東灘煤礦滋陽斷層保護煤（巖）柱設(shè)計可行性研究

劉峰建

（兗州煤業(yè)股份有限公司東灘煤礦，山東 鄒城 273500）

0 引言

根據(jù)東灘煤礦三采區(qū)開采設(shè)計，三采區(qū)行人巷、運輸巷、軌道巷沿東部采區(qū)邊界南北向布置，北部直至滋陽斷層保護煤柱線。滋陽斷層為礦井北部傾向北東的邊界附近正斷層，對盤為星村煤礦，東灘煤礦位于下盤位置，滋陽斷層為區(qū)域性正斷層，斷層走向北西，傾向北東，傾角約70°。西北段斷層落差大于350 m，東南端斷層落差減小到80 m，至宣村斷層終止。東灘煤礦在三采區(qū)行人巷掘進距物探滋陽斷層面115 m時，迎頭提前揭露滋陽斷層帶，經(jīng)鉆孔探查斷層實際平面位置較物探解釋位置向井田內(nèi)發(fā)生擺動。為保證今后礦井生產(chǎn)安全，需對滋陽斷層煤（巖）柱留設(shè)進行計算并進行可行性研究。

1 斷層概況

滋陽斷層為區(qū)域性正斷層，位于東灘井田北部邊界。斷層走向北西，傾向北東，傾角約70°。西北段斷層落差大于350 m，東南端斷層落差減小到80 m，至宣村斷層終止。根據(jù)《東灘煤礦三采區(qū)（北區(qū)）三維地震勘探報告》（江蘇省煤田地質(zhì)物探測量隊，2002），井田內(nèi)滋陽斷層延展長度3 873 m，地震勘探評級斷點106個，其中A級斷點77個，B級27個，C級2個，17-3號鉆孔穿過；17-2號鉆孔控制；三采行人巷實際揭露該斷層落差大于350 m，斷層面向南擺動74 m，通過鉆探驗證，屬查明斷層。三采行人巷對接相鄰星村井田上侏羅統(tǒng)含水層。根據(jù)地質(zhì)資料，上侏羅統(tǒng)砂礫巖孔隙、裂隙承壓含水層厚度393.27～735.20 m，平均500.56 m，采區(qū)內(nèi)東厚西薄。

2 斷層探查情況

2019年，中煤科工集團西安研究院有限公司對東灘煤礦滋陽斷層進行了直流電法超前探測和瞬變電磁法超前物探工程，主要任務是探測三采行人巷、軌道巷前方區(qū)域滋陽斷層的富水異常區(qū)。共圈定了3個%相對低阻異常區(qū)（見圖1），①號異常位于軌道巷迎頭前20～60 m，該異常不在滋陽斷層附近，異常范圍較大，異常幅值較強；②號異常位于行人巷迎頭右前100～110 m，該異常在滋陽斷層內(nèi)，異常范圍較小，異常幅值較弱；③號異常位于行人巷迎頭后側(cè)幫前70～100 m，該異常在滋陽斷層內(nèi)，異常范圍較小，異常幅值較弱。

圖1 超前物探探測結(jié)果分析圖

綜合分析次次綜合物探成果，3處異常范圍較小，上下聯(lián)通較差，異常范圍相互獨立，①號異常位于軌道巷前方，主要發(fā)育在待掘巷道頂板附近，異常幅值相對較強，但該異常不在滋陽斷層內(nèi)，推測是頂板砂巖局部弱富水引起，富水性較弱；②、③號異常位于滋陽斷層內(nèi)，異常幅值弱，結(jié)合直流電法超前成果在滋陽斷層內(nèi)的部分視電阻率相對較高，對比瞬變電磁法視電阻率值，綜合推測這2處異常是由于巖層內(nèi)部裂隙局部發(fā)育導致，富水性較弱。

三采區(qū)行人巷揭露及鉆孔探查證實，滋陽斷層揭露處斷層帶寬約8.5 m，孔內(nèi)干燥無水，不存在含水、導水現(xiàn)象。

3 三采行人巷滋陽斷層煤柱留設(shè)計算

根據(jù)東灘煤礦三采行人巷揭露、鉆孔探查，地面鉆孔揭露斷層時沖洗液消耗量資料分析，三采行人巷揭露滋陽斷層點不含水、不導水，為確保安全，本次對滋陽斷層按導水斷層和不導水斷層分別進行斷層煤（巖）柱留設(shè)計算。

3.1 掘進工作面安全隔水層厚度計算公式計算斷層煤柱

根據(jù)東灘煤礦采掘工程接續(xù)布置，三采行人巷附近均為三采區(qū)巷道煤柱，三采行人巷掘進至滋陽斷層煤柱內(nèi)，設(shè)計3309工作面停采線位于三采軌道巷西60 m，今后三采行人巷兩側(cè)130 m范圍內(nèi)無采煤工作面布置（見圖2）。因此，本次三采行人巷斷層煤柱留設(shè)按照《煤礦防治水細則》（2018）中掘進工作面安全隔水層厚度計算公式，以及含水或者導水斷層防隔水煤（巖）柱的留設(shè)分別進行計算。

圖2 三采行人巷附近工作面接續(xù)及煤柱留設(shè)示意圖

圖2 按照含水或者導水斷層防隔水煤（巖）柱的留設(shè)計算示意圖

掘進工作面安全隔水層厚度按以下公式計算：

式中：t為安全隔水層厚度，m；L為巷道底板寬度，m，考慮到斷層水對掘進工作面的側(cè)向壓力，寬度應為巷道的高度值，三采行人巷高度為3.6 m；r為底板隔水層的平均重度，MN/m3，結(jié)合巷道的高度選取，隔水層平均重度取3煤層容重，1.32 MN/m3；Kp為底板隔水層的平均抗拉強度，MPa，煤的平均抗拉強度為1 MPa；p為底板隔水層承受的實際水頭值，MPa。本次計算利用東灘井田紅層水位觀測資料。本井田共有紅層水位觀測孔9個，2020年底紅層水位標高為-375.36～+3.13 m（見表1）。為安全考慮，本次計算紅層取井田最高水位+3.13 m。三采行人巷垂向滋陽斷層煤層標高約為-576 m，那么阻水煤層所承受的側(cè)向壓力水頭值約為5.8 MPa。

表1 東灘煤礦侏羅系紅層水位觀測表

2）掘進工作面安全隔水層厚度

3.2 按照含水或者導水斷層防隔水煤（巖）柱的留設(shè)計算公式計算斷層煤柱

根據(jù)《煤礦防治水細則》（2018），含水或者導水斷層防隔水煤（巖）柱的留設(shè)可按下式計算：

式中：L為煤柱留設(shè)的寬度，m?！?0 m；K為安全系數(shù)，一般取2～5，考慮到三采行人巷寬度4.5 m，高度3.6 m，影響范圍較小，本次安全系數(shù)取3；M為煤層厚度或者采高，m，取附近鉆孔揭露3煤層厚度為7.51 m；p為實際水頭值，MPa，本次同前取5.8 MPa；Kp為煤的抗拉強度，MPa，本次取1.02 MPa。得出：L=0.5×3×7.51×（3×5.8/1.02）^0.5=46.5 m。

3.3 非采動情況下（巷道）斷層煤柱寬度

斷層不含水、不導水，原則上只考慮巷道巖層松動圈（5～7 m）對斷層的影響。為安全起見，按照《煤礦防治水細則》（2018）安全煤（巖）柱寬度不得小于20 m的要求，斷層煤柱取值20 m。

3.4 三采行人巷附近滋陽斷層煤柱留設(shè)

根據(jù)以上分析計算，獲得斷層在斷層導水、斷層不導水2種條件下斷層煤柱寬度計算值（見表2）。

表2 三采行人巷滋陽斷層煤柱計算匯總表

綜合上述分析計算，為安全考慮，三采行人巷附近巷道滋陽斷層煤柱取計算值的大值，即46.5 m，作為三采行人巷附近斷層煤柱寬度值。在大巷兩側(cè)保護煤柱（寬度40 m）至斷層防水煤柱交點設(shè)定A、B點，兩點之間斷層防水煤柱按計算的數(shù)值46.5 m留設(shè)，A B點以外維持100 m不變（見圖1）。

因三采區(qū)行人巷與滋陽斷層斷面呈斜交狀（α角度約48°），煤柱寬度為47.0 m為垂直寬度，那么求得三采區(qū)行人巷需要填充的寬度應為（見圖1）：

L'=L/sin(α)=46.5 m/sin48°=62.6 m

對照采掘工程平面圖中巷道的具體位置，行人巷進入斷層煤柱內(nèi)62.6 m范圍，需進行填充處理。

4 巷道充填

充填注漿選用采購及制漿方便的水泥-水玻璃漿液，水泥漿水灰比1∶1或0.8∶1，水泥漿與水玻璃體積比10∶1。巷道內(nèi)充填矸石及碎石后，空隙率初步按35%計算所需的漿液用量，但具體用量以墻體套管出漿為準。整體注漿充填加固處理后，巷道內(nèi)碎石+漿液形成類似混凝土的結(jié)構(gòu)，強度類似巖石。

充填步驟如下：

步驟1：巷道內(nèi)62.6 m充填段先預埋2根鋼管，鋼管沿著巷道底板鋪設(shè)，鋼管直徑不小于65 mm為宜，其中1根長度不小于62.5 m，鋼管出口端至巷道底端；另1根長度不小于32 m，出口端至巷道中間位置；2根管路主要用于后期的充填注漿加固。

步驟2：巷道內(nèi)堆積充填矸石、碎石，盡可能密實推積，堆積的長度為巷道全充填處理段。

步驟3：在充填巷道口施工密閉墻，密閉墻采用掛網(wǎng)噴射混凝土，厚度不小于1.5 m。密閉墻施工時鋼管從墻體引出。另外密閉墻的上部埋設(shè)2～3根直徑不小108 m的套管，主要用于注漿充填時的放氣及檢驗。

步驟4：利用2根預埋的鋼管進行注漿，充填加固內(nèi)部推積矸石的空隙，對矸石起到膠結(jié)作用，提高其整體強度。先注出口端在巷道底端的長鋼管，注漿時密閉墻上套管處于敞開狀態(tài)。待達到預設(shè)注漿的50%時，換用出口端至巷道中間的短鋼管進行注漿，當發(fā)現(xiàn)密閉墻上的套管有出漿現(xiàn)象時，則說明墻后巷道已充填密實。則關(guān)閉墻上的套管閥門，巷道充填處理工作結(jié)束。

5 結(jié)論及建議

5.1 結(jié)論

1）滋陽斷層發(fā)育特征。滋陽斷層為區(qū)域性正斷層，為東灘井田北部邊界斷層。斷層走向北西，傾向北東，傾角約70°，落差80～大于350 m，井田內(nèi)延展長度3 873 m，三采區(qū)行人巷實際揭露該斷層落差大于350 m，勘探報告等評價認為屬查明斷層。

2）滋陽斷層導水性。以往報告分析認為滋陽斷層屬于弱透水斷層，但勘探鉆孔穿過斷層時沖洗液消耗量無異常變化，本礦及興隆莊煤礦巷道揭露點證實其不含水、不導水。2014年9月20日，三采區(qū)行人巷掘進迎頭揭露滋陽斷層，斷層破碎帶干燥無水，沒有含水和導水現(xiàn)象；迎頭施工鉆孔5個，其中探放水孔1個，鉆孔揭露對盤侏羅系紅層不含水，則說明三采區(qū)行人巷斷層揭露點不含水也不導水。2019年物探探查結(jié)果顯示，三采行人巷、軌道巷前方區(qū)域滋陽斷層的富水性較弱。

3）按照斷層導水條件下，按照掘進工作面安全隔水層厚度計算公式和含水或者導水斷層防隔水煤（巖）柱的留設(shè)計算公式分別進行了斷層煤柱據(jù)算。斷層煤柱留設(shè)寬度分別不小于6.3 m和46.5 m，確定斷層導水條件下煤柱留設(shè)寬度不小于46.5 m。斷層不導水條件下非采動情況煤柱留設(shè)寬度分別不小于20 m。

4）三采行人巷附近巷道滋陽斷層煤柱取斷層導水與不導水條件下2個計算值的大值，即46.5 m，作為斷層煤柱留設(shè)寬度值。對照采掘工程平面圖中巷道的具體位置，三采區(qū)行人巷進入斷層煤柱內(nèi)62.6 m范圍，需要進行充填處理。

5.2 建議

1）三采區(qū)行人巷等目前位置已進入滋陽斷層煤柱內(nèi)，應按重新核實的斷層煤柱尺寸，填實、注漿封堵進入煤柱內(nèi)的巷道。

2）采用三維地震勘探手段，進一步查明滋陽斷層位置、產(chǎn)狀，為采掘工程布置提供可靠的基礎(chǔ)技術(shù)資料。

3）以往報告評述滋陽斷層屬于弱導水斷層，采掘工程接近滋陽斷層，應采用物探鉆探手段加強對斷層的探查，進一步核實斷層位置及其含、導水性。

4）建立健全近滋陽斷層采掘工作面排水系統(tǒng)，并加強維護管理，確保系統(tǒng)正常運行，及時排放工作面涌水。