基于煤巖層與斷層空間關(guān)系的防隔水煤巖柱優(yōu)化計(jì)算

武 濱，謝道雷，韓 靜，陳 強(qiáng)，張會(huì)德

(1.山東科技大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266590；2.兗州煤業(yè)股份有限公司濟(jì)寧三號(hào)煤礦，山東 濟(jì)寧 272000；3.山東里能魯西礦業(yè)有限公司，山東 濟(jì)寧 272000)

煤炭在中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的戰(zhàn)略地位不可動(dòng)搖[1]。在煤炭生產(chǎn)過(guò)程中，礦井突水有可能淹沒(méi)采礦區(qū)，造成重大人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，因此礦井水害防治意義重大[2-6]。礦井水害的發(fā)生有2 個(gè)必要條件：一是突水水源；二是導(dǎo)水通道[7-8]。斷層是常見(jiàn)的地質(zhì)構(gòu)造，經(jīng)常作為地下水的導(dǎo)水通道，使不同含水層發(fā)生水力聯(lián)系，一旦處理不慎，輕則導(dǎo)致礦井涌水量增大，重則引發(fā)礦井突水事故。因此，對(duì)于近斷層的煤層開(kāi)采，需要進(jìn)行防隔水煤巖柱留設(shè)寬度計(jì)算[8-17]。

近年來(lái)，專(zhuān)家學(xué)者在防隔水煤巖柱寬度計(jì)算方面的研究方法主要有：①理論計(jì)算：施龍青等[12]在考慮礦山壓力因素的基礎(chǔ)上建立力學(xué)模型，進(jìn)而推導(dǎo)出采場(chǎng)斷層防水煤巖柱留設(shè)計(jì)算公式；師維剛等[13]將煤柱結(jié)構(gòu)分區(qū)后，選用極限平衡理論、拋物線(xiàn)型強(qiáng)度理論和統(tǒng)一強(qiáng)度理論，確定煤柱寬度，并與以往經(jīng)典模型計(jì)算公式進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證模型合理性。② 數(shù)值模擬：劉波等[14]研究在不同采空區(qū)積水工況下進(jìn)行工作面的回采對(duì)兩工作面之間防水煤巖柱變形與破壞特性的影響，利用FLAC3D進(jìn)行流?固耦合作用下的三維數(shù)值模擬研究，通過(guò)對(duì)比計(jì)算獲得煤巖柱留設(shè)存在合理寬度區(qū)間；魏久傳等[15]針對(duì)山東濟(jì)寧市濟(jì)三煤礦十二采區(qū)孫氏店支一斷層和 F8 斷層在 3上、3下煤層重復(fù)采動(dòng)條件下的活化機(jī)制，圍繞煤巖柱進(jìn)行合理的尺寸留設(shè)，通過(guò)FLAC3D軟件模擬并結(jié)合經(jīng)驗(yàn)公式，提出合理的煤巖柱留設(shè)尺寸，為采區(qū)安全開(kāi)采提供借鑒。③徐東晶等[16]、尹會(huì)永等[17-18]在總結(jié)全國(guó)各典型煤礦斷層防水煤巖柱相關(guān)資料的基礎(chǔ)上，以水頭壓力、煤層厚度、安全系數(shù)、煤的抗張強(qiáng)度為主要影響因子，選擇有代表性的樣本數(shù)據(jù)，通過(guò)Matlab 軟件構(gòu)建了反向傳播(Back Propagation，BP)和徑向基函數(shù)(Radial Basis Function，RBF)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，對(duì)各煤礦斷層防水煤巖柱的留設(shè)寬度進(jìn)行了預(yù)測(cè)，并與規(guī)程經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比；目前最根本、應(yīng)用最廣的方法仍是《煤礦防治水細(xì)則》[19]中的斷層煤巖柱寬度計(jì)算方法，上述各種計(jì)算方法都離不開(kāi)其原理。而以往《煤礦防治水細(xì)則》中的斷層煤巖柱寬度計(jì)算方法將煤層產(chǎn)狀理想化為水平，沒(méi)有考慮煤巖層真實(shí)產(chǎn)狀及斷層面與煤層產(chǎn)狀的空間關(guān)系，且取煤層底板處水壓值，水壓p取值偏小，計(jì)算的防隔水煤巖柱尺寸偏小，為精確計(jì)算煤巖柱尺寸，確保工作面安全回采，需要對(duì)《煤礦防治水細(xì)則》中相應(yīng)公式進(jìn)行改進(jìn)，獲得更準(zhǔn)確的計(jì)算方式。

山東濟(jì)寧三號(hào)煤礦123上01(南)工作面西側(cè)F8 斷層落差較大，斷層發(fā)育部位圍巖穩(wěn)定性差，有因采動(dòng)斷層活化[20-21]導(dǎo)通侏羅系含水層水甚至奧陶系灰?guī)r(簡(jiǎn)稱(chēng)奧灰)水而造成工作面滯后突水[22-23]的危險(xiǎn)，筆者以F8 斷層為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)《煤礦防治水細(xì)則》中防隔水煤巖柱計(jì)算方式進(jìn)行改進(jìn)，提高防隔水煤巖柱計(jì)算尺寸的精度，以期為礦井工作面安全回采提供更為可靠的科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

山東濟(jì)寧三號(hào)煤礦123上01(南)工作面的地面位置位于井田工業(yè)廣場(chǎng)北方向，工業(yè)廣場(chǎng)東北方向，地表東部為李二莊。地層整體為南高北低的單斜構(gòu)造，局部發(fā)育寬緩的波狀起伏；中部煤層傾角較大，最大為10°，平均煤層傾角為4°。工作面為刀把型，南部270 m工作面寬100 m，北部427 m 工作面寬290 m，總面積150 830 m2。落差為10 m 時(shí)，F(xiàn)8 斷層附近相鄰等高線(xiàn)間最小距離60.41 m，真傾角(γ)約為9.4°，如圖1 所示。工作面位于F8 斷層上盤(pán)，距離F8 斷層在140 m 以上。工作面內(nèi)揭露斷層16 條，F(xiàn)8 斷層位于井田十二采區(qū)中部，為正斷層，走向NNW，傾向NEE，傾角70°，落差0～130 m，錯(cuò)斷層位為侏羅系至奧陶系，延展長(zhǎng)度4 720 m，受鉆孔和物探工程控制，巖巷、煤巷揭露，屬查明斷層。巷道揭露斷層時(shí)基本無(wú)淋水涌水現(xiàn)象，斷層含水性弱、導(dǎo)水性差，但受采動(dòng)影響存在導(dǎo)水的可能。具體研究位置位于距離123上01(南)工作面最近的F8 斷層處，該斷層因落差較大，距離工作面較近，有溝通奧灰含水層可能，威脅礦井安全回采，必須進(jìn)行防隔水煤巖柱寬度計(jì)算。

圖1 山東濟(jì)寧三號(hào)煤礦123上01(南)工作面位置Fig.1 Location of the 123up01(south) working face of Jining No.3 Coal Mine in Shandong Province

2 奧灰水安全防隔水煤巖柱寬度計(jì)算方法對(duì)比

2.1 《煤礦防治水細(xì)則》計(jì)算方法

在距離123上01(南)工作面最近的F8 斷層處，3上煤層底板高程約為?566 m，奧灰水位取近3 年最高水位1.98 m，則水位到煤層與煤層交點(diǎn)處的水頭高度H1=1.98?(?566)=567.98 m，123上01(南)工作面近F8 斷層開(kāi)采，受采動(dòng)影響可能會(huì)造成斷層活化使奧灰水沿?cái)鄬用嫔仙?，因此，需留設(shè)足夠的斷層防隔水煤巖柱，確保工作面安全回采。將F8 斷層按照導(dǎo)水考慮，則防隔水煤巖柱的留設(shè)需要考慮2 個(gè)方向的壓力，如圖2所示。

圖2 煤層位于含水層上方且斷層導(dǎo)水時(shí)防隔水煤(巖)柱留設(shè)Fig.2 Design of waterproof coal (rock) pillars when the coal seam is located above the aquifer and the fault conducts water

(1) 按照《煤礦防治水細(xì)則》附錄六第四條中規(guī)定，當(dāng)考慮斷層水在順層方向上的壓力時(shí)，按照附錄六之二計(jì)算煤巖柱寬度。由《煤礦防治水細(xì)則》附錄六之二附6-3 公式，可得煤巖柱留設(shè)的寬度L：

3上煤底板處的奧灰水壓p1：

式中：K為安全系數(shù)，K=5；M為煤層厚度或采高，M=1.7 m；Kp為煤的抗拉強(qiáng)度，Kp=0.5 MPa；H1為煤層底板處的水頭高度。

(2) 考慮斷層導(dǎo)水對(duì)于煤層底部的壓力，根據(jù)《煤礦防治水細(xì)則》附錄六第四條附6-7 公式，可得防隔水煤巖柱寬度L：

其中，根據(jù)《煤礦防治水細(xì)則》附錄六第三條附6-6 公式，即不考慮地層真實(shí)產(chǎn)狀及斷面與煤層傾向的空間關(guān)系，得到的安全防隔水煤巖柱寬度Ha：

式中：α為斷層傾角，α=70°；p1為3上煤底板處的奧灰水壓，p1=5.68 MPa；Ts為突水系數(shù)，Ts=0.06 MPa/m。

2.2 改進(jìn)的算法原理及公式

經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，上述《煤礦防治水細(xì)則》附錄六第四條附6-7 公式的計(jì)算將煤層產(chǎn)狀理想化為水平，沒(méi)有考慮地層真實(shí)產(chǎn)狀及斷面與煤層傾向的空間關(guān)系。因此，如圖2 所示，水壓p1根據(jù)3上煤底板處的水頭高度H1取值計(jì)算的防隔水煤巖柱尺寸偏小，存在一定安全隱患。

由圖3、圖4 可知，正確的取值應(yīng)該是根據(jù)水位到AO在斷層面垂足處的水頭高度H2換算水壓值，AO長(zhǎng)度即為Ha值，并考慮地層產(chǎn)狀、斷層產(chǎn)狀及斷面方向計(jì)算Ha，獲得修正后的防隔水煤巖柱寬度Lx。

圖3 煤巖層關(guān)系三維展示Fig.3 Three-dimensional schematic diagram of the coal-rock relationship

圖4 斷層防隔水煤巖柱計(jì)算Fig.4 Schematic diagram of calculation of fault waterproof coal pillars

經(jīng)過(guò)三角形幾何關(guān)系和三角函數(shù)推導(dǎo)可以得出水位到AO在斷層面垂足處的水頭高度H2：

根據(jù)煤巖層位置關(guān)系示意圖，利用三角函數(shù)和空間幾何推導(dǎo)計(jì)算得出煤層視傾角β：

修正后的安全防隔水煤巖柱的寬度Hx：

水位到AO在斷層面垂足處的水壓p2：

式中：ω為剖面方向與煤層傾向之間的夾角，ω=53°。

修正后的防隔水煤巖柱寬度：

根據(jù)式(8)、式(10)推導(dǎo)斷層防隔水煤巖柱計(jì)算公式如下：

通過(guò)計(jì)算結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)方法得到的防隔水煤巖柱寬度為112 m，采用修正過(guò)水頭高度H2，并考慮地層真實(shí)產(chǎn)狀及斷面與煤層傾向的空間關(guān)系的理論公式得到的防隔水煤巖柱寬度為128.5 m，因改進(jìn)公式考慮了實(shí)際煤巖層產(chǎn)狀及與斷層面空間關(guān)系，且水壓取值位置準(zhǔn)確，計(jì)算結(jié)果更為精確。因此，最終選取優(yōu)化后的理論公式計(jì)算值128.5 m 作為F8 斷層防隔水煤巖柱評(píng)價(jià)依據(jù)。優(yōu)化的計(jì)算方法與《煤礦防治水細(xì)則》相比，計(jì)算參數(shù)選取及計(jì)算結(jié)果相對(duì)保守，同時(shí)工作面布置時(shí)考慮了本次計(jì)算結(jié)果，與F8 斷層的最小間距為142 m，大于128.5 m，可以確保工作面安全回采。

3 結(jié) 論

a.通過(guò)考慮煤巖層真實(shí)產(chǎn)狀及斷層面與煤層產(chǎn)狀的空間關(guān)系，對(duì)《煤礦防治水細(xì)則》中斷層導(dǎo)水條件下考慮底板承壓水威脅的防隔水煤巖柱寬度計(jì)算方式進(jìn)行改進(jìn)，推導(dǎo)出水位到AO在斷層面垂足的水頭高度計(jì)算公式及改進(jìn)后的斷層防隔水煤巖柱尺寸計(jì)算公式。

b.《煤礦防治水細(xì)則》原有計(jì)算公式將煤巖層理想化為水平巖層，且取偏小的煤層底板水壓值計(jì)算F8 斷層煤巖柱尺寸為112 m，改進(jìn)后的公式計(jì)算結(jié)果為128.5 m，因改進(jìn)公式考慮了實(shí)際煤巖層產(chǎn)狀及與斷層面空間關(guān)系，且水壓取值位置準(zhǔn)確，計(jì)算結(jié)果更為精確，為礦井安全回采提供了更為科學(xué)的參考依據(jù)。