大型斷層奧灰防水煤柱留設(shè)及其阻滲性探究

謝華東,侯俊華,朱術(shù)云

(1.兗州煤業(yè)股份有限公司 東灘煤礦,山東 鄒城 273500;2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院,江蘇 徐州 221116)

煤層的防隔水煤(巖)柱是指為確保近水體安全采煤而留設(shè)的煤層開采上(下)限至水體底(頂)界面之間的煤巖層區(qū)段[1,2].大量突水事故分析表明,完整地段一般很少發(fā)生突水事故,絕大多數(shù)都與斷層有直接關(guān)系[3-6].為此,斷層防水煤巖柱留設(shè)引起國(guó)家相關(guān)部門[1,4]和眾多學(xué)者的高度關(guān)注,從不同角度進(jìn)行了探討[1-13].留設(shè)斷層防水煤柱尺寸的計(jì)算方法有多種,歸納起來(lái)主要有(1)經(jīng)驗(yàn)類比法[5,6];(2)理論公式法[7,8];(3) 依據(jù)規(guī)范(文獻(xiàn)[1]和文獻(xiàn)[4])中的計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算;(4)用數(shù)值計(jì)算或相似材料模擬試驗(yàn)確定煤柱的尺寸[9-12]和水化學(xué)識(shí)別法[13].由于斷層本身非均質(zhì)性,導(dǎo)致在富水性和導(dǎo)水性方面一般都存在很大差異性,同一條斷層在不同部位導(dǎo)含水性差異性很大,在采動(dòng)影響下原本不富水或不導(dǎo)水?dāng)鄬右灿邪l(fā)生過(guò)突水的先例[3,6].因此,由于斷層本身的復(fù)雜性,討論斷層防水煤巖柱留設(shè)盡量要結(jié)合具體斷層部位進(jìn)行分析,特別是落差較大的斷層.本文就是基于這種考慮,選擇東灘煤礦兩個(gè)采區(qū)邊界的北公村1號(hào)落差最大位置處進(jìn)行防水煤巖柱安全留設(shè)和阻滲性問(wèn)題進(jìn)行探究.

1 研究區(qū)地質(zhì)與水文地質(zhì)條件分析

1.1 研究區(qū)地質(zhì)概況

研究區(qū)位于東灘煤礦規(guī)劃設(shè)計(jì)的七采區(qū)和已開采的三采區(qū)邊界位置(圖1),七采區(qū)南北長(zhǎng)平均約4.12 km,東西寬平均約1.39 km,面積約5.85 km2,采區(qū)第四系沖洪積平原,地勢(shì)較平坦,地面標(biāo)高+48.15～+54.57 m,平均+51.80 m.

圖1 研究區(qū)北公村1號(hào)斷層平面

七采區(qū)內(nèi)主采山西組3煤和3上煤,采區(qū)內(nèi)斷層發(fā)育,大斷層多,受斷層影響,含煤地層產(chǎn)狀局部變化較大,走向整體呈東西向?yàn)橹?傾向南.北公村1號(hào)斷層是東灘煤礦三采區(qū)和七采區(qū)的采區(qū)邊界斷層,根據(jù)文獻(xiàn)[14],該斷層屬于正斷層,位于井田中部,為三、七采區(qū)及一、五采區(qū)分界斷層.斷層走向南北,傾向東,傾角60°～65°,落差40～150 m,延展長(zhǎng)度1 500 m,錯(cuò)斷層位3,16上,17煤層.三維地震時(shí)間剖面控制斷點(diǎn)40個(gè),屬查明斷層[14].該斷層在本論文研究區(qū)內(nèi)有P1-6和補(bǔ)7-3 2個(gè)鉆孔分別位于下盤和上盤進(jìn)行初步控制(圖1);另外,該斷層也是礦井從三采區(qū)到七采區(qū)必須要穿過(guò)的.因此,該斷層防水煤巖柱留設(shè)問(wèn)題和導(dǎo)含水性對(duì)預(yù)開采七采區(qū)意義重大.

1.2 研究區(qū)水文地質(zhì)條件分析

七采區(qū)水文地質(zhì)條件比較復(fù)雜,主要含水層有侏羅系紅層砂巖含水層,3煤頂?shù)装迳皫r含水層和奧灰含水層,再加上該采區(qū)斷裂構(gòu)造發(fā)育,容易通過(guò)斷裂構(gòu)造形成導(dǎo)水通道而造成突水事故.初步統(tǒng)計(jì),七采區(qū)落差大于10 m以上斷層有54條,其中北公村1號(hào)斷層就是典型的一個(gè)[15].從開采角度,規(guī)劃開采山西組3煤層,分析認(rèn)為預(yù)開采該煤層的最大威脅就是通過(guò)斷裂構(gòu)造導(dǎo)通底板奧灰含水層,該含水層厚度大、巖溶裂隙發(fā)育、水量豐富、補(bǔ)給集中和調(diào)解儲(chǔ)量大等特點(diǎn),對(duì)研究區(qū)的開采將造成較大威脅.為此,以北公村1號(hào)斷層為例,重點(diǎn)分析大型斷層條件下開采3煤層奧灰水方面的安全煤巖柱留設(shè)問(wèn)題和該斷層的阻滲性問(wèn)題.

七采區(qū)內(nèi)有補(bǔ)7-5和O2-1兩個(gè)奧灰水文長(zhǎng)觀孔,兩個(gè)鉆孔間距約1 480 m,其中補(bǔ)7-5鉆孔位于補(bǔ)7-3鉆孔的東北部,兩孔間距約580 m;O2-1鉆孔位于補(bǔ)7-3鉆孔的東南部,兩孔間距約1 200 m.圖2是從2016年1月到2019年3月期間七采區(qū)內(nèi)2個(gè)奧灰含水層水位長(zhǎng)觀孔數(shù)據(jù)變化曲線,整體上奧灰水位波動(dòng)較大,呈下降-上升-下降的變化過(guò)程,但2個(gè)觀測(cè)孔奧灰水位變化趨勢(shì)基本一致.O2-1孔和補(bǔ)7-5孔初測(cè)水位標(biāo)高分別為24.31,17.62 m,到2019年3月底分布下降到-0.09,0.50 m,分別下降了24.40,17.12 m,O2-1孔總下降幅度較大;但從2016年1月到2019年3月期間2個(gè)觀測(cè)孔的水位下降幅度差別較大,O2-1孔水位下降了4.58 m,而補(bǔ)7-5孔水位在波動(dòng)中基本保持不變.2個(gè)奧灰鉆孔相距約1 480 km,但目前兩孔水位標(biāo)高基本一致,可初步推斷七采區(qū)范圍內(nèi)還沒(méi)有開采,奧灰水位相對(duì)比較穩(wěn)定,連通性較好.

圖2 七采區(qū)兩個(gè)奧灰長(zhǎng)觀孔水位變化曲線

2 典型斷層煤柱留設(shè)分析與計(jì)算

圖3 北公村1號(hào)斷層防水煤柱留設(shè)計(jì)算示意圖

為探討七采區(qū)斷層安全煤巖柱留設(shè),這里選擇典型的北公村1號(hào)斷層,由圖1中連接該斷層下盤P1-6兩和上盤補(bǔ)7-3兩個(gè)鉆孔,形成AB線(圖1),根據(jù)2個(gè)鉆孔揭露地層資料和三維地震勘探繪制的斷層產(chǎn)狀特征,形成AB剖面.這樣北公村1號(hào)斷層和主采的3煤層及奧灰含水層位置關(guān)系就比較清楚了(圖3).

根據(jù)圖3,3煤層傾角近水平,并位于北公村1號(hào)典型斷層上盤,可建立如圖3所示的防水煤柱留設(shè)計(jì)算簡(jiǎn)圖.由于補(bǔ)7-3鉆孔揭露3煤層時(shí)有破碎帶,導(dǎo)致該位置3煤厚度異常,僅0.54 m,但正常區(qū)域3煤厚度一般在5.0 m以上,P1-6孔揭露3煤層厚度8.54 m.

根據(jù)七采區(qū)揭露奧灰9個(gè)鉆孔統(tǒng)計(jì)分析(表1),6個(gè)鉆孔揭露主采的3煤層在有斷層條件下到奧灰距離52.48～167.13 m,平均142.5 m;3個(gè)鉆孔揭露沒(méi)有斷層條件下主采的3煤層到奧灰距離230.43～267.71 m,平均253.1 m;明顯得出有斷層和沒(méi)有斷層平均間距相差110 m左右.由此可見,斷層已導(dǎo)致七采區(qū)主采的3煤層和奧灰間距大大縮小.根據(jù)圖2水位觀測(cè)數(shù)據(jù)和鉆孔數(shù)據(jù),可計(jì)算得出研究區(qū)到2019年3月底為止,奧灰水壓實(shí)測(cè)值約8.15 MPa,由此可計(jì)算出有斷層和沒(méi)有斷層條件下奧灰突水系數(shù)差別很大(表1),有斷層條件下奧灰突水系數(shù)均明顯偏大,平均值已超過(guò)國(guó)家規(guī)定的臨界值0.06 MPa/m[1].

由此可見,七采區(qū)有斷層位置和沒(méi)有斷層位置平均厚度差別約110 m,奧灰突水系數(shù)平均值在斷層位置已大于國(guó)家規(guī)定的臨界值0.06 MPa/m,故大型斷層需要進(jìn)行主采煤層的防水煤巖柱留設(shè)分析.這里對(duì)典型的北公村1號(hào)斷層進(jìn)行研究,該斷層最大落差150 m,如圖3所示,屬于高角度正斷層,設(shè)奧灰和3煤層沿北公村1號(hào)斷層間距為L(zhǎng)1,m;防隔水煤柱留設(shè)寬度為L(zhǎng)2,m;安全防隔水煤巖柱寬度Ha,m.

由于該斷層切割深度大、落差大,目前井下還沒(méi)有進(jìn)行探測(cè),安全起見先假定為導(dǎo)水正斷層,成為奧灰水補(bǔ)給主采3煤層的通道.因此,根據(jù)文獻(xiàn)[1]規(guī)定,其斷層防水煤柱的留設(shè)應(yīng)按如下2種方式計(jì)算,取結(jié)果中的大值進(jìn)行留設(shè).

表1 七采區(qū)揭露奧灰鉆孔相關(guān)統(tǒng)計(jì)分析

1)煤層位于含水層下方且斷層導(dǎo)水的情況下,主要考慮斷層水在順煤層方向上的壓力,防水煤柱的留設(shè)按式(1)進(jìn)行計(jì)算.

(1)

式中:L2為煤柱留設(shè)的寬度,m;K為安全系數(shù),取5;M為煤層厚度或采高,取剖面中最大值8.54 m;P為奧灰水頭壓力,取6.65 MPa(用2019年3月底實(shí)測(cè)值約8.15 MPa減去3煤層底到奧灰距離150 m產(chǎn)生的1.5 MPa);KP為煤的抗拉強(qiáng)度,MPa,取0.8 MPa.

補(bǔ)7-3鉆孔揭露奧灰頂?shù)?煤層底約150 m,則該孔的奧灰突水系數(shù)約0.054 MPa/m,按照文獻(xiàn)[1]仍屬于安全開采條件.但由于北公村1號(hào)正斷層影響,下盤的奧灰頂部距離上盤的3煤層明顯拉近,斜距L1約70 m,垂向上僅60 m左右,則奧灰突水系數(shù)將達(dá)到0.14 MPa/m.由此可見,由于該斷層存在,導(dǎo)致開采3煤層引起奧灰突水危險(xiǎn)性大大增加.

根據(jù)式(1)可計(jì)算出順煤層方向3煤斷層最大防水煤柱L2為107 m.

2)煤層位于含水層上方且斷層導(dǎo)水的情況下,防水煤柱的留設(shè)主要考慮煤層下部的隔水層能否承受下部含水層的水壓,其計(jì)算可按照式(2)進(jìn)行.

(2)

式中:α為斷層傾角(°),取60°;Ha為斷層安全防水煤柱的寬度,m.

Ha值東灘煤礦缺少實(shí)際觀測(cè)資料確定,可按式(3)進(jìn)行計(jì)算.

(3)

式中:P為奧灰水頭壓力,取實(shí)測(cè)值8.15 MPa;Ts為斷層臨界突水系數(shù),按0.06 MPa/m;10為保護(hù)帶厚度,一般取10 m.

則由式(3)可得Ha為146 m.

北公村1號(hào)斷層傾角取60°且導(dǎo)水時(shí),根據(jù)式(2),3煤斷層最大防水煤柱L2為168 m.

按文獻(xiàn)[1],根據(jù)以上兩種方法計(jì)算的結(jié)果,應(yīng)取較大的數(shù)字.則在斷層導(dǎo)水條件下,考慮底部奧灰含水層水壓力時(shí)北公村1號(hào)斷層防水煤柱L2為168 m.

3 典型斷層阻滲性進(jìn)一步探討

課題組在2012年～2015年在兗州礦區(qū)東灘、興隆莊、鮑店、楊村等主力礦井進(jìn)行了主采3煤層底板不同結(jié)構(gòu)狀態(tài)的大量壓滲試驗(yàn)[16],相關(guān)主要研究成果獲得了山東省2015年度科學(xué)技術(shù)進(jìn)步二等獎(jiǎng),現(xiàn)場(chǎng)壓滲方面的部分主要數(shù)據(jù)見表2.在表2中最主要參數(shù)就是單位抗?jié)B強(qiáng)度,我們這里現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)了采動(dòng)底板5種結(jié)構(gòu)類型條件下單位抗?jié)B強(qiáng)度,論文中主要可借鑒的是斷層帶阻滲性量化參數(shù)0.12 MPa/m.

表2 底板結(jié)構(gòu)狀態(tài)及其阻滲能力對(duì)應(yīng)關(guān)系現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料[16]

由圖3可得,開采煤層底板奧灰含水層水在采動(dòng)礦壓和水壓力聯(lián)合作用下可能沿北公村1號(hào)斷層帶進(jìn)入采空區(qū),根據(jù)補(bǔ)7-3鉆孔揭露,和主采的3煤層沿著斷層面方向L1約70 m,則由此可算出該斷層的阻滲性約8.4 MPa,這個(gè)數(shù)值大于奧灰含水層實(shí)際水壓值8.15 MPa,理論上來(lái)說(shuō)在非采動(dòng)條件下可以阻止奧灰水沿著斷層面滲入到主采煤層的3煤層.

另外根據(jù)奧灰實(shí)際水壓值8.15 MPa和斷層帶阻滲性0.12 MPa/m可反算出沿?cái)鄬訋У陌踩钚『穸燃s68 m,垂高約59 m.若根據(jù)文獻(xiàn)[1],斷層位置臨界突水系數(shù)值0.06 MPa/m,則安全隔水層厚度最小需要136 m,與式(2)計(jì)算的168 m相比,相差32 m.由此可見,規(guī)程中計(jì)算明顯偏保守,這對(duì)實(shí)際煤炭資源回收是不利的.

4 結(jié)論

1)奧灰含水層通過(guò)大型斷層作為導(dǎo)水通道是預(yù)開采3煤層的主要災(zāi)害性突水水源.

2)北公村1號(hào)斷層開采3煤層的奧灰防水煤柱寬度約168 m.

3)初步分析認(rèn)為在沒(méi)有采動(dòng)條件下北公村1號(hào)斷層和主采3煤層之間沿?cái)鄬訋Э梢宰柚沟撞繆W灰水,但考慮誤差或地質(zhì)體的不均一性和各向異性原因,開采3煤該斷層仍將可能形成導(dǎo)水通道造成奧灰突水.