2-208工作面斷層破碎帶底板突水危險(xiǎn)性分析

（霍州煤電集團(tuán)辛置煤礦，山西 霍州 031412）

1 工程概況

山西焦煤霍州煤電集團(tuán)辛置煤礦2-208綜采工作面位于310水平二采區(qū)軌道巷左側(cè)，為二采區(qū)系統(tǒng)巷道煤柱回收工作面，工作面走向長(zhǎng)度175m，傾斜長(zhǎng)度579.5m，開采2#煤層，煤層厚度為3.8～4.3m，煤層平均傾角為4°，煤層頂?shù)装鍘r層特征見表1。

2-208工作面的主要充水水源為2#煤層上覆的各砂巖裂隙水，工作面底板標(biāo)高+261～+306 m。根據(jù)礦井地質(zhì)報(bào)告，顯示井田范圍內(nèi)太灰水的水位平均標(biāo)高為+497m，工作面為帶壓開采，帶壓1.91～2.36MPa。2#煤層底板距太灰頂面平均間距為80 m。在工作面范圍內(nèi)發(fā)育F1162斷層，斷層為正斷層，傾角為60°，落差較大，在工作面內(nèi)延伸約320m，為保證工作面回采的安全，需對(duì)斷層破碎帶底板突水危險(xiǎn)性進(jìn)行分析。

表1 2#煤層頂?shù)装鍘r層特征

2 底板阻滲性評(píng)價(jià)方法

目前評(píng)價(jià)底板突水的主要方法為突水系數(shù)法。該種方法反應(yīng)的主要為充水巖層與底板巖層阻水能力之間的關(guān)系。針對(duì)斷層破碎區(qū)域，將破碎帶巖體的阻滲強(qiáng)度作為臨界突水系數(shù)的組成要素，故以阻滲強(qiáng)度參數(shù)作為斷層區(qū)域底板突水系數(shù)評(píng)價(jià)的基本依據(jù)。

以煤層與底板充水含水層間隔巖層的阻水抗壓能力，即巖體的抗?jié)B性能Pm作為阻滲能力的評(píng)價(jià)參數(shù)，其表達(dá)式為：

式中：P0i為底板第i巖層單位厚度所具備的抗?jié)B強(qiáng)度；hi為第i段巖層的厚度；αi為結(jié)構(gòu)效應(yīng)的折減系數(shù)；Mi為第i分層的厚度；Hi為第i分層覆巖的厚度；Pwi為第i分層的最大導(dǎo)滲水壓力；為第i分層的平均重度；λi為第i分層的側(cè)壓力系數(shù)。

公式（1）中的λi和Pwi通過實(shí)驗(yàn)室測(cè)試或現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試得出，Mi的劃分主要依據(jù)底板巖層的結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)根據(jù)華北煤田底板的結(jié)構(gòu)特征，參考巖體結(jié)構(gòu)的劃分標(biāo)準(zhǔn)，將斷層破碎帶底板巖層具體劃分為采動(dòng)破壞帶和原始狀態(tài)不導(dǎo)水的破碎帶?；诹严栋l(fā)育程度進(jìn)行巖層阻滲能力的結(jié)構(gòu)折損系數(shù)αi，見表2。

表2 巖層阻滲能力結(jié)構(gòu)效應(yīng)折減系數(shù)αi

根據(jù)辛置煤礦2-208工作面F1162斷層破碎帶底板巖層阻滲強(qiáng)度的實(shí)測(cè)結(jié)果，結(jié)合表1的取值范圍，工作面底板不同結(jié)構(gòu)類型平均抗?jié)B強(qiáng)度進(jìn)行確定，具體參數(shù)見表3。

表3 底板平均阻滲強(qiáng)度

為有效分析底板隔水巖層的阻滲能力，應(yīng)首先確定底板有效隔水層的厚度，隨后在基于地質(zhì)鉆孔統(tǒng)計(jì)分析各個(gè)分層的厚度，結(jié)合表3抗?jié)B強(qiáng)度的取值，最后確定出底板阻滲能力的數(shù)值，其評(píng)價(jià)流程見圖1。

根據(jù)上區(qū)段工作面太灰水的水頭壓力，大致估計(jì)出斷層破碎帶的阻滲強(qiáng)度在0.07～0.103MPa/m，其數(shù)值大于斷層帶阻滲評(píng)價(jià)方法中給出的平均阻滲強(qiáng)度的建議值（建議值為0.07MPa/m）。據(jù)此可知，基于該評(píng)價(jià)方法，F(xiàn)1162斷層破碎帶在2-208工作面回采期間不會(huì)出現(xiàn)突水。

圖1 底板巖層阻滲性能評(píng)價(jià)流程

3 突水危險(xiǎn)性實(shí)測(cè)分析

3.1 回采期間斷層區(qū)域監(jiān)測(cè)

在2-208工作面回采期間，為充分防止斷層區(qū)域出現(xiàn)突水現(xiàn)象，在F1162斷層區(qū)域布置水壓測(cè)點(diǎn)。進(jìn)行水壓的持續(xù)監(jiān)測(cè)。分別在底板垂直向下11 m和30m的位置設(shè)置水壓監(jiān)測(cè)設(shè)備。根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，得出工作面回采過程中斷層破碎帶水壓的變化曲線，見圖2。

圖2 工作面回采過程中斷層面水壓曲線

據(jù)圖2可知，在工作面回采過程中，斷層在垂直深度11 m和30m處的兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水壓值均在底板采動(dòng)影響下產(chǎn)生波動(dòng)，但其整體波動(dòng)程度較小，幅度均小于0.1MPa。在工作面超前測(cè)點(diǎn)35 m到推進(jìn)過測(cè)點(diǎn)35m的范圍內(nèi)，1#監(jiān)測(cè)孔斷層面底板垂直深度11m處超靜孔隙水壓出現(xiàn)明顯的升高，2#測(cè)試孔底板垂直深度30 m孔隙水在該范圍內(nèi)具體表現(xiàn)為：工作面回采推過測(cè)點(diǎn)前，孔隙水表現(xiàn)為整體穩(wěn)定的狀態(tài)，當(dāng)工作面回采推過測(cè)點(diǎn)后，孔隙水壓便消散。

另外在工作面回采期間對(duì)斷層面底板垂深15m處的附加應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)得出其在回采期間的變形曲線，見圖3。

圖3 工作面回采過程中斷層面底板附加應(yīng)力變化曲線

圖4 斷層破碎帶阻滲透

據(jù)圖3可知，斷層破碎帶內(nèi)的附加應(yīng)力值在采動(dòng)影響下出現(xiàn)較大程度的波動(dòng)，且斷層破碎帶處出現(xiàn)了明顯的塑性變形，工作面迎頭的超前測(cè)點(diǎn)在采動(dòng)影響下塑性變形荷載在0.2MPa以下。當(dāng)迎頭推過測(cè)點(diǎn)后，此時(shí)底板巖層處于卸壓狀態(tài)，巖層會(huì)逐漸膨脹，使得塑性變形應(yīng)力逐漸升高，最大達(dá)到1.1MPa?？芍夭蓜?dòng)壓對(duì)斷層區(qū)域的影響是較為劇烈的，根據(jù)上區(qū)段工作面底板采動(dòng)變形實(shí)測(cè)可知，正常區(qū)域煤層底板的破壞深度小于10m，結(jié)合本次斷層破碎帶垂深15m的應(yīng)力觀測(cè)結(jié)果，推測(cè)F1162斷層在回采動(dòng)壓影響下的破壞深度大于15 m。

綜合斷層破碎帶區(qū)域探測(cè)2#孔附加應(yīng)力和水壓曲線可知，在工作面超前測(cè)點(diǎn)35 m到推進(jìn)過測(cè)點(diǎn)35m的范圍內(nèi)，測(cè)點(diǎn)的采動(dòng)礦壓逐漸增大。在工作面推進(jìn)過測(cè)點(diǎn)后，其礦壓顯現(xiàn)現(xiàn)象較為劇烈，但此時(shí)其對(duì)應(yīng)的超靜孔隙水壓力卻消散，這在一定程度上反映出，在斷層區(qū)域該深度的采動(dòng)活化較弱。

3.2 斷層破碎帶阻滲特性評(píng)價(jià)

（1）底板帶壓開采條件

采用突水系數(shù)的形式對(duì)工作面底板的水害程度進(jìn)行評(píng)價(jià)。突水系數(shù)計(jì)算公式如下：

式中：Ts為突水系數(shù)；M為底板隔水層的厚度；P為底板隔水層承受的水頭壓力。2#煤層底板距下覆太灰頂面平均間距為80m，太灰水的水壓平均為1.91～2.36MPa，代入式（2），計(jì)算出突水系數(shù)為0.024～0.030MPa/m，小于0.06MPa/m。根據(jù)《煤礦防治水細(xì)則》，工作面屬安全開采區(qū)。

（2）斷層破碎帶阻滲評(píng)價(jià)

根據(jù)2-208工作面2#煤層與下伏太灰水含水層間的平均距離，并據(jù)埋設(shè)的最下部探頭垂直為30m的位置，可大致確定出22#探頭沿著F1162斷層面與太灰水的平均間距約在43m，見圖4。

基于2-208工作面回采過程中垂直深度30 m位置水壓探頭的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知，采動(dòng)影響下該處水壓值的變化幅度相對(duì)較小，表明下覆太灰水的補(bǔ)給并未達(dá)到該處，由此可確定F1162斷層與太灰水之間并未發(fā)生聯(lián)系，斷層具有較強(qiáng)的阻滲性能，回采動(dòng)壓擾動(dòng)下并未出現(xiàn)活化現(xiàn)象。

4 結(jié)語

根據(jù)2-208工作面帶壓開采的具體情況，結(jié)合F1162斷層特征，基于建立底板隔水層阻滲評(píng)價(jià)方法，具體計(jì)算底板阻滲強(qiáng)度，并在工作面回采期間分析斷層區(qū)域水壓及附加應(yīng)力，確定出工作面采動(dòng)影響下F1162斷層并未連通底板太灰水含水層，即斷層破碎帶回采期間不會(huì)活化導(dǎo)水。