尹会永，郎 宁，周鑫龙，曹始友，王 鹏，徐国梁

（1.山东科技大学 地球科学与工程学院，山东 青岛 266590；2．山东省沉积成矿作用与沉积矿产重点实验室，山东 青岛 266590；3．枣庄矿业（集团）有限责任公司，山东 枣庄 277100；4．山东省三河口矿业有限责任公司 山东 济宁 277600）

我国许多煤矿开采地质条件较为复杂，且近年来开采深度不断增加，使底板水害的威胁程度不断增大[1-2]。断层作为重要的导水通道，可将深部含水层与煤层连通，与断层有关的突水事故占总数80%以上[3]。根据断层含（导）水性合理留设防隔水煤（岩）柱是矿井水害防治的有效方法之一[4]。正确认识断层的含（导）水性以及留设合理的断层防水煤（岩）柱宽度，有助于正确指导矿井防治水工作和安全生产，提高资源回收率。

目前，判断断层的含（导）水性的方法主要有水文地球化学特征分析、连通性试验、抽（放）水试验、钻探、地球物理勘探以及油气勘探中断层封闭性评价等方法[5-6]。其中油气勘探中断层封闭性评价分为侧向封闭性评价和垂向封闭性评价，侧向封闭性评价方法中应用较多的为可以直观展现断层两盘岩性对接关系的岩性并置法和SGR断层泥比率法[7]，垂向封闭性主要使用断层面正压力进行评价[8]，断层封闭性越好则其导水性越差。断层煤柱留设宽度主要根据《煤矿防治水细则》[9]中的经验公式进行计算，数值模拟技术也广泛应用于断层活化规律研究[10]。三河口煤矿一采区3上107工作面东部为三河口断层，西部为前寨断层，组合为地堑，两断层均下切至奥灰含水层，其导水性直接影响着工作面的安全开采，勘探时期三河口断层和前寨断层被评价为导水断层，但在生产活动中发现这2条断层导水性较弱，因此需要重新对这2条断层的导水性进行准确评价。根据三河口煤矿一采区3上107工作面地质资料，通过钻探、物探以及巷道揭露资料分析结合断层封闭性方法对天然状态下前寨断层以及三河口断层的含（导）水性进行了综合判断，并使用FLAC3D6.0软件对工作面开采条件下的断层活化规律进行了研究，根据评价结果使用规范公式对断层煤柱留设宽度进行了计算，以保证3上107工作面的安全开采，并为三河口煤矿后续工作面的开采提供经验参考。

1 工程概况

以三河口煤矿一采区3上107工作面为研究区，目前尚未开采。研究区示意图如图1。

图1 研究区示意图Fig.1 Schematic diagram of study area

三河口煤矿位于山东省济宁市微山县，面积9.543 km2，为隐蔽式石炭～二叠纪含煤地层，主采煤层是3上、3下煤层。3上107工作面东部为三河口断层（∠70°，H=25～120 m），西部为前寨断层（∠70°，H=0～20 m），均为正断层，组合为地堑，均属查明断层。3上107工作面位于两断层共同的上盘块段。3上煤底板标高-290~-330 m，赋存厚度4.75～5.58 m，平均厚度5.1 m。3上煤层开采主要受顶板砂岩水及下部各层灰岩水影响，根据实际生产资料，3上煤顶板砂岩含水层充水程度低，三灰揭露无水，均不构成威胁，奥灰含水层威胁较大，其水位标高为-135.9 m。

2 断层含水性评价

1）地面钻探。根据勘探时期钻探资料，F9-3、F7-6号钻孔穿过三河口断层，F8-2号钻孔穿过前寨断层。这3个钻孔均不漏水，并且从邻近采区揭露断层带看，充填较好，多数断层为隔水层与隔水层对口或含水层与隔水层对口，说明钻孔控制地带断层带富水性极弱或不含水。

2）巷道工程。一采区补充回风巷、井下回风石门穿过三河口断层，穿过断层前，于巷道迎头处进行瞬变电磁探测以及井下钻探，未发现有涌水现象，随后巷道在未施工任何注浆工程条件下，直接穿过断层带，亦无涌水现象。采区辅助采区回风巷、一采区辅助采区轨道巷穿过前寨断层，穿过断层前，于巷道迎头处进行瞬变电磁探测，发现1处异常区，随后施工5个井下钻孔进行验证，其中1个钻孔出现少量涌水，初始涌水量1.5 m3/h，水压0.1 MPa，短时间内疏干，其水样水化学特征与奥灰水样不一致，判断其水源为3上煤层顶板砂岩水，随后巷道在未施工任何注浆工程条件下，直接穿过断层带，无涌水现象。

3）断层含水性地球物理探查与井下钻探。在3上107工作面运输巷和材料巷对三河口断层与前寨断层进行瞬变电磁探测，结果表明两断层整体视电阻率值均较高，未发现相对低阻异常区。并于3上107工作面材料巷布置3处钻场进行顺煤层钻探，分别于32、31、43 m深度见三河口断层，岩性分别为泥岩、砂质泥岩、砂质泥岩，钻孔均无涌水现象。

4）断层含水性综合判断。上述钻探、物探工程已基本覆盖三河口断层与前寨断层，结果表明，三河口断层以及前寨断层断层带及附近岩层均不含水。

3 天然状态下断层导水性评价

3.1 断层侧向导水性综合评价

断层两盘含隔水层对接关系以及断层带透水性共同决定断层侧向导水性[7,11]。断层两盘含隔水层对接关系可使用岩性并置图直观的体现，断层带透水性则可以以SGR法为判断根据。现以岩性并置图法以及SGR法对三河口断层与前寨断层侧向导水性进行综合评价

3.1.1 岩性并置图法

岩性并置图法以含水层对接区域面积占评价区域面积百分比即含水层对接概率为评价根据，含水层对接概率越低，则研究段含水层被隔水层封堵程度越高，断层侧向封闭性越好，从而说明断层侧向导水性越差，含水层对接概率越高，则研究段含水层被隔水层封堵程度越低，断层侧向封闭性越差，则说明断层侧向导水性越好[12]。含水层包括细砂岩、中砂岩、粗砂岩和灰岩，隔水层包括泥岩、砂质泥岩和粉砂岩，分别绘制三河口断层以及前寨断层上盘和下盘地层含隔水层岩性图，叠加得到三河口断层以及前寨断层岩性并置图，计算三河口断层以及前寨断层含水层对接概率，对断层侧向导水性进行评价。断层侧向导水程度分级表见表1。

表1 断层侧向导水程度分级表Table 1 Water conduction level scale of fault side

3.1.2 SGR法

SGR法是由1种以断层泥比率（SGR）定量评价断层侧向封闭能力强弱的方法。根据SGR值的大小可划分为以下几种情况：①SGR＜15%时，形成聚解带或碎裂岩，断层侧向封闭性差；②15%＜SGR＜40%时，形成层状硅酸盐框架结构断层岩，断层侧向封闭性好；③SGR＞40%时，形成泥岩涂抹，断层侧向封闭性好[13]。因此SGR=15%是断层是否导水的临界值，SGR＜15%时，断层侧向导水性好，SGR＞15%时，断层侧向导水性差[7]。SGR计算模型图如图2。

图2 SGR计算模型图Fig.2 SGR calculation model diagram

SGR计算见式（1）：

式中：SGR为断层泥比率，%；Vsh为断移地层带泥质百分含量，%；△Z为断移地层带厚度，m；D为断层的断距，m。

3.1.3 断层侧向导水性综合评价

基于岩性并置图与SGR法，得到三河口断层及前寨断层岩性并置与SGR图，三河口断层岩性并置与SGR值如图3，前寨断层岩性并置与SGR值如图4。综合评价三河口断层及前寨断层的侧向导水性。

图4 前寨断层岩性并置与SGR值Fig.4 Lithology juxtaposition diagram and SGR values of the south section of Qianzhai fault

由图3可以看出，三河口断层含水层对接程度差。三河口断层SGR值最低为23%，普遍集中于86%以上，绝大部分区域形成泥岩涂抹，根据SGR法的评价标准认为三河口断层侧向导水性差。综合岩性并置图法以及SGR法的评价结果得出，三河口断层侧向导水性差。

图3 三河口断层岩性并置与SGR值Fig.3 Lithology juxtaposition diagram and SGR values of the south section of Sanhekou fault

由图4可以看出，前寨断层含水层对接窗口极不发育，含水层对接区域面积仅占3上煤层区域面积的的1.41%，据表1标准评价前寨断层侧向导水性差。前寨断层SGR值最低为83%，均形成泥岩涂抹，根据SGR法的评价标准认为前寨断层侧向导水性差。综合岩性并置图法以及SGR法的评价结果得出，前寨断层侧向导水性差。

3.2 断层垂向导水性综合评价

断层垂向导水性评价需要考虑2个因素：一是断层带内的泥岩能否发生塑性流动堵塞裂隙，二是水压对断裂面的劈裂作用；断层面正压力的计算则是这2个因素的基础[6,14]。断层面受力分析示意图如图5。

图5 断层面受力分析示意图Fig.5 Diagram of stress analysis on fault plane

断层面所受正压力计算见式（2）：

式中：p为断层面所受正压力，MPa；Z为断层面埋深，m；ρr为上覆地层平均密度，kg/cm3；ρw为地层水密度，kg/cm3；α为断层面倾角，（°）；σ为区域主应力，MPa；β为区域主应力与断层走向夹角，（°）。

3上107工作面位于三河口断层和前寨断层共同的上盘，顶底板砂岩含水层充水程度低，三灰揭露无水，均不构成威胁，奥陶系石灰岩岩溶裂隙含水层为3上107工作面开采的主要水害威胁层位。因此，3上107工作面附近三河口断层以及前寨断层处的水压为奥陶系石灰岩岩溶裂隙含水层在该处的水头。奥灰水位取-135.9 m。根据式（2）计算得到的断层面正压力及水压计算表见表2。

表2 断层面正压力及水压计算表Table 2 Calculation table of normal pressure and water pressure on fault surface

三河口断层断层面正压力为5.67 MPa，同时大于泥岩塑性极限（5 MPa）以及断层附近3上煤底板水压（1.941 MPa），断层垂向导水性差。

前寨断层断层面正压力为8.47 MPa，同时大于泥岩塑性极限（5 MPa）以及断层附近3上煤底板水压（1.841 MPa），断层垂向导水性差。

3.3 断层导水性综合评价

三河口断层和前寨断层的侧向导水性和垂向导水性均差，说明三河口断层和前寨断层侧向和垂向的水力联系通道均不发育。综合判定三河口断层和前寨断层均为不导水断层。

4 基于数值模拟的断层活化规律研究

4.1 模型构建

根据三河口煤矿3上107工作面实际地层情况建立流固耦合模型，模型长宽高分别为360、470、200 m，地层力学参数见表3。模型构建前寨断层以及三河口断层，断层倾角均为70°，按实际走向相对关系建立。3上107工作面地层模型如图6。

图6 3上107工作面地层模型Fig.6 Stratum model of 3 upper 107 working face

表3 岩层力学参数表Table 3 Rock mechanics parameters

模型四周及底面固定，顶面施加法向荷载6.0 MPa。奥灰含水层施加梯度水压3.15 MPa。力学模型选用Mohr-coulomb模型，流体模型各向同性。于三煤层位高度断层内设置监测点（y轴方向85、135、185、235、285、335 m）。工作面为梯形，变采宽开采（切眼处宽度80 m，工作面最大宽度为180 m），开挖时从切眼处（y=60）开挖（沿y轴方向），与前寨断层间距26 m，与三河口断层间距30 m，每50 m为1开挖步，共开挖350 m。

4.2 工作面开采扰动条件下断层渗流特征

工作面推进50、100、150、200、250、300、350 m时，3上煤层层位三河口断层内最大孔隙水压依次为3.04、3.40、3.91、4.28、4.63、4.91、5.15 MPa，前寨断层 内 最 大 孔 隙 水 压 依 次 为3.61、3.98、4.48、4.84、5.28、5.55、5.83 MPa，孔隙水压增长缓慢，且随着监测点与开挖部位之间距离增加，孔隙水压的增长减弱，p1监测点（位于三河口断层内部，y=85）孔隙水压值在工作面由200 m推进至350 m处的过程中由3.90 MPa增长至4.19 MPa，仅增长0.29 MPa，p7监测点（位于前寨断层内部，y=85）孔隙水压值在工作面由200 m推进至350 m处的过程中由4.40 MPa增长至4.61 MPa，仅增长0.21 MPa，说明在此条件下工作面开挖对断层导水性的影响较小，断层导升突水危险性小。

4.3 工作面开采扰动条件下断层活化规律模拟

各开挖步塑性区切片（平行切眼）如图7。

图7 各开挖步塑性区切片（平行切眼）Fig．7 Slicing of plastic zone in each excavation step（parallel cut）

工作面开挖50 m时，顶板塑性破坏区整体成拱形，最大破坏高度为12 m；工作面推进100 m时，顶板塑性区大致形成“马鞍型”，最大破坏高度为35.5 m；工作面推进150 m时，顶板塑性区最大高度为56.5 m，此时前寨断层上端发生塑性破坏，并未联通奥灰含水层，因此对断层整体导水性并无影响；工作面推进200 m时，顶板塑性区最大发育高度为58.5 m；工作面推进250 m时，三河口断层上端发生破坏，对断层整体导水性并无影响，此时塑性区最大发育高度为61 m；工作面推进350 m时，顶板塑性区最大发育高度依然为61 m，但塑性区范围扩大，此时3上煤裂采比为12.2，与实测裂采比大致相等。

由图7可以看出，工作面推进150 m时，前寨断层上端发生塑性破坏，推进250 m时，三河口断层上端发生破坏。破坏区域集中在断层上部，延伸长度短，三河口断层和前寨断层中部和下部并未发生破坏，断层中部和下部阻水能力没有发生改变，并未联通奥灰含水层，工作面的开挖并未对断层的导水性造成较大的影响。

5 三河口断层和前寨断层煤柱留设研究

根据研究区地质资料和天然状态下断层含（导）水性评价，结合3上107工作面开采对三河口断层和前寨断层的扰动数值模拟结果，综合认为三河口断层和前寨断层在天然状态下和开采扰动条件下均为不导水断层。使用规范公式对研究区三河口断层和前寨断层防隔水煤（岩）柱宽度进行计算，为工作面的安全开采提供保障。

根据《煤矿防治水细则》（2018）规定，煤层位于含水层上方且断层不导水时，防隔水煤(岩)柱的留设宽度应当保证含水层顶面与断层面交点至煤层底板间的最小距离D在垂直于断层走向的剖面上大于断层安全防隔水煤（岩）柱的宽度Ha[9]。Ha计算公式见式（3）：

式中：Ha为断层安全防隔水煤（岩）柱的宽度，m；p′为防隔水煤（岩）柱所承受的静水压力，MPa；Ts为临界突水系数，MPa/m。

三河口断层与前寨断层两盘3上煤层与奥灰含水层相对位置如图8，断层防隔水煤（岩）柱计算评价表见表4。

图8 3上煤层与奥灰含水层相对位置Fig.8 Relative position between No.3 upper coal seam and Ordovician limestone aquifer

表4 断层防隔水煤（岩）柱计算评价表Table 4 Calculation and evaluation table of coal（rock）pillar for preventing water separation in fault

由式（3）计算得到三河口断层和前寨断层的Ha值分别为29.41、28.41 m。奥灰含水层顶面与三河口断层和前寨断层交点至3上煤底板的最小间距远大于其Ha值，即使不留设煤柱也满足规范要求，但为了减小工作面开采对断层的扰动，保证安全开采，因此研究区内三河口断层留设30 m煤柱，前寨断层留设26 m煤柱。

6 结 语

1）通过分析钻探、物探以及巷道实际揭露断层资料，综合判定研究区内三河口断层和前寨断层在天然条件下均不含水。

2）研究区内三河口断层含水层对接区域面积仅占3上煤层区域面积的的11.38%，SGR值最低为23%，普遍集中于86%以上，断层面正压力为5.67 MPa，前寨断层含水层对接区域面积仅占1.41%，SGR值最低为83%，断层面正压力为8.47 MPa。综合判定研究区内三河口断层和前寨断层在天然条件下均为不导水断层。

3）断层内孔隙水压值增长缓慢，且与开挖部位之间距离越远，孔隙水压的增长越小，三河口断层和前寨断层仅上端发生破坏，延伸长度短，中部和下部并未发生破坏，并未联通奥灰含水层。在距离三河口断层30 m和距离前寨断层26 m条件下，工作面开挖对两断层的扰动较小，不会导致断层“活化”发生突水。