煤礦斷層防水煤柱預設(shè)的研究

賈禮祥

（西山煤電集團公司屯蘭礦，山西 太原 030206）

0 引言

我國的煤炭開采量和存儲量是世界上較大的國家之一，雖然近年來風電、太陽能、核電等新型清潔能源都有了快速的發(fā)展，但煤炭作為我國主要能源，始終在消耗資源中占第一位[1-2]。在煤礦未開采之前，斷層并不具有導水性；在煤礦的開采過程中，雖然礦井設(shè)有防水煤柱，因未考慮斷層活化的因素，若防水煤柱預留太寬則浪費資源，預設(shè)太窄則不安全。隨著煤層的開采，斷層在采動效應(yīng)的影響下逐漸出現(xiàn)了活化的現(xiàn)象，為生產(chǎn)埋下了安全隱患，偶發(fā)的斷層突水事故仍然造成了巨大的人員傷亡和重大的經(jīng)濟損失，因此對斷層活化機理的研究和計算預設(shè)防水煤柱的寬度具有重要的指導意義[3-5]。

1 研究區(qū)概況

1.1 孔莊礦井概況

孔莊煤礦位于江蘇省和山東省的交匯處，位置交通便利，總面子約為44.14km2，東西長約為12.98km，南北寬約為3.4km，如圖1所示。

圖1 孔莊煤礦位置示意圖

1.2 礦井地質(zhì)條件

1）煤層情況，孔莊煤礦是華北型，屬于石炭二疊系地層，主要由下石盒子組、山西組及太原組等組成。下石盒子組主要以巖石、砂巖等為主，僅存少量煤線；山西組為主要含煤層，煤層平均厚度109.5m，共含煤有 5層，編號為 6#、7#、7下#、8#、8下#，主要開采煤層為7#和8#層，含煤量高，厚度6.69m，在F6-6斷層的下面；太原組主要以泥巖、砂巖和煤層為主。

2）地構(gòu)情況，孔莊井田走向是東北向，并向西北當方傾斜，傾角11°～32°，如圖2所示。由于礦井多期開采，受地構(gòu)的影響，井田發(fā)現(xiàn)大量斷層，但未發(fā)現(xiàn)明顯的褶曲，據(jù)統(tǒng)計，有183條落差為3m～5m的小型斷層，有143條落差大于5m的中、大型斷層，如圖2所示。井田內(nèi)共有2個陷落柱，分別位于I4工作面和7192工作面，使用電流法對7192工作面的陷落柱進行探測，發(fā)現(xiàn)該陷落柱位于四灰以上且充填體弱含水，深部越深含水量越弱，并呈直立狀態(tài)。

圖2 孔莊地構(gòu)簡圖

1.3 礦井水文地質(zhì)條件

由圖2可知，孔莊礦井四周都有中、大型斷層的正在發(fā)育，平均落差大于100m，且礦井導水性很差，于是使得孔莊礦井形成一個獨立的、半封閉的地質(zhì)單元。本文主要以影響F6-6的斷層的K17、K59、20-39、02-1等含水層進行檢驗分析，測量水質(zhì)PH值＜7，呈弱酸性，為 HCO3--SO42--Ca2+-（K++Na+）型，如表 1所示。

表1 水質(zhì)抽驗結(jié)果表

2 F6-6斷層水文地質(zhì)概況

1）斷層地質(zhì)分析，F(xiàn)6-6斷層落差 77～156 m，貫穿整個井田，呈拋物線型，南北兩頭落差大，中間落差小，斷層延伸長度約為3.89km，是孔莊煤礦開采過程中必須要控制的斷層之一。受地質(zhì)結(jié)構(gòu)運動的影響，對F6-6斷層的上、下構(gòu)造巖取樣分析，成分為泥巖、砂質(zhì)泥巖和煤。

圖3 瞬間電磁法結(jié)果圖

2）斷層水性分析，為了判斷斷層的含水性和導水性，使用瞬間電磁法分別以15°、45°和75°測量斷層，發(fā)現(xiàn)斷層較為破碎、電阻率小且富水性好，測量結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，F(xiàn)6-6斷層含水性和導水性較差且基本不含水。

3 F6-6斷層活化機理研究

斷層突水主要有兩種，分別為揭露型的斷層突水和滯后型的斷層突水。揭露型的斷層突水其本身含水量大或富水型好，主要發(fā)生在巷道掘進或回采過程中；而滯后型的斷層突水情況正好相反，含水量低且導水性差，僅為導水通道。根據(jù)上文分析，孔莊F6-6屬于滯后型的斷層，因滯后型斷層活化成因復雜和煤層的采動效應(yīng)的不可預期性，其危害性遠大于揭露型的斷層活化。

3.1 斷層活化模型的創(chuàng)建

1）底板支護，根據(jù)研究資料，煤層的底板應(yīng)力分布分為：煤層前方的應(yīng)力集中區(qū)、采空區(qū)的應(yīng)力降低區(qū)、已采區(qū)域的應(yīng)力回復區(qū)，結(jié)合礦山壓力與巖層控制理論，在煤礦開采的過程中，在采動效應(yīng)的影響下，原巖應(yīng)力會發(fā)生重新分布，如圖4所示。

圖4 底板支護壓力分布

2）斷層活化力學模型，斷層的活化成因復雜且受采動效應(yīng)的影響較大，結(jié)合對F6-6斷層的勘探資料及查閱相關(guān)文獻資料，將煤層頂部巖層等效成彈性體，底部支護的應(yīng)力等效成平面體的載荷，建立斷層的力學模型，如圖5所示。

圖5 斷層活化力學模型

由圖5可知，隨著開采的向前推進，因采動效應(yīng)形成的Ⅱ應(yīng)力集中區(qū)和Ⅲ應(yīng)力降低區(qū)越來越靠近斷層破碎帶，斷層逐漸形成活化的現(xiàn)象。

3）活化的必要條件，為分析斷層受力情況，如圖5所示，將斷層左、右兩邊煤巖層簡化成均勻介質(zhì)的彈性體，在豎直方向上，受Ⅱ應(yīng)力集中區(qū)和Ⅲ應(yīng)力降低區(qū)的最大應(yīng)力，在水平方向上，受最小壓應(yīng)力，如圖6 所示[6]。

圖6 斷層活化受力簡圖

由圖6可知，經(jīng)受力分解，得到斷層受到的剪切應(yīng)力τn為：

式中：σ1為最大主應(yīng)力，MPa；α為斷層傾角，°；σ3為最小主應(yīng)力，MPa；

由摩爾庫倫破壞準則知[7]，依據(jù)煤層的勘探，斷層左、右兩側(cè)煤巖體的抗剪切應(yīng)力τmax為：

式中：C為煤巖層的粘結(jié)系數(shù)；φ為煤巖體的內(nèi)摩擦角，°；

當 τn≥τmax時，斷層開始活化。

4）FLAC3D斷層模型的建立，依據(jù)勘探資料及上文分析，將斷層模型簡化成500m×200m×120m的彈性體單元，如圖7所示。為了簡化模型，在豎直方向上，把巖體的重力等效成大小均勻的分布載荷；在水平方向上，把巖體的水平分力等效成大小均勻的分布載荷。根據(jù)煤層實際開采情況，把模型底部的走向方向、傾向方向與垂直方向的速度和位移設(shè)置成固定約束，模型四周的走向和傾角方向設(shè)置成固定約束，模型頂部為自由約束，建立如圖7所示的FLAC3D模型。

圖7 斷層的FLAC3D模型

3.2 斷層的FLAC3D模型結(jié)果分析

1）參數(shù)賦值，依據(jù)上文對斷層活化的分析和研究，選取主要影響因素斷層傾角、煤層深度、工作面推進距離、斷層帶內(nèi)摩擦角等為研究參數(shù)，查閱相關(guān)勘探資料，各參數(shù)賦值如表2所示。

表2 斷層參數(shù)賦值表

2）結(jié)論分析，以斷層交線為基點，沿斷層傾角方向左、右面各50m煤巖層為斷層活化的研究范圍，利用FLAC3D軟件以不同斷層傾角為變量，做出活化量的位移圖，如圖8所示。

圖8 斷層活化位移曲線圖

由圖8可知，斷層深度越深，由斷層傾角引起的斷層活化位移量的變化量越小，斷層傾角與斷層位移活化量不呈單調(diào)關(guān)系，在斷層深度小于50m時，相對于大傾角的斷層，小傾角的斷層位移活化量變化較大；當斷層大于50m時，因斷層傾角引起的斷層活化量基本一致且逐漸減小。

4 F6-6斷層防水煤柱的預設(shè)

查閱《煤礦防治水規(guī)定》和相關(guān)文獻資料，得到優(yōu)化后的預防煤柱的計算公式[8]。

式中：L0為預設(shè)煤柱的寬度，m；M為煤層開采厚度，m；P 為靜水壓力，MPa；Kp為煤層的抗拉強度，MPa；K為安全系數(shù)，取2-5；

根據(jù)孔莊礦區(qū)的勘探資料，F(xiàn)6-6斷層附近的7#煤層某一年最大水位為+12.4m，7#煤層的煤的抗拉強度為0.98MPa，安全系數(shù)取5，不同勘探線的其余參數(shù)如表3所示。

將以上參數(shù)代入預設(shè)煤柱L0中，分別得到各勘探線的預設(shè)防水煤柱的寬度為 53.07m、59.41、44.52m、49.57m，各預設(shè)防水煤柱寬度＞20m，滿足使用要求。

表3 勘探線的參數(shù)表

5 結(jié)語

本文通過模擬分析斷層FLAC3D模型，分析斷層活化機理，計算出預設(shè)防水煤柱的寬度，不僅保證了煤礦的安全開采，并且解決了之前預設(shè)防水煤柱過寬或過窄的難題，對以后類似斷層煤礦的開采具有關(guān)鍵指導性的意義。

（收稿日期：2019-9-26）

[2]宋衛(wèi)東，趙增山，王浩.斷層破碎帶與采準巷道圍巖作用機理模擬研究[J].金屬礦山，2004（2）:11-13.

[3]高召寧，鄭志偉，潘繼良等.采動與承壓水藕合作用下煤層底板的力學效應(yīng)及破壞機理分析[J].中國安全生產(chǎn)科學技術(shù)，2016,12（3）:10-14.

[4]卜萬奎，茅獻彪.斷層傾角對斷層活化及底板突水的影響研究田.巖石力學與工程學報，2009,28（2）:386-394.

[5]武強，劉金韜，董東林等.煤層底板斷裂突水時間弱化效應(yīng)機理的仿真模擬研究--以開灤趙各莊煤礦為例[J].地質(zhì)學報，2001,75（4）:554-561.