李洪恩

(河北能源職業(yè)技術學院，河北 唐山 063004)

開灤林西礦深部斷層防水煤柱留設研究及應用

李洪恩

(河北能源職業(yè)技術學院，河北 唐山 063004)

為解決開灤林西礦深部斷層防水煤柱留設問題，通過分析深部突水機理及開采理論，采用斷層勘查工程、水壓致裂測試抗拉強度、斷層防水煤柱留設計算及數(shù)值模擬，確定了7煤、8煤、9煤、11煤、12煤上盤、下盤的斷層防水煤柱寬度。模擬結果表明斷層上盤煤層開采時底板破壞區(qū)和應力區(qū)對斷層煤柱影響比頂板對其影響大，上組煤開采對下層煤的煤柱留設有影響。

深部斷層；防水煤柱；抗拉強度；數(shù)值模擬

0 引言

為了保障安全生產(chǎn)，按照有關規(guī)程規(guī)定，在斷層等構造與采掘區(qū)域之間留設一定寬度防水煤巖柱，防止承壓水突入采掘空間形成災害。林西礦井開采初期，地質勘探程度較低，參數(shù)來源主要依靠經(jīng)驗而無實際測量值，為了確保安全，煤柱留設寬度保守是必要的。

林西井田位于開平向斜東北隅，地層傾角較平緩，但走向變化較大，由礦井東北端的N20°E到礦井中部的N45°E，礦井西南端的N45°W，形成了由于構造引起的巖層走向變化以褶皺為主體的構造形態(tài)，在井田內(nèi)形成了以開平向斜端部構造塊形態(tài)為主格局的次一級褶皺。煤系地層基底為奧陶系石灰?guī)r巖溶裂隙含水層，為煤層間接充水含水層。由于存在較厚隔水層，在正常情況下，煤系地層與奧陶系灰?guī)r之間，不會發(fā)生直接聯(lián)系。根據(jù)鉆孔資料，下部可采煤層(煤12)與奧陶系灰?guī)r相距約150 m，特別是下部40～70 m段距內(nèi)，幾乎全由隔水的泥巖、粉砂巖和薄層灰?guī)r組成，阻隔了奧陶系灰?guī)r與煤系地層之間的水力聯(lián)系。因此，正常情況下，奧陶系灰?guī)r的水對煤層開采直接影響不大。但如果有斷層或其它地質構造導通煤系地層和奧灰時，奧灰?guī)r溶水會對采煤構成很大威脅。

隨著礦井開發(fā)揭露，對地質條件認識的不斷深化，對F1斷層附近區(qū)域的水文地質條件及其本身含水、導水性的認識也不斷深入。為了確保安全，在礦井延深前，實施了物探鉆探等探測工程，進一步查明了F1斷層情況，為礦井儲量挖潛、F1斷層煤柱留設奠定了基礎[1-4]。

1 F1斷層含、導水性探測分析

在以往F1斷層勘探、探查基礎上，布置必要工程探測F1斷層性質及其含水、導水性，實施煤層水力壓裂試驗獲取有關參數(shù)，論證縮小煤柱挖掘資源的可行性。

在井田勘探、建設、生產(chǎn)過程中，F(xiàn)1斷層由4條地質剖面控制。F1斷層為正斷層，錯斷7、9、11、12煤層，傾向NNW,傾角50～70°，落差10～50 m。

(1)揭露斷層情況

F1斷層在10水平電車道0500石門實見落差為28 m，在11水平1500石門揭露落差為25～30 m，傾角65～75°，斷層帶寬度0.8 m。

(2)F1斷層含、導水性探測分析

根據(jù)三維地震補充勘探，F(xiàn)1斷層向下延深落差有漸大的趨勢。根據(jù)11水平以上實見F1斷層不導水也不富水，斷層面多呈鋸齒狀，有明顯擦痕，并有方解石脈充填。在斷層旁側多出現(xiàn)派生褶皺牽引和羽狀分枝斷裂與主斷裂呈銳角相交并伴有網(wǎng)狀方解石脈充填。瞬變電磁勘探各測線穿越解釋斷層位置，F(xiàn)1斷層表現(xiàn)為含水性較弱，本次勘探未能解釋斷層導水性問題，仍需對斷層導水性做進一步勘探研究，確保煤礦安全生產(chǎn)。

2 深部特征及參數(shù)測定選取

一般認為，我國煤礦的深部資源開采的深度定為：700～1500 m，在工程應用中具有很大的局限性，深部是由地應力水平、采動應力狀態(tài)和圍巖屬性共同決定的力學狀態(tài)。深部開采與淺部開采的主要區(qū)別在于深部巖石所處的“三高一擾動”的復雜力學環(huán)境，淺部原巖體多數(shù)處于彈性應力狀態(tài)，但進入深部以后，在高地應力以及開采擾動的作用下，淺部表現(xiàn)為普通堅硬的巖石，在深部可能表現(xiàn)出大變形、難支護的軟巖特征，即礦井由淺部的硬巖礦井轉化為軟巖礦井。

實踐表明，現(xiàn)有針對淺部開采的預測評價理論、探測方法、監(jiān)測手段和治理技術難以實現(xiàn)深部重特大突水災害的有效控制。為此，從礦井水文地質角度提出煤礦深部開采概念，以力學判據(jù)形式劃定深部與淺部的界面，總結區(qū)別于淺部集中通道水害特征的以平面上面狀散流垂向壓裂導升的深部水害特征(當然還有深部水化學特征，Na+、SO42-離子含量相對升高，Ca2+、HCO3-含量相對減少，區(qū)別于淺部以Ca2+、HCO3-離子為主的特征)，提出有別于“突水系數(shù)”的底板災害評價方法[5-6]。

2.1 參數(shù)測定選取

表1 林西礦實測地應力值

林西礦3個測點中1號和3號測點最大主應力傾角近水平(14.24°和10.27°)，中間主應力傾角接近于垂直(75.74°、73.07°)，而最小主應力傾角也近于水平(0.70°和-13.31°)，即最大、最小主應力為水平主應力，中間主應力為垂直應力。2號測點最大主應力、中間主應力和最小主應力傾角分別為-26.46°、-21.05°和55.09°。分析計算結果的數(shù)據(jù)質量，可看出2號測點的可信度較低。因此以1號和3號測點的測量結果為依據(jù)，林西礦的應力場類型為大地動力型(壓縮區(qū))。

2.2 抗拉強度

對于煤層防水煤柱寬度具有決定意義的參數(shù)是煤層破裂強度和抗拉強度。抗拉強度是有關規(guī)程用以計算斷層防水煤柱寬度的重要參數(shù)，它的大小影響了煤柱的尺寸。結合其它礦區(qū)數(shù)據(jù)及附近礦井實測抗張試驗，并根據(jù)對林西礦現(xiàn)場調(diào)研頂?shù)装蹇節(jié)q強度分析，取煤層抗拉強度為0.30 MPa。

3 深部斷層煤柱留設研究

3.1 斷層防水煤柱留設計算

為了縮減煤柱寬度挖掘煤炭資源潛能，如前所述，針對F1斷層做了大量工作，研究了煤層抗拉強度，基本具備了核實選擇煤柱寬度的條件。但為安全起見，礦井應當根據(jù)礦井的地質構造、水文地質條件、煤層賦存條件、圍巖物理力學性質、開采方法及巖層移動規(guī)律等因素確定相應的防隔水煤(巖)柱的尺寸。選擇《規(guī)定》中導水斷層防水煤柱留設計算公式，含水或導水斷層防隔水煤(巖)柱的留設，可參照經(jīng)驗公式計算。探查工程顯示F1斷層在天然狀態(tài)下不導水，但實際操作過程中已經(jīng)按導水斷層考慮，為此，安全系數(shù)K分別選擇為2.5和3.0[7-8]。

含水或導水斷層防隔水煤(巖)柱的留設可參照下列經(jīng)驗公式計算：

(3-1)

式L——煤柱留設的寬度，m；

K——安全系數(shù)，一般取2-5；

M——煤層厚度或采高，m；

p——水頭壓力，MPa；

Kp——煤的抗拉強度，MPa。

表2 防隔水煤(巖)柱不同深度(-850 m～-1150 m)留設寬度一覽表

3.2 斷層防水煤柱數(shù)值模擬

(1)建立數(shù)值模型

各煤層頂板一般為泥巖、粉砂巖、細砂巖和中砂巖，基本為中硬巖層。區(qū)域西部為煤層隱伏露頭。本次數(shù)值模擬目的是分析5個煤層開采時覆巖破壞情況，建立數(shù)值模型如圖1所示。

(2)模擬結果分析

模擬建立了林西礦斷層數(shù)值模型。根據(jù)開采順序，分別模擬了依次開采7煤、8煤、9煤、11煤和12煤時圍巖的塑性應力場變化情況，分析了各煤層開采時留設煤柱破壞情況。

圍巖塑性破壞區(qū)分析各煤層依次開采時圍巖應力分布云圖如圖2～6所示。

圖1 數(shù)值模型

圖2 7煤開采應力云圖

圖3 8煤開采應力云圖

圖4 9煤開采應力云圖

圖5 11煤開采應力云圖

圖6 12煤開采應力云圖

分析圍巖應力場可以看出，與圍巖破壞區(qū)相對應，以留設煤柱為中心，應力場分為三部分，開采空間卸壓區(qū)、完整煤柱高應力區(qū)和斷層附近低應力區(qū)。

考慮斷層與煤層的幾何位置關系，斷層上盤煤層開采與下盤相比較，斷層上盤煤層開采時各煤層底板形成的拉應力區(qū)距離斷層比頂板近，下組煤層開采時受到上組煤層的底板拉應力區(qū)影響大；斷層下盤煤層開采時相比較底板的拉應力區(qū)，頂板形成的拉應力區(qū)距離斷層近，下組煤層開采位于上組煤層底板拉應力區(qū)。斷層上下盤煤層開采時，斷層傾角與煤層傾角對煤柱留設影響大。

4 結論

(1) 本區(qū)現(xiàn)代原巖應力場的宏觀類型表現(xiàn)為大地動力場型，原巖應力除自重應力場外，存在高構造應力作用。正常情況下奧灰水垂向突破巨厚的地層向采掘工作面充水的可能性較小，采掘活動奧灰突水風險較小，但若區(qū)域內(nèi)褶皺、斷裂構造作用使得巖體裂隙發(fā)育程度比較好，伴隨陷落柱的導通作用，為深部開采過程中的厚板遞進導升突水創(chuàng)造了良好的通道，加大了突水的危險性。

(2) 采用煤層的抗拉強度及巖層移動角及煤層間距等參數(shù)，用導水斷層防水煤柱寬度計算公式計算防水煤柱寬度；綜合考慮，最后確定的斷層防水煤柱寬度：7煤上盤為32 m、下盤為31 m，8煤上盤為37 m、下盤為36 m，9煤上盤為44 m、下盤為42 m，11煤上盤為48 m、下盤為46 m，12煤上盤為51 m、下盤為49 m。

(3) 通過斷層防水煤柱數(shù)值模擬，分析圍巖應力場可以得出：與圍巖破壞區(qū)相對應，以留設煤柱為中心，應力場分為三部分，開采空間卸壓區(qū)、完整煤柱高應力區(qū)和斷層附近低應力區(qū)。斷層下盤煤層開采時，頂板圍巖破壞區(qū)對煤柱影響比底板圍巖破壞區(qū)對其影響大，煤層間有相互干擾；斷層上盤煤層開采時底板破壞區(qū)和應力區(qū)對斷層煤柱影響比頂板對其影響大，上組煤開采對下層煤的煤柱留設有影響。斷層傾角與煤層傾角對煤柱留設影響大。

[1] 鐘亞平，李建民．開灤礦區(qū)煤礦綜合防治水技術理論與實踐[J].煤炭科學技術，2006，34(1)12-15.

[2] 師維剛，張嘉凡，張慧梅，等.防水隔離煤柱結構分區(qū)及合理寬度確定[J].巖石力學與工程學報,2017，36(5):1227-1237.

[3] 王冰，孫將，高源.防水煤柱合理寬度留設原則及其應用[J].煤炭與化工，2017，40(3)：108-110.

[4] 徐斌，董書寧，徐艷玲．急傾斜煤層防水煤柱合理尺寸的理論分析[J]．礦業(yè)科學學報，2017，2(4):307-315．

[5] 李洪恩，邢中四.范各莊礦奧灰水防治對策[J].中國煤炭，2016(10):107-109.

[6] 陳華平.深部斷層構造帶回采巷道變形破壞機理及控制技術[J].煤炭技術，2016，35(4):,46-49.

[7] 李小明，周起謀.岱莊煤礦43_下20工作面提高開采上限的數(shù)值模擬研究[J].煤炭技術，2015(4):58-60.

[8] 崔芳鵬，武 強，胡瑞林，等.斷層防水煤(巖)柱安全寬度的計算與評價[J].遼寧工程技術大學學報(自然科學版)，2009,28(4):517-520.

ResearchandApplicationofWaterproofCoalPillarinDeepFaultinLinxiMineofKailuan

LI Hong-en

(HebeiEnergyCollegeofVocationandTechnology,Tangshan, 063004,China)

To solve the problem of deep fault waterproof pillar design problem in Linxi Mine of Kailuan, by analyzing the deep mining water bursting mechanism and theory, the fault exploration engineering, hydraulic fracturing testing tensile strength, the setting of waterproof coal pillar in fault and numerical simulation are used to determine the width of waterproof coal pillar in fault of No.7, No.8, No.9, No.11 and No.12 coal seam. Simulation results show that the influence of the failure zone and the stress zone of the floor on the fault pillars is greater than that of the roof, the upper coal seam's mining will affect the set of the coal pillar in the lower coal seam, when the upper coal seam in fault is mined.

deep fault structure; waterproof coal pillar; tensile strength; numerical simulation

2017-07-21

河北省高等學?？茖W技術研究項目資助(202015212)

李洪恩(1965-)，男，河北唐山人，河北能源職業(yè)技術學院碩士,高級工程師，主要從事礦井地質與水害防治教學與科研工作。E-mail:lihongents@163.com

TD824.6

A

1672-7169(2017)04-0034-05