斜溝礦井下斷層防水煤柱設(shè)置寬度的優(yōu)化研究

田淵輝

(山西西山晉興能源有限責(zé)任公司斜溝煤礦，山西 呂梁 033602)

引 言

山西西山晉興能源有限責(zé)任公司斜溝煤礦31024綜采作業(yè)面在綜采面南側(cè)的邊界斷層線，總長度約為10.9 km，傾角約為45°～75°。該斷層內(nèi)多由泥巖和砂巖構(gòu)成，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差，在綜采作業(yè)時(shí)受綜采作業(yè)時(shí)的振動(dòng)、沖擊的影響極易導(dǎo)致在斷層區(qū)域的巖體結(jié)構(gòu)碎裂，而該處又緊鄰著地層的含水區(qū)域，因此有極大的導(dǎo)水的概率[1]。

傳統(tǒng)井下防水煤柱設(shè)置寬度計(jì)算方案僅考慮井下地質(zhì)條件穩(wěn)定時(shí)的影響，但斜溝礦井下由于存在著一個(gè)巨大的邊界斷層線，其與綜采面過渡區(qū)域存在著大量的碎石帶和裂隙，地質(zhì)條件脆弱，易在礦壓作用下產(chǎn)生塌方，加大導(dǎo)水概率，所以僅按傳統(tǒng)的防水煤柱設(shè)置寬度條件進(jìn)行考慮，無法滿足井下安全防水的要求。因此本文在前人研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合斜溝礦井下實(shí)際地質(zhì)條件，提出了一種新的適應(yīng)于井下出現(xiàn)斷層時(shí)的防水煤柱寬度計(jì)算方法，極大提升了井下綜采作業(yè)的安全性，降低了出現(xiàn)透水事故的概率，按該方案設(shè)置的防水煤柱在斜溝礦經(jīng)過近一年的應(yīng)用，表現(xiàn)出了極高的穩(wěn)定性，未再出現(xiàn)透水現(xiàn)象。

1 斜溝礦地質(zhì)結(jié)構(gòu)及理論防水煤柱寬度距離

31024綜采作業(yè)面處在第二采區(qū)內(nèi)，其地面的標(biāo)高為42.3 m～47.6 m，井下綜采作業(yè)面的標(biāo)高為-876.6 m～-921.8 m，井下煤層的最大厚度約為4.6 m，最薄處的厚度約為3.1 m，煤層厚度分布較為均勻，整體呈現(xiàn)較為寬緩的微傾斜狀，煤層的傾角約2.4°，井下綜采面的地質(zhì)結(jié)構(gòu)總體上較為簡單，但在井下開切眼處存在著一個(gè)約350 m落差的斷層，其地質(zhì)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 斜溝礦31024綜采作業(yè)面斷層位置示意圖

該綜采面屬于極小傾角煤層，且其位于井下大斷層的上側(cè)，屬于煤礦的邊界區(qū)域，其煤層位于井下含水區(qū)域的上側(cè)，此時(shí)應(yīng)主要考慮煤層的下側(cè)的隔水層的隔水能力能否承受來自下側(cè)的水壓，因此防水煤柱的設(shè)置寬度L可依據(jù)《煤礦防治水規(guī)定》附錄三的公式計(jì)算[2]，見式(1)、式(2)：

(1)

Ha=TsP+10

(2)

式中：Ha為井下斷層防水煤柱的寬度，m；P為表示煤礦井下的奧灰水頭的壓力，實(shí)際測量結(jié)果為7.8 MPa；Ts為表井下含水層突破時(shí)的臨界突水系數(shù)，該綜采面取0.05 MPa/m；α為井下斷層的傾角，(°)。

由上式可得，防水煤柱的設(shè)置寬度和井下斷層的傾角關(guān)系密切，傾角越小防水煤柱之間的寬度越大，因此當(dāng)斷層傾角為45°時(shí)，該綜采面上具有最大的防水煤柱寬度，約為220.7 m，根據(jù)井下斷層分布，其最小的防水煤柱設(shè)置寬度約為137.2 m，因此斜溝礦井下防水煤柱的理論平均寬度距離設(shè)置為176 m。

影響防水煤柱設(shè)置寬度的因素很多，針對(duì)斜溝礦井下斷層的實(shí)際地質(zhì)條件，其斷層內(nèi)多由泥巖和砂巖構(gòu)成，泥巖的平均厚度約為4.3 m，砂巖的平均厚度約為2.6 m，地層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差。該斷層與井下含水區(qū)域相同，導(dǎo)水性好，在礦壓波動(dòng)作用下塌陷形成斷層破碎帶會(huì)更進(jìn)一步加劇綜采過程中導(dǎo)水的概率，而在塌陷時(shí)應(yīng)力傳遞形成的煤巖屈服應(yīng)帶會(huì)產(chǎn)生大量的裂隙，對(duì)井下防水也會(huì)產(chǎn)生較大的影響。

2 斷層破碎帶寬度對(duì)防水煤柱設(shè)置的影響

根據(jù)分析，煤礦井下斷層破碎帶的寬度越大，防水煤柱的臨界寬度會(huì)相應(yīng)增加，煤礦井下的斷層破碎帶能夠有效阻止綜采作業(yè)過程中巷道圍巖的應(yīng)力沖擊，可以起到阻止因井下爆破和綜采振動(dòng)而導(dǎo)致的二次應(yīng)力的傳播，因此井下斷層的破碎帶越大，圍巖最大應(yīng)力集中的范圍就越廣，并逐漸向著井下圍巖斷層的周圍擴(kuò)大，最終使圍巖斷層區(qū)域和綜采區(qū)域的巖壁相互之間的剪切錯(cuò)動(dòng)加劇，加大了巷道底板破碎面的面積，使該區(qū)域形成了有利于突水的通道，無法起到有效的放水作用，因此在設(shè)置防水煤柱的寬度時(shí)，需要將斷層碎石帶的寬度考慮進(jìn)去。

根據(jù)斜溝礦井下綜采面與大深度斷層之間的地質(zhì)特性，建立了工程地質(zhì)模型，用于充分分析井下斷層帶的寬度和綜采深度對(duì)防水穩(wěn)定性的影響，其地質(zhì)工程結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。

圖2 斜溝礦井下地質(zhì)工程結(jié)構(gòu)模型

對(duì)該地質(zhì)工程結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行分析，受力情況下的斷層破碎帶的寬度可表示為式(3)[3]：

Wb=λh

(3)

式中：Wb為斷層破碎帶的寬度，m；λ為井下碎石帶的巖層堅(jiān)硬系數(shù)，取1.12；h為井下斷層的落差，取520 m；因此可計(jì)算出在該地質(zhì)特性下的斷層碎石帶的寬度Wb=λh=1.12×520=47.7 m

3 斷層屈服影響帶寬度對(duì)防水煤柱寬度的影響

煤礦井下的斷層屈服影響帶主要位于綜采面的采空區(qū)一側(cè)，如圖3所示，該處由于在綜采作業(yè)時(shí)振動(dòng)沖擊和頂板礦壓作用下產(chǎn)生了大量的裂縫，因此對(duì)于含水層來說，該位置極易出現(xiàn)涌水，無法起到阻水的作用，根據(jù)A.H威爾遜的研究結(jié)果，可將煤礦井下斷層屈服影響帶的寬度表示為式(4)[4]：

Lb=0.005MH

(4)

式中：M為井下綜采面的煤層開采厚度，m；H為煤層的開采深度，m。

根據(jù)斜溝礦31024綜采面的實(shí)際情況，其煤層開采平均厚度約為3.4 m，煤層的開采深度約為891 m，因此其井下礦壓屈服強(qiáng)度影響作用下底板破斷范圍的增加值Lb=0.005MH=0.005×3.4×891=15.15 m。

圖3 井下斷層放水煤柱分帶關(guān)系圖

4 斜溝礦井下斷層防水煤柱寬度的確定

根據(jù)以上分析，在對(duì)斜溝礦井下斷層放水煤柱的寬度進(jìn)行計(jì)算時(shí)，無論是在井下斷層的水平方向上還是在井下斷層的垂直方向上，都需要綜合考慮井下斷層破碎帶的寬度和斷層屈服影響帶寬度對(duì)井下防水性能的影響。而斜溝礦的井下防水煤柱的寬度和井下斷層破碎帶、斷層屈服影響帶延展的方向一致，在井下實(shí)際綜采振動(dòng)和礦壓作用下極易使以上區(qū)域的裂隙迅速擴(kuò)張，進(jìn)一步加大導(dǎo)水的概率。所以要使斜溝礦井下的放水煤柱起到應(yīng)有的放水效果，就應(yīng)該在井下理論煤柱寬度的基礎(chǔ)上增加與之相鄰的斷層碎石帶寬度和屈服影響帶的寬度，即176+47.7+15.15=238.85 m。

5 結(jié)論

針對(duì)斜溝礦防水煤柱距離近，影響井下綜采作業(yè)效率和綜采作業(yè)經(jīng)濟(jì)性的問題，本文根據(jù)井下實(shí)際地質(zhì)條件，通過對(duì)井下斷層斷裂區(qū)域破斷范圍的分析，提出了利用井下底板破斷區(qū)域進(jìn)行分段承壓的方案，利用壓實(shí)的巖層承擔(dān)部分防水煤柱的作用，經(jīng)過在斜溝礦井下的實(shí)際應(yīng)用表明：

1) 在復(fù)雜地質(zhì)條件下進(jìn)行防水煤柱寬度計(jì)算時(shí)，應(yīng)結(jié)合實(shí)際的地質(zhì)條件，充分考慮斷層破碎帶寬度和斷層屈服影響帶寬度對(duì)井下防水的影響，提高計(jì)算的準(zhǔn)確性。

2) 煤礦井下斷層破碎帶的寬度越大，防水煤柱的臨界寬度會(huì)相應(yīng)的增加。

3) 斜溝礦防水煤柱設(shè)置寬度由最初的176 m提升到了目前的238.85 m，經(jīng)過斜溝礦近一年的應(yīng)用，未出現(xiàn)井下導(dǎo)水、涌水事故，表現(xiàn)出了極高的穩(wěn)定性。