胡偉 劉小軍
(皖北煤電集團(tuán)五溝煤礦生產(chǎn)技術(shù)部,安徽 淮北 235131)
斷層是礦井中最常見的地質(zhì)構(gòu)造之一,是煤礦生產(chǎn)過程中必須面對(duì)和解決的問題,由于我國的地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,勘探程度較低,對(duì)于一些大的斷裂構(gòu)造探查不清,從而留設(shè)了大量的防水煤巖柱,經(jīng)濟(jì)技術(shù)合理性受到質(zhì)疑。目前,國內(nèi)外對(duì)斷層帶煤柱留設(shè)并沒有統(tǒng)一的規(guī)定,一般都是根據(jù)傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)公式留設(shè),致使煤柱有時(shí)過大,積壓大量的煤炭資源。如皖北煤電集團(tuán)公司五溝煤礦F6、F14斷層由于留設(shè)斷層防水煤柱致使煤柱壓煤量達(dá)數(shù)十萬噸;有時(shí)過小,加之水文地質(zhì)條件不清,從而引發(fā)了較嚴(yán)重的水害事故,造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和不良后果。因此,如何安全留設(shè)斷層防水煤巖柱,使煤炭資源,能夠盡可能地開發(fā)利用是礦業(yè)工程領(lǐng)域中亟待解決的重要問題之一。
1017 工作面是位于五溝煤礦南一采區(qū)東翼第四區(qū)段,南部以F6斷層及其延長(zhǎng)線和南二采區(qū)相鄰。工作面走向長(zhǎng)1300m,傾向?qū)?80m。主采10煤厚度為1.4-5.6m,平均厚度為3.5m,為中厚-厚煤層,局部含1-2層泥巖夾矸,煤層賦存較為穩(wěn)定,傾角5~10°,平均8°。
工作面地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜。太原組一至二灰,厚度不大,難以構(gòu)成大的地下水儲(chǔ)導(dǎo)體系。三至四灰為中厚層灰?guī)r,巖溶裂隙發(fā)育,儲(chǔ)導(dǎo)水能力強(qiáng),構(gòu)成太灰主要地下水儲(chǔ)導(dǎo)體系,是工作面外段開采水害防治的重點(diǎn)。
圖1 1017工作面布置平面圖
10煤層底板砂巖對(duì)1017工作面充水有直接影響。10煤層底板砂巖比較發(fā)育,砂巖、粉砂巖多呈互層狀,成分以石英、長(zhǎng)石為主,泥質(zhì)膠結(jié),裂隙發(fā)育不均。鉆孔施工時(shí),q=0.006414~0.008287L/s.m,K=0.05963~0.027978m/d,水質(zhì)類型為HCO3~K+Na.Mg.Ca或HCO3~K+Na型,總硬度11.58~10.16德國度,礦化度0.428~0.496g/l,PH值7.7~8.6。富水性微弱。1017工作面底板砂巖,主要接受“四含”水的滲透補(bǔ)給,但補(bǔ)給范圍和補(bǔ)給量有限,以靜儲(chǔ)水量為主。砂巖裂隙不夠發(fā)育,也不均勻,大部受構(gòu)造控制,以構(gòu)造裂隙為主,連通性不強(qiáng)。有明顯疏干趨勢(shì),實(shí)屬弱含水、弱透水的含水層。
南一采區(qū)開拓期間為了探查測(cè)區(qū)內(nèi)含水陷落柱分布位置及其導(dǎo)含水性,相關(guān)斷層的含導(dǎo)水性,太原組1~4灰?guī)r溶分布發(fā)育情況及10煤底板富水性及其相互間的水力聯(lián)系,采用瞬變電磁法測(cè)深技術(shù)在南一采區(qū)范圍內(nèi)的水文地質(zhì)條件進(jìn)行了探測(cè)。根據(jù)瞬變電磁法測(cè)深結(jié)果分析,1017工作面10煤層太原組灰?guī)r無論是在剖面上還是在平面上其富水性都是不均勻的。根據(jù)視電阻率值等值線圖(縱、橫向剖面圖)的低阻異常區(qū)分布,太原組灰?guī)r存在富水異常區(qū),但對(duì)1017工作面外段開采影響較小。
F6斷層位于五溝井田中部,1017工作面東南翼(即外段)。走向近NE,傾向NW,傾角小于700,落差0~45m,延展長(zhǎng)度大于2000m,平面上稍呈弧形彎曲,傾斜切割較深。
三維地震勘探由安徽煤田地質(zhì)局物探測(cè)量隊(duì)施工,2008年3月提交《安徽省皖北煤電公司五溝煤礦南一采區(qū)三維地震精細(xì)勘探報(bào)告》。對(duì)F6斷層進(jìn)行了地震勘探,地震控制程度可靠。
目前已有南翼總回風(fēng)巷及南翼軌道大巷揭露了F6正斷層。
南翼總回風(fēng)巷H26#點(diǎn)前34m、H26#點(diǎn)前48m分別揭露F6正斷層和F6次生正斷層。F6正斷層:311°∠67°H=20m,斷層面平整、光滑,斷層破碎帶寬度1.3m,破碎帶內(nèi)充填深灰色斷層泥夾灰白色細(xì)砂巖、破碎、揉皺牽引現(xiàn)象明顯,斷層上盤:灰白色厚層狀中細(xì)砂巖,泥質(zhì)膠結(jié),遇水易松軟,斷層下盤:深灰色塊狀泥巖、裂隙極為發(fā)育、巖性破碎。F6次生正斷層:330°∠33°H=9m,斷層下盤巷道左肩窩淋水較大,淋水段3米,水質(zhì)混濁,水量0.3m3/h,水源經(jīng)化驗(yàn)為10煤老頂細(xì)砂巖裂隙水。
南翼軌道大巷S11#點(diǎn)前4m揭露F6正斷層。F6正斷層:20°∠50°H=30m,斷層面平整、光滑,斷層破碎帶寬度0.3m,破碎帶內(nèi)巖石裂隙發(fā)育、破碎、擠壓揉皺、滑面發(fā)育,巖層牽引拉薄現(xiàn)象明顯,斷層帶煤層粉末狀、顏色暗淡無光澤,無淋、滴水等水文異常。
在南一采區(qū)-360南翼總回風(fēng)、軌道巷所揭露的F6斷層帶巖石成分復(fù)雜,構(gòu)造破壞嚴(yán)重,斷面附近巖石呈粉末狀 假塊狀 揉皺現(xiàn)象 橢球狀且鏡面發(fā)育等,這些特征反應(yīng)了斷層形成時(shí)的壓剪性質(zhì)。
1017 工作面外段F6斷層,井下-360南翼回風(fēng)、軌道等數(shù)條巷道也相繼揭露了F6斷層,除個(gè)別揭露點(diǎn)有少量滲水以外,均未發(fā)現(xiàn)水文異常。1017工作面原風(fēng)巷探查孔無漏水和涌水現(xiàn)象。F6斷層的地面物探勘探資料亦表明該斷層不具備導(dǎo)水性。因此,從地面鉆孔資料以及井下巷道揭露情況來看,F(xiàn)6斷層為不導(dǎo)水?dāng)鄬印6斷層是在早期近南北向應(yīng)力場(chǎng)作用下產(chǎn)生的張剪性正斷層,晚期又受到近東西向應(yīng)力場(chǎng)的擠壓作用,而且目前仍處于NEE向的壓應(yīng)力作用,使得斷層帶裂隙處于閉合狀態(tài),這是F6斷層不賦水、不導(dǎo)水的主要原因之一。
根據(jù)三維地震資料,結(jié)合井下巷道揭露和鉆探情況,綜合分析:靠近1017風(fēng)巷外段,F(xiàn)6正斷層在風(fēng)巷F8#點(diǎn)拐彎處鉆孔終孔附近尖滅,10煤上盤斷煤交線距1017風(fēng)巷最近處47.6m,該段斷層落差0—20m,根據(jù)巷道揭露斷層面及斷層帶情況,該斷層為壓性正斷層,該斷層賦水性弱、導(dǎo)水性差。
所以,對(duì)F6斷層保護(hù)煤柱留設(shè)只需考慮在開采過程中,斷層對(duì)盤太灰水不通過采動(dòng)裂隙導(dǎo)入采空區(qū)即可。
根據(jù)《三下采煤規(guī)程》規(guī)定,考慮采深、傾角和工作面斜長(zhǎng),可以采用如下公式進(jìn)行1017工作面外段開采引起的底板導(dǎo)水破壞帶深度預(yù)計(jì) :h=0.0085H+0.1665α+0.1079L-4.3579。 其中:H-開采深度,350m;α-煤層傾角,8°;L-工作面斜長(zhǎng),取180m;
經(jīng)計(jì)算,五溝煤礦1017工作面外段開采底板破裂帶最大深度為19.4m。
太灰水能否給1017工作面外段開采造成突水危害,根據(jù)《煤礦防治水規(guī)定》,采用以下公式計(jì)算突水系數(shù):
Ts=P/(M-CP)
式中:Ts——突水系數(shù);
P——灰?guī)r水頭壓力(MPa),取1.9MPa;M——10煤底至太原組一灰間距,取47.6(m);Cp——煤層底板破壞厚度(m),取 19.4m。Ts=1.9/(47.6-19.7)=0.068。滿足淮北礦區(qū)臨界突水系數(shù)0.7的要求,開采是安全的。應(yīng)當(dāng)指出,上述計(jì)算是留有較大安全系數(shù)的。因此,只要采取相應(yīng)的安全措施,可以實(shí)現(xiàn)安全回采。
結(jié)語:綜上所述,1017工作面留設(shè)14.3m的防護(hù)煤巖柱,是能夠?qū)崿F(xiàn)綠色安全開采,不會(huì)發(fā)生突水潰砂安全事故。
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