尹會(huì)永，翟玉濤，趙翠月，史永理，智宏峰，3

（1.山東科技大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島266590；2.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安710077；3.兗礦集團(tuán)陜西未來(lái)能源有限公司 金雞灘煤礦，陜西 榆林719000）

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)煤礦采場(chǎng)底板突水事故中有79.5%左右受斷裂構(gòu)造影響[1]，由此可見(jiàn)，斷層水害的防治工作歷來(lái)是煤礦水害防治的重點(diǎn)，也是許多科研人員與現(xiàn)場(chǎng)科技工作者的主要研究熱點(diǎn)，同時(shí)取得了較為豐碩的成果，為保障煤礦的安全生產(chǎn)起到了重要的指導(dǎo)作用。目前，我國(guó)許多礦井開(kāi)采水平不斷向縱深部發(fā)展，斷層的致災(zāi)性、隱蔽性愈發(fā)復(fù)雜，斷層水害威脅也相應(yīng)增大，特別是底板水害發(fā)生與斷層的關(guān)系研究較為深入[2-3]。同時(shí)，水體下開(kāi)采時(shí)，斷層存在對(duì)覆巖導(dǎo)水裂縫帶擴(kuò)大作用[4]，以及煤層開(kāi)采時(shí)的流固耦合作用[5]，都增加了水害防治的難度。目前，我國(guó)在防治斷層水害方面主要采取以下方法：斷層留設(shè)煤（巖）柱、注漿加固改造和帷幕截流法，而最常用的方法就是斷層煤（巖）柱留設(shè)方法。合理的留設(shè)斷層防水煤（巖）柱不僅可以預(yù)防斷層水害的發(fā)生，而且也是合理利用煤炭資源的保障?！睹旱V防治水細(xì)則》[6]中詳細(xì)闡述了多種類型斷層防水煤（巖）柱留設(shè)寬度的計(jì)算原則，并廣泛應(yīng)用于礦井生產(chǎn)中。此外，理論計(jì)算[7]、多元回歸分析[8]、BP 和RBF 方法[9]、相似模擬技術(shù)[10]、數(shù)值模擬技術(shù)[11]等方法與技術(shù)也層出不窮，不斷地豐富斷層防水煤（巖）柱寬度的留設(shè)方法。斷層煤（巖）柱的留設(shè)是受諸多因素影響的，而且隨著開(kāi)采強(qiáng)度、開(kāi)采條件、地質(zhì)及水文地質(zhì)條件的差異性以及復(fù)雜性而有所不同，今后應(yīng)該繼續(xù)加強(qiáng)斷層煤（巖）柱留設(shè)方面的研究工作，確保礦井不受斷層水害威脅的前提下，更高效地開(kāi)采煤炭資源?；诖?，對(duì)國(guó)內(nèi)學(xué)者的相關(guān)研究成果進(jìn)行歸納總結(jié)，對(duì)不同的研究方法進(jìn)行歸納，提出存在的主要問(wèn)題，以期為今后研究斷層煤（巖）柱留設(shè)提供更豐富的參考價(jià)值。

1 斷層防水煤（巖）柱研究現(xiàn)狀

縱觀以往斷層防水煤（巖）柱的研究成果，目前主要集中在：理論計(jì)算、數(shù)值模擬、相似模擬、多因素綜合分析以及借助規(guī)程留設(shè)的方法等方面。在這些方面進(jìn)行了卓有成效的研究，且取得了較為豐碩的成果和成功經(jīng)驗(yàn)，為不同條件下的斷層水害防治提供了重要的技術(shù)保障。

1.1 理論分析與多因素分析

斷層防水煤（巖）柱留設(shè)研究涉及到的因素較多，如何設(shè)計(jì)合理的斷層防水煤柱寬度需要進(jìn)行斷層水文地質(zhì)條件的詳細(xì)分析，關(guān)鍵層理論、極限設(shè)計(jì)思維、主控因素分析法、基于BP、RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等理論及多因素分析已經(jīng)得以成功應(yīng)用?；跀鄬臃浪海◣r）柱臨界值的概念和原理，以及煤柱可靠性設(shè)計(jì)可以通過(guò)極限設(shè)計(jì)思想來(lái)研究，從而獲得更加符合現(xiàn)場(chǎng)的結(jié)果。深入分析斷層的力學(xué)特征、主要地質(zhì)構(gòu)造及水源水力聯(lián)系情況，有助于判斷斷層的導(dǎo)水特征，進(jìn)而為防治主要威脅含水層而設(shè)計(jì)合理的防水煤（巖）柱留設(shè)寬度。生產(chǎn)實(shí)際中遇到的斷層差異性較強(qiáng)，需深入、具體分析某一類斷層帶的導(dǎo)水性和周邊水文地質(zhì)情況，以此為基礎(chǔ)，計(jì)算工作面開(kāi)采條件下的工作面邊界斷層防水煤（巖）柱寬度。

綜合考慮影響斷層防水煤（巖）柱留設(shè)的多種因素，借助多元回歸分析法，有助于研究斷層防隔水煤（巖）柱留設(shè)寬度，同時(shí)探討了多元回歸分析法在預(yù)測(cè)方面的實(shí)用性和可行性，設(shè)計(jì)出了更加合理的保護(hù)煤柱，以達(dá)到既能提高煤炭資源采出率又能安全生產(chǎn)的目的。基于BP、RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)國(guó)內(nèi)典型煤礦斷層煤（巖）柱的實(shí)際留設(shè)寬度，對(duì)水頭壓力、煤層厚度、安全系數(shù)、煤的抗張強(qiáng)度等主要影響因素進(jìn)行研究，預(yù)測(cè)研究了斷層煤（巖）柱安全留設(shè)寬度，并比較了經(jīng)驗(yàn)公式BP 和RBF 以及MATLAB 回歸分析法的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值[7-9，12-14]，為煤礦安全生產(chǎn)提供了科學(xué)合理的依據(jù)。

1.2 基于數(shù)值模擬的斷層煤柱留設(shè)

數(shù)值模擬技術(shù)在研究煤層開(kāi)采過(guò)程中巖層運(yùn)動(dòng)、應(yīng)力分布、斷層“活化”等方面具有非常大的優(yōu)越性，被許多科技工作者所采納。有限差分、有限元、離散元等數(shù)值模擬理論應(yīng)用較普遍，其中以FLAC3D數(shù)值模擬軟件應(yīng)用最為成熟、最為廣泛，研究成果也是獲得最多的。尹會(huì)永等[15]利用FLAC3D數(shù)值模擬技術(shù)，圍繞礦井人為邊界煤（巖）柱寬度留設(shè)的合理性，模擬了不同開(kāi)采條件以及不同開(kāi)采順序下的情況，得出的模擬結(jié)果與《煤礦防治水規(guī)定》中的規(guī)定相吻合，也驗(yàn)證了數(shù)值模擬技術(shù)的良好應(yīng)用效果。多煤層重復(fù)采動(dòng)條件的斷層活化機(jī)制，也可通過(guò)數(shù)值模擬技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。魏久傳等[16]針對(duì)濟(jì)三煤礦十二采區(qū)孫氏店支一斷層和F8斷層在3上、3下煤層重復(fù)采動(dòng)條件下的活化機(jī)制，圍繞煤（巖）柱進(jìn)行合理的尺寸留設(shè)，通過(guò)FLAC3D軟件模擬并結(jié)合經(jīng)驗(yàn)公式，提出了合理的煤（巖）柱留設(shè)尺寸，對(duì)指導(dǎo)采區(qū)安全開(kāi)采提供借鑒。張立軍[17]根據(jù)袁店二井82 采區(qū)F 高長(zhǎng)營(yíng)斷層的賦存特點(diǎn)，并結(jié)合鉆孔資料，計(jì)算確定了斷層防水煤巖柱的寬度，利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，對(duì)斷層煤（巖）柱寬度進(jìn)行了數(shù)值模擬以及安全評(píng)估。由于斷層“活化”容易引起突水事故發(fā)生，姜敏等[18]在開(kāi)采蔣莊煤礦3上煤層時(shí)，綜合考慮斷層的水文地質(zhì)效應(yīng)。將流-固耦合理論應(yīng)用到數(shù)值模擬中，可有效模擬斷層的防水穩(wěn)定性和防潰水性能，將防水煤（巖）柱的安全性進(jìn)行流-固耦合分析是一種更有效的分析方法。利用數(shù)值模擬的同時(shí)，結(jié)合關(guān)鍵層理論，將離散元應(yīng)用到斷層煤柱留設(shè)研究之中，效果較好。不僅僅考慮了工作面沿?cái)鄬臃较?，同時(shí)研究在斷層走向推進(jìn)過(guò)程中對(duì)煤柱的影響。利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，模擬有無(wú)斷層2種情況、建立不同正斷層傾角模型以及不同寬度斷層煤柱應(yīng)力及其穩(wěn)定性、正斷層活化及彈性能密度空間分布。結(jié)合資料對(duì)采場(chǎng)礦山壓力進(jìn)行分析，避免更多的塑性區(qū)破壞，合理確定了斷層煤柱尺寸[19-21]。

1.3 斷層采動(dòng)效應(yīng)的相似模擬研究

相似模擬與數(shù)值模擬技術(shù)相似，能更好、更直觀的反映斷層“活化”、運(yùn)動(dòng)過(guò)程，進(jìn)而得以廣泛應(yīng)用。吳基文等[10]以任樓煤礦F3～F4斷層間塊段地層為研究對(duì)象，針對(duì)煤層回采過(guò)程中斷層帶巖體的采動(dòng)效應(yīng)及斷層下盤含水層的突水性，建立相似材料模型，探討安全回采的可行性，觀測(cè)F3斷層帶上巖體位移的變化情況，為合理留設(shè)斷層保護(hù)煤柱提供可靠的試驗(yàn)依據(jù)。

1.4 多方法綜合分析斷層煤柱留設(shè)寬度

除了理論分析，多因素分析，數(shù)值模擬以及相似模擬研究外，還應(yīng)多方法綜合分析斷層煤柱留設(shè)寬度。基于地球物理勘探、理論計(jì)算、灰色關(guān)聯(lián)分析法和LMBP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)綜合評(píng)估模型，對(duì)綜放回采巷道留設(shè)較大斷層防水煤（巖）柱的問(wèn)題進(jìn)行了優(yōu)化研究，評(píng)價(jià)斷層防水煤（巖）柱的可靠性，并提出了相應(yīng)的防治水措施[22-23]。韋乖強(qiáng)等[24]通過(guò)礦井瞬變電磁法能夠準(zhǔn)確確定斷層的平面位置及富水程度，并結(jié)合鉆探驗(yàn)證資料及水文地質(zhì)資料，為斷層煤（巖）柱留設(shè)計(jì)算、論證提供了數(shù)據(jù)支撐，同時(shí)也對(duì)防治斷層水害提供了有利保障。

2 斷層防水煤（巖）柱研究存在的主要問(wèn)題

1）煤層開(kāi)采礦山壓力及多場(chǎng)耦合作用考慮不夠全面。截至目前，對(duì)于斷層防水煤（巖）柱留設(shè)沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，有的根據(jù)儲(chǔ)量計(jì)算及礦井設(shè)計(jì)要求留設(shè)；有的根據(jù)斷層的落差，人為地留設(shè)斷層防水煤（巖）柱；有的根據(jù)相關(guān)規(guī)程留設(shè)[25]；有的則是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式留設(shè)。而煤層的采動(dòng)是一個(gè)動(dòng)力場(chǎng)的變化、調(diào)整過(guò)程，煤層開(kāi)采會(huì)打破了原始的應(yīng)力平衡，尤其是在斷層附近開(kāi)采時(shí)，原本比較復(fù)雜的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)，疊加后期采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)、地下水滲流場(chǎng)、地?zé)釄?chǎng)等，導(dǎo)致綜合應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生更大的擾動(dòng)。盡管也有文獻(xiàn)考慮了礦山壓力[7]，但煤層開(kāi)采形成的礦山壓力作用以及多場(chǎng)耦合作用不可忽視，特別是多場(chǎng)耦合作用及其對(duì)斷層活化的定量影響特征方面尚未深入開(kāi)展。

2）斷層煤柱留設(shè)的影響因素定量化分析有待進(jìn)一步深入研究。影響斷層防水煤（巖）柱寬度留設(shè)的因素很多，涉及的因素主要包括地質(zhì)條件和礦山水文地質(zhì)條件、斷層性質(zhì)、斷層落差、傾角、煤層埋深、煤層可采厚度、煤的抗張強(qiáng)度、開(kāi)采順序及方法、圍巖類型及其力學(xué)性質(zhì)和產(chǎn)狀、礦山壓力、最大靜水壓力[26]等因素，每位學(xué)者在進(jìn)行研究時(shí)考慮的影響因素卻不盡相同。由此可見(jiàn)，斷層防水煤（巖）柱寬度的留設(shè)是基于多種影響因素之上的，應(yīng)明確最重要的影響因素，并將各個(gè)因素的影響程度進(jìn)行詳細(xì)、定量化分析，建立適當(dāng)?shù)挠?jì)算模型，以確保煤（巖）柱留設(shè)寬度的合理性。具體礦井條件不盡相同，應(yīng)做到具體情況具體分析[27-28]，以指導(dǎo)礦井防治水工作，服務(wù)礦井安全生產(chǎn)。

3）斷層帶、斷層影響帶以及伴生斷層的滲透性變化規(guī)律研究較少。斷層帶、斷層影響帶及其伴生斷層的存在，導(dǎo)致巖體滲透性發(fā)生較大的變化，也為地下水的運(yùn)動(dòng)提供了有利條件，但其滲透性變化規(guī)律研究成果偏少。而且，以往斷層防水煤（巖）柱的留設(shè)方法在一定程度上忽略了煤（巖）柱的滲透性變化規(guī)律和斷裂構(gòu)造形成的斷層影響帶、以及伴生斷層破碎帶的導(dǎo)水特點(diǎn)，在確定煤柱寬度時(shí)候簡(jiǎn)單的將斷層面作為一個(gè)面存在，而不是將兩盤的導(dǎo)水破裂帶可以看成是一個(gè)含水體對(duì)待，導(dǎo)致煤柱寬度過(guò)窄，增加了斷層水害發(fā)生的潛在威脅[29]。當(dāng)然，斷層煤（巖）柱預(yù)設(shè)過(guò)寬，會(huì)造成大量的煤炭資源不能得到有效合理的利用。因此，煤柱留設(shè)應(yīng)根據(jù)每個(gè)斷層的特征設(shè)計(jì)合理的寬度，既保證煤炭資源的合理、高效開(kāi)采，又可避免斷層突水事故的發(fā)生。

4）數(shù)值模擬設(shè)置條件較為理想化，未真實(shí)刻畫(huà)斷層應(yīng)力狀態(tài)。數(shù)值模擬技術(shù)作為研究斷層煤柱寬度的有效手段，表現(xiàn)出了巨大的優(yōu)越性，但從目前的數(shù)值模擬研究成果來(lái)看，數(shù)值模擬過(guò)程中對(duì)斷層基本條件的設(shè)置較為簡(jiǎn)單。當(dāng)然受限于基本理論的限制、軟件功能的限制，導(dǎo)致現(xiàn)實(shí)中巖體的非均質(zhì)性、各向異性等特點(diǎn)在模型建立過(guò)程中難以實(shí)現(xiàn)。另外，多數(shù)只從空間特征進(jìn)行了設(shè)置，但未對(duì)斷層受力狀態(tài)進(jìn)行合理的設(shè)置，這與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件相差較大。如斷層的力學(xué)參數(shù)的獲取，斷層影響帶特征、斷層初始應(yīng)力場(chǎng)特征等，特別是隨著開(kāi)采深度的增加，原始及后期構(gòu)造應(yīng)力起到的作用不可忽視，多數(shù)情況下要大于自重應(yīng)力，而目前的模擬過(guò)程未考慮到此種狀況，從而產(chǎn)生較大的誤差。

5）室內(nèi)相似模擬綜合試驗(yàn)平臺(tái)尚需完善。室內(nèi)相似模擬再現(xiàn)了煤層開(kāi)采過(guò)程以及斷層狀態(tài)的變化特征，但在試驗(yàn)精度方面、模擬巖層內(nèi)部為“微型”變化特征的表現(xiàn)方面仍不完善，觀測(cè)手段、方法略顯單一。相似模擬過(guò)程中的多參數(shù)、多狀態(tài)的綜合觀測(cè)系統(tǒng)不夠完善，尤其結(jié)合地球物理特性的綜合觀測(cè)方面不夠系統(tǒng)，如導(dǎo)電性、聲發(fā)射、微震等地球物理監(jiān)測(cè)技術(shù)在斷層面（體）的位移、變形方面結(jié)合程度仍不夠深入。大型二維三維相似模擬平臺(tái)建設(shè)不夠完善，大數(shù)據(jù)、可視化技術(shù)、人工智能等新技術(shù)的結(jié)合方面仍有很大的應(yīng)用空間。

6）小型斷層突水機(jī)制及重視程度不夠。不同規(guī)模的斷層對(duì)煤層安全、高效的開(kāi)采影響不盡相同。以往的研究多集中于大型斷層防水煤（巖）柱的留設(shè)，很少針對(duì)小型斷層，如落差較?。ㄈ缏洳钚∮?0 m）的斷層進(jìn)行煤柱留設(shè)。但許多突水資料表明，小斷層突水的概率反而很高[30]，如武安市德勝煤礦越界開(kāi)采8 號(hào)煤，工作面上部遇到落差1.5 m 左右的斷層，沒(méi)有留設(shè)斷層防水煤柱導(dǎo)致礦井被淹，并造成在下山地區(qū)作業(yè)的29 人死亡。發(fā)生小斷層突水災(zāi)害的主要原因包括：一是小斷層難以全部探查清楚；二是人們對(duì)小型斷層的重視程度不夠，認(rèn)為不需要留設(shè)煤柱。但是，隨著開(kāi)采深度的增加、水壓力的增加，小型斷層也是突水優(yōu)勢(shì)面，也容易作為突水通道而引發(fā)水害事故。所以，小型斷層的水害防治、煤柱留設(shè)也應(yīng)予以重視，今后也應(yīng)該根據(jù)小型斷層具體的水文地質(zhì)特征，合理留設(shè)小型斷層的防水煤（巖）柱寬度。

3 斷層防水煤（巖）柱研究展望

1）流-固耦合理論。流-固耦合理論應(yīng)用在巖土體地下水方面有很大進(jìn)步，但關(guān)于防水煤（巖）柱安全評(píng)價(jià)的文章和研究卻寥寥無(wú)幾。因此，開(kāi)展考慮人為采動(dòng)影響下，集流-固耦合理論的煤（巖）柱留設(shè)研究更為符合生產(chǎn)實(shí)際條件。

2）最優(yōu)化。目前，中國(guó)通常依賴于現(xiàn)有的規(guī)程或者已有的經(jīng)驗(yàn)去設(shè)計(jì)斷層防水煤（巖）柱，但在斷層防水煤（巖）柱的優(yōu)化研究上知之甚少。這種結(jié)果使得斷層有較大煤（巖）柱，與此同時(shí)工作面的規(guī)劃和生產(chǎn)系統(tǒng)的布局也會(huì)被嚴(yán)重影響，不利于資源的充分利用[6,9,31-32]。因此研究不同典型地質(zhì)、水文地質(zhì)條件下的不同災(zāi)害類型的安全煤柱留設(shè)尺寸的最優(yōu)化是非常有必要的。

3）數(shù)值模擬與相似模擬的高仿真。盡管數(shù)值模擬和相似物理模擬方法存在不足，但不能忽略這2種方法在斷層煤柱留設(shè)研究中的作用。特別是數(shù)值模擬能再現(xiàn)多工況條件下煤層開(kāi)采的過(guò)程，可以結(jié)合大數(shù)據(jù)發(fā)展技術(shù)，模擬多條件、深開(kāi)挖的三維宏觀模型，將現(xiàn)實(shí)中的條件“加載”到數(shù)值模型中，從而更加逼近現(xiàn)實(shí)模型。相似物理模擬具有直觀等優(yōu)點(diǎn)，繼續(xù)發(fā)展三維相似模擬技術(shù)，并將地球物理、大數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)傳輸、可視化技術(shù)、人工智能技術(shù)等結(jié)合，實(shí)現(xiàn)物理模擬的多參數(shù)獲取、表達(dá)。

4）小型斷層的裂隙增滲規(guī)律。以往研究重點(diǎn)多集中于大型斷層方面，而對(duì)小型斷層重視不夠。但小型斷層突水事故也常見(jiàn)于報(bào)道。因此，應(yīng)該加強(qiáng)在深部開(kāi)采、高強(qiáng)度開(kāi)采條件下，小型斷層擴(kuò)展、貫通、活化機(jī)制、斷層裂隙增滲規(guī)律等方面的研究。

5）東部/西部煤（巖）柱留設(shè)方法與模型。隨著我國(guó)東部地區(qū)深部開(kāi)采范圍、強(qiáng)度的加大，“三高一擾動(dòng)”將會(huì)對(duì)煤（巖）柱的穩(wěn)定性、完整性產(chǎn)生較大影響，考慮構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)、采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)、地下水滲流場(chǎng)、地溫高溫場(chǎng)等因素，開(kāi)展多場(chǎng)綜合疊加作用下的煤（巖）體力學(xué)變形機(jī)制與規(guī)律研究；開(kāi)展多煤層開(kāi)采互饋影響條件下的煤（巖）體變形破壞特征研究；開(kāi)展西部礦井弱膠結(jié)巖體-滲流-采動(dòng)應(yīng)力綜合作用下的煤（巖）體穩(wěn)定性研究等；建立起符合我國(guó)煤礦不同典型地質(zhì)條件下的煤（巖）柱留設(shè)方法與模型參考。

4 結(jié) 語(yǔ)

我國(guó)針對(duì)斷層防水煤（巖）柱的研究成果十分豐富，這些研究成果對(duì)減少斷層突水事故的發(fā)生，改善我國(guó)煤礦安全生產(chǎn)狀況、提高煤炭資源利用率起到了至關(guān)重要作用。但基于斷層防水煤（巖）柱留設(shè)的復(fù)雜性，地質(zhì)、水文地質(zhì)條件、開(kāi)采方法等多樣性與差異性，仍需總結(jié)典型地質(zhì)計(jì)算模型，開(kāi)展基于煤層采動(dòng)條件下的，數(shù)值模擬與相似模擬的高仿真研究、小型斷層的裂隙增滲規(guī)律、集流-固耦合理論的煤（巖）柱留設(shè)和優(yōu)化等方面研究，為防治我國(guó)礦井?dāng)鄬铀μ峁└嗟募夹g(shù)保障。