽度大小作用决定的。
图3.4可以看出距离断层30m工作面时，宽度为5m断层破碎带的水流矢量图。岩层破坏是由于煤柱宽度减小而逐渐增大，随着水压不断升高，最后导致随着煤柱宽度的减小，表现出水速加快的结果；从图3.4能够得出在推进到距离断层30m时的工作面开采中水的流速是随着断层破碎带宽度的增大而增大，因此能够得出煤柱宽度的留设是随着渗水危险性增大而增大的。
5结论
通过FLAC3D数值模型研究，对唐家会煤矿DF11不同倾角断层、不同破碎带宽度断层等影响因素进行分析，研究开采过程中覆岩应力变化特征、覆岩破坏规律以及断层的活化、渗流特征。得出以下结论：
（1）随着工作面离断层的距离越来越近，覆岩所受的剪应力和垂直向应力逐渐增大，但含水层水压一定。
（2）随着断层倾角的增大，覆岩中所受到的垂向应力越来越大，而随着断层倾角的增大，覆岩所受的剪应力反而越来越小；断层带内所受的正应力随着工作面的推进逐渐增大，同时随着断层倾角的增大逐渐增大；断层界面的垂直向位移是随着断层倾角增大而增大，在距离不变的情况下，工作面推进至断层时，同一标高处上盘界面的滑移量大于下盘界面的滑移量；在距离相同时，煤柱及底板的塑性破坏范围是随着断层倾角减小而增大，可以得出在其他情况相同条件下，覆岩煤柱顶及底板孔隙中的压力是随着断层倾角减小而增大，在距离不变的情况下，工作面推进至断层，地下水流的流速会逐渐增大，也就是说留设的煤柱宽度是随着渗水危险性增大而增大的。
（3）在距离不变的情况下，覆岩中的剪应力和覆岩中的垂直向应力以及断层中受到的正应力都是随着破碎带宽度增大而增大；断层中上盘界面的滑移量受破碎宽度带作用越大，与之越大。上盘界面的滑移量大于下盘界面的滑移量，其影响范围及程度也会增大；可以得出在其他情况相同条件下，覆岩煤柱顶及底板孔隙中的压力是随着断层倾角减小而增大，在距离不变的情况下，工作面推进至断层，地下水流的流速会逐渐增大，也就是说留设的煤柱宽度是随着渗水危险性增大而增大的。
参考文献：
[1]韩应法，黄玉凯。FLAC3D在宝日希勒露天煤矿应用分析[J]神华科技，2010，8（1）：27-29，77.
[2]陈玉明，徐鼎平。FLAC/FLAC3D基础与工程实例[M].第二版.北京：中国水利水电出版社，2013：1-5，95-98
[3]金小川，周宗红，陈学辉.浅谈原岩应力及测量方法[J].矿产与地质，2012，26（5）：363-365.
[4]贾晓亮，催洪庆，张子敏.断层端部地应力影响因素数值分析[J].煤田地质与勘探，2010，38（4）：47-51
[5]李振华，薄基岩煤层覆岩裂隙演化的分形特征研究[J].采矿与安全工程学报，2010，（4）：576-580
[6]许延春，综放开采防水煤岩柱保护层的“有效隔水厚度”留设方法[J]，煤炭学报，2005，（3）：305-308
基金项目：该项目由国家自然科学基金51274007资助。