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算方法有多種,歸納起來主要有(1)經(jīng)驗類比法[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])中的計算公式進(jìn)行計算;(4)用數(shù)值計算或相似材料模擬試驗確定煤柱的尺寸[9-12]和水化學(xué)識別法[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,在采動影響下原本不富水或不導(dǎo)水?dāng)鄬右灿邪l(fā)生過突水的先例[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,選擇東灘煤礦兩個采區(qū)邊界的北公村1號落差最大位置處進(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,走向整體呈東西向為主,傾向南.北公村1號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,延展長度1 500 m,錯斷層位3,16上,17煤層.三維地震時間剖面控制斷點40個,屬查明斷層[14].該斷層在本論文研究區(qū)內(nèi)有P1-6和補7-3 2個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)必須要穿過的.因此,該斷層防水煤巖柱留設(shè)問題和導(dǎo)含水性對預(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,容易通過斷裂構(gòu)造形成導(dǎo)水通道而造成突水事故.初步統(tǒng)計,七采區(qū)落差大于10 m以上斷層有54條,其中北公村1號斷層就是典型的一個[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、補給集中和調(diào)解儲量大等特點,對研究區(qū)的開采將造成較大威脅.為此,以北公村1號斷層為例,重點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)問題和該斷層的阻滲性問題.

七采區(qū)內(nèi)有補7-5和O2-1兩個奧灰水文長觀孔,兩個鉆孔間距約1 480 m,其中補7-5鉆孔位于補7-3鉆孔的東北部,兩孔間距約580 m;O2-1鉆孔位于補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個奧灰含水層水位長觀孔數(shù)據(jù)變化曲線,整體上奧灰水位波動較大,呈下降-上升-下降的變化過程,但2個觀測孔奧灰水位變化趨勢基本一致.O2-1孔和補7-5孔初測水位標(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個觀測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7-5孔水位在波動中基本保持不變.2個奧灰鉆孔相距約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)還沒有開采,奧灰水位相對比較穩(wěn)定,連通性較好.

圖2 七采區(qū)兩個奧灰長觀孔水位變化曲線

2 典型斷層煤柱留設(shè)分析與計算

圖3 北公村1號斷層防水煤柱留設(shè)計算示意圖

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號斷層,由圖1中連接該斷層下盤P1-6兩和上盤補7-3兩個鉆孔,形成AB線(圖1),根據(jù)2個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號典型斷層上盤,可建立如圖3所示的防水煤柱留設(shè)計算簡圖.由于補7-3鉆孔揭露3煤層時有破碎帶,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個鉆孔統(tǒng)計分析(表1),6個鉆孔揭露主采的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個鉆孔揭露沒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水位觀測數(shù)據(jù)和鉆孔數(shù)據(jù),可計算得出研究區(qū)到2019年3月底為止,奧灰水壓實測值約8.15 MPa,由此可計算出有斷層和沒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,平均值已超過國家規(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.這里對典型的北公村1號斷層進(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號斷層間距為L1,m;防隔水煤柱留設(shè)寬度為L2,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,目前井下還沒有進(jìn)行探測,安全起見先假定為導(dǎo)水正斷層,成為奧灰水補給主采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月底實測值約8.15 MPa減去3煤層底到奧灰距離150 m產(chǎn)生的1.5 MPa);KP為煤的抗拉強度,MPa,取0.8 MPa.

補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性大大增加.

根據(jù)式(1)可計算出順煤層方向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值東灘煤礦缺少實際觀測資料確定,可按式(3)進(jìn)行計算.

(3)

式中:P為奧灰水頭壓力,取實測值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號斷層傾角取60°且導(dǎo)水時,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北公村1號斷層防水煤柱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[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,現(xiàn)場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強度,我們這里現(xiàn)場實測了采動底板5種結(jié)構(gòu)類型條件下單位抗?jié)B強度,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)及其阻滲能力對應(yīng)關(guān)系現(xiàn)場實測資料[16]

由圖3可得,開采煤層底板奧灰含水層水在采動礦壓和水壓力聯(lián)合作用下可能沿北公村1號斷層帶進(jìn)入采空區(qū),根據(jù)補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,這個數(shù)值大于奧灰含水層實際水壓值8.15 MPa,理論上來說在非采動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)奧灰實際水壓值8.15 MPa和斷層帶阻滲性0.12 MPa/m可反算出沿斷層帶的安全最小厚度約68 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)計算的168 m相比,相差32 m.由此可見,規(guī)程中計算明顯偏保守,這對實際煤炭資源回收是不利的.

4 結(jié)論

1)奧灰含水層通過大型斷層作為導(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)為在沒有采動條件下北公村1號斷層和主采3煤層之間沿斷層帶可以阻止底部奧灰水,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.