經坊煤業3#、15#煤層防隔水煤柱設計研究

畢 煥

(山西省長治經坊煤業有限公司， 山西 長治 047100)

1 前言

經坊煤業位于山西省長治縣城西，行政區劃屬于長治縣韓店鎮管轄。井田為一不規則多邊形，東西長8.3km，南北寬7.5km，面積30.742 2km2。

井田受區域構造帶的控制，總體上為一單斜構造，地下水順層徑流，向北東排出井田外。井田內斷裂構造較為發育，斷層附近巖層多有破碎，增加了各含水層之間的水力聯系。東部邊界采區遇到的韓店正斷層，涌水量較大，溝通了上、下含水層直接的聯系。在井田西部邊界附近底板標高低于奧灰水水位標高，存在奧灰水沿斷層破碎帶涌入礦井的可能性。根據物探成果，蘇店斷層及部分其他小斷層或少數陷落柱呈低阻異常帶，說明區域內蘇店斷層及部分其他小斷層或少數陷落柱本身或附近具導水性。井田補1號水文孔對蘇店正斷層破碎帶進行了抽水試驗，鉆孔單位涌水量為0.105 5L/(s·m)，屬中等富水含水層。根據蘇店正斷層破碎帶水質分析，其水質類型為HCO3·SO4- Ca，具有奧灰水特性，說明蘇店正斷層已經導通奧灰水，即蘇店正斷層屬導水斷層。在煤礦開采過程中應密切注意斷層帶、陷落柱的導水性，同時加強隱伏構造的探測工作，做好礦井防治水工作。

該礦為煤系地層隱伏區，第四系覆蓋層較厚，井田東部接近隱伏煤層露頭地段，煤層埋深也在200m以上，井田附近沒有小窯開采，長治縣雄山煤業有限公司第五礦位于本礦西南部，在本礦界附近尚未開采，目前對本礦的采掘工作暫不存在水害威脅，但將來開采布置工作面的過程中，該處存在的黎嶺正斷層將是潛在的導水通道，容易溝通采空區積水，引發透水事故；西南呈煤礦位于本礦西部，為一新建礦井，批準開采3、9、14、15號煤層，現開采3號煤層，井田范圍內有3處采空區，采空區內均無積水，目前對本礦井不會構成威脅。

井田幾乎全部被第四系地層所覆蓋，零星出露二疊系上石盒子組地層。奧陶系巖溶水自西南向東北流過本區，最終在辛安泉排泄，井田內奧灰水位標高648～653m。礦井涌水量最大值為2009年12月的242.8m3/h，最小值為2008年8月的1.66m3/h。經坊礦現階段開采3號煤層，其他煤層尚未開采，采空區積水主要集中分布在一、二、三、四、五、六、七采區。

3號煤層厚3.27～7.95m，平均約6.02m，厚度大，穩定性好，含硫量低，沉積環境可能是三角洲大平原上的淡水泥炭沼澤沉積，3號煤層頂板為灰黑色泥巖及砂質泥巖，以富含植物化石為特點，屬湖泊相沉積。

3號煤層頂板巖性為灰白色中- 細粒砂巖，向上粒度變細，層面上富含白云母及植物葉部化石。

3號煤層頂板砂巖至K8砂巖底，厚36.13m，主要為泥巖、砂質泥巖互層，夾有細粒砂巖及粉砂巖段，可見小型斜層理，含植物碎片化石。

15號煤層，厚約1.02～5.19m，平均3.96m，煤層結構復雜，含0～4層泥巖及炭質泥巖夾矸，含硫量高。據地質資料，本煤層向北分叉為2～3層，呈分煤層出現，本煤層為強還原條件中的泥炭沼澤沉積。

15號煤頂至14號煤層底之間巖性：上部以灰黑色泥巖為主，含植物化石及黃鐵礦結核，中、下部以泥灰巖為主。

2 斷層帶防隔水煤柱寬度的計算與留設

根據目前掌握的資料，礦井內斷層具導水性。隨著采深的增加，在帶壓區開采3#、15#煤時，隨著水壓力的增大以及采空區的擴大，預計斷層、陷落柱導水性的幾率將會增加，因此礦井水患的防治應將重點集中在斷層和陷落柱部位。

2.1 斷裂上升盤防隔水煤柱的留設

(1)在斷裂的上升盤區，防隔水煤柱的寬度不僅要考慮斷層水順煤層方向的壓力，還必須考慮采動裂隙帶與導水斷層之間隔水巖柱的厚度，防隔水煤柱可按圖1a留設，其計算公式為

L=L1+L2+L3=H安cseθ+H裂ctgθ+H裂ctgδ

(1)

式中：L——防隔水煤柱寬度，m，

L1、L2、L3——分段寬度，m；

H裂——最大導水裂隙帶高度，m；

θ——斷層傾角，(°)；

δ——巖層塌陷角，(°)；

H安——導水裂隙帶至含水層間防隔水巖柱的厚度，m。

H安值應根據礦井實際觀測資料來確定，受資料條件所限，本次報告編制采用公式計算為

(2)

式中：P——防隔水煤柱所承受的靜水壓力，MPa；

Ts——突水系數，MPa/m；

10——保護帶厚度，一般取10m。

由前面計算3#、15#煤層導水裂縫帶最大高度分別為117.07m和126.53。塌陷角采用走向移動角δ，巖移觀測資料δ為80°(采用潞安五陽礦7305觀測站數據)。3#、15#煤層斷層上升盤防隔水煤柱留設計見表1、表2。

(2) 承壓水由斷層或斷層側的強含水層直接突破煤層而進入采區，其防治的辦法是緊靠斷層帶沿煤層這一側留設防隔水煤柱，如圖1b所示，其計算公式為

表1 3#煤層上升盤保安煤柱L留設計算表

表2 15#煤層上升盤保安煤柱L留設計算表

(3)

式中：L——煤柱留設的寬度，m；

M——煤層厚度或采高，m；

Kp——煤層抗拉強度，MPa；

P——作用于煤柱的水頭壓力，MPa；

K—— 安全系數，一般取2～5。

煤層厚度參照鄰近鉆孔；由于對斷層的位置、充填情況、兩側有無導水裂隙帶等情況清楚，本次計算安全系數取4。

煤的抗拉強度(Kp)測試成果：太原東山煤礦Kp為0.061MPa，西山白家莊礦為0.187MPa。本礦無這方面的數據，在進行分析對比后本次評價報告選用西山白家莊礦測試資料進行計算，煤柱留設計算結果見表3、表4。

表3 3#煤斷層上升盤防隔水煤柱L計算表

表4 15#煤層斷層上升盤防隔水煤柱L巖計算表

對比兩項計算數據，取較大值作為留設煤(巖)柱值，見表5。

2.2 斷裂下降盤防隔水煤柱的留設

在斷裂的下降盤區，防隔水煤柱的留設主要考慮兩個方向上的壓力，一是煤層底部隔水層能否抗住下部含水層水的壓力；二是斷層水在順煤層方向上的壓力。

表5 斷裂上升盤防隔水煤巖柱留設

當考慮底部壓力時，應使煤層底板到斷層之間的最小距離(垂距)H安大于安全煤柱的高度(L)的計算值，并不得小于20m，具體模型如圖2所示。計算公式為[1]

(4)

式中：α——斷層傾角，(°)。

具體計算結果見表6、表7。根據本區奧灰巖溶水水文地質條件及其富水性， 3#煤計算斷層上盤最小值70m留設， 下盤最小值20m留設；15#煤按計算斷層上盤最小值95m留設，下盤最小值30m留設。

圖2 斷層下降盤防隔水煤柱留設計算模型

表6 3#煤層斷層下降盤防隔水煤柱L的留設計算表

表7 15#煤層斷層下降盤防隔水煤柱L的留設計算表

3 陷落柱防隔水煤(巖)柱的留設

據采掘巷道揭露及三維地震資料，井田內 3#煤層共發現大小不等的陷落柱30個，導水性差。根據本礦開采經驗，陷落柱大多數不含水也不導水，但是也不能忽視陷落柱突水的可能。故陷落柱防隔水煤柱留設建議如下：

(1) 在帶壓開采相對安全區域，陷落柱建議采用井下物探或探水鉆進行探查研究的基礎上，對于隔水性能好的陷落柱，可以不留設煤柱直接回采；對于隔水性能較差有突水危險的陷落柱，在進行注漿加固后進行回采[2]。

位于采區邊界斷層附近的陷落柱，應在查明其含水和導水性的基礎上結合斷層煤柱綜合考慮留設煤柱。

(2) 在帶壓開采突水危險區，應在探查的基礎上，進行注漿加固或留設煤柱后方可開采，不宜直接開采。

4 結論

通過研究得出，3#煤斷層上盤煤柱留設最小值70m， 下盤最小值20m留設；15#煤按計算斷層上盤最小值95m留設，下盤最小值30m留設。對于隔水性能好的陷落柱，可以不留設煤柱直接回采；對于隔水性能較差有突水危險的陷落柱，在進行注漿加固后進行回采。

在帶壓開采突水危險區，應在探查的基礎上，進行注漿加固或留設煤柱后方可開采，不宜直接開采。