煤峪口礦斷層防水煤柱留設(shè)研究

（同煤集團(tuán)煤峪口礦地測科，山西 大同 037001）

煤峪口礦410盤區(qū)的81022工作面位于11、12號合并層斷層上覆，底板巖層主要是細(xì)砂巖，煤層厚度7.6～8.4m，平均厚度8.0 m。斷層是一個(gè)大型的正斷層，落差較大、距離較長，斷層破損帶比較緊密，斷層中含有風(fēng)化的裂隙水和層狀的裂隙水，且導(dǎo)水性較弱，而在礦口向斜軸部的導(dǎo)水性會變大，當(dāng)煤層被沖刷后，導(dǎo)致煤層與中、細(xì)砂巖直接接觸，使斷層的隔水性能降低，影響開采的安全性。因此，為了更好地解決斷層突水問題，一般采用留設(shè)煤柱的方法[1]，但如果不能對防水煤柱的寬度進(jìn)行控制，不僅會浪費(fèi)資源，而且會給后期的回采帶來很多危險(xiǎn)，影響生產(chǎn)的持續(xù)。

1 斷層特性及導(dǎo)水性分析

在對410盤區(qū)81022工作面進(jìn)行開采時(shí)，頂板出現(xiàn)了裂隙，有大量的斷層面，會大大增加頂板的破碎程度，累計(jì)斷層約有27條，斷層的落差在0.1～4.0m，其中斷層大于1.0m的約有10條，涉及到的工作面大約有350 m[2]。

在對410盤區(qū)81022工作面的斷層導(dǎo)水性進(jìn)行判斷時(shí)，采用鉆探技術(shù)來驗(yàn)證，根據(jù)鉆孔試驗(yàn)，結(jié)果表明，在斷層帶內(nèi)有一些泥巖，且導(dǎo)水層的導(dǎo)水性能較弱，在鉆孔經(jīng)過斷層后，為大同組偽頂灰、黑色泥巖、粉砂巖，含少量的水，在進(jìn)行鉆孔284 m后，出現(xiàn)少量的水，沿著鉆孔的方向繼續(xù)對斷層進(jìn)行巷探，發(fā)現(xiàn)斷層含有粗粒砂巖和礫巖，粘結(jié)性比較差，且有較高的孔隙度，有一定的滲水性，所以斷層含有弱導(dǎo)水性。通過對開采工作面斷層的鉆探和巷探驗(yàn)證，可知斷層有一定的導(dǎo)水性，且正斷層是帶狀分布，有一定的透水性，容易形成導(dǎo)水通道。因此，認(rèn)為81022工作面有含水且容易導(dǎo)水的斷層，會影響工作面的正常回采工作。

2 防水煤柱留設(shè)計(jì)算

根據(jù)煤礦的采動(dòng)效應(yīng)，如果先進(jìn)行上盤開采，則對斷層的影響較小，對下盤的煤柱留設(shè)影響也就幾乎沒有，上盤的開采煤柱留設(shè)寬度通常是15m，相對穩(wěn)定，因此對下盤的開采煤柱留設(shè)寬度進(jìn)行研究。

由于410盤區(qū)81022工作面的斷層較多，且斷層的導(dǎo)水性較弱。因此，在對防水煤柱留設(shè)寬度進(jìn)行計(jì)算時(shí)，要盡可能使導(dǎo)水層到底板與斷層面交點(diǎn)的距離最小，分別采用簡支梁模型和底板突水模型對防水煤柱留設(shè)寬度進(jìn)行分析。

2.1 簡支梁模型

根據(jù)材料力學(xué)，將煤柱簡化成一彈性簡支梁[3]，其模型見圖1，設(shè)簡支梁的厚度為L，跨度為M，煤柱寬度為L0，不計(jì)簡支梁自身的重力，梁的兩端分別給予不同的約束，在頂端進(jìn)行單向約束，在底部進(jìn)行雙向約束，且梁上有垂直的均勻載荷，也就是靜水壓力P，存在一定的抗拉強(qiáng)度Kp，得到簡支梁的厚度為

為了確保開采的安全，給簡支梁模型添加安全系數(shù)作為防水煤柱留設(shè)寬度，且安全系數(shù)一般取2～5，則斷層煤柱留設(shè)寬度為：

圖1 簡支梁模型

2.2 底板突水模型

采場底板突水模型見圖2[4]，設(shè)煤壁與斷層面之間的距離為a，斷層傾角為α，高峰應(yīng)力線傳播角為θ，α與θ的交點(diǎn)為A，交點(diǎn)A到煤層底部的深度為z，得到

圖2 底板突水模型

沿θ傾向方向，支承壓力從峰值轉(zhuǎn)變?yōu)樵紤?yīng)力，煤層底板也相應(yīng)從壓縮轉(zhuǎn)變?yōu)樵紟r石，底板在受到支承壓力的壓縮后，會出現(xiàn)破損而向下移動(dòng)，使支承壓力從峰值向更深的地方移動(dòng)，與煤壁的距離越來越遠(yuǎn)，高峰應(yīng)力線也隨之向下移動(dòng)，而底板在沒有受支承壓力壓縮時(shí)，底板仍然保存得比較完整，因此在底板高峰應(yīng)力線和巖層之間仍然有隔水能力。沿θ傾向相反的方向，也就是采空區(qū)的方向，支承壓力從峰值轉(zhuǎn)變?yōu)榈蛻?yīng)力，煤層底板也相應(yīng)從壓縮轉(zhuǎn)變?yōu)榕蛎洠捎诿簩拥装灞恢С袎毫浩疲瑢?dǎo)致底板的隔水能力變?nèi)酰瑥亩兂闪藢?dǎo)水通道。

因此，如果底板的破壞深度h大于等于斷層交點(diǎn)到煤層底部的深度z，則會造成底板突水，如果底板的破壞深度h小于斷層交點(diǎn)到煤層底板的深度z，則底板不會突水。因此，采場斷層留設(shè)煤柱的寬度為

由上式可以看出，壓力對底板的破壞深度是隨著巖層傾角、開采深度、和工作面的長度增加而增加，隨堅(jiān)固系數(shù)的增加而減少。

3 應(yīng)用效果分析

81022工作面的煤層傾角在1°～4°左右，走向長730m，斷層累計(jì)27條，斷層破碎帶緊密，回采到284m，出現(xiàn)斷層，且有滲水現(xiàn)象，表明該斷層帶有導(dǎo)水特性，存在斷層突水的可能性。對81022工作面進(jìn)行現(xiàn)場測量，采高1.6m，斷層傾角為70°，采高比為2，高峰應(yīng)力線的傳播角為23°，底板的破壞深度為10m，取安全系數(shù)取最大5，煤層的跨度為7.6m，靜水壓力為0.4MPa，抗拉強(qiáng)度為0.98MPa。

通過計(jì)算在簡支梁模型下，煤柱的留設(shè)寬度為20.02m，留設(shè)寬度遠(yuǎn)大于煤層厚度，這是由于簡支梁模型是理想狀態(tài)下的，且簡支梁模型下，煤柱留設(shè)寬度僅考慮了斷層導(dǎo)水性特性，對斷層本身的特性和底板破壞情況沒有考慮，因此采用底板突水模型，將上述參數(shù)帶入防水煤柱留設(shè)寬度公式中，計(jì)算得出煤柱留設(shè)寬度為13.33 m。

按照此煤柱留設(shè)寬度方案，對81022回采工作面的巷道變形量進(jìn)行監(jiān)測，見圖3，從圖中可以看出，當(dāng)巷道變形量在距離工作面大約50m時(shí)，巷道變形量增加明顯，但相對的變化量很小，整體的變形量較小。

圖3 巷道變形量

對81022工作面的斷層留設(shè)煤柱寬度進(jìn)行驗(yàn)證，將斷層的留設(shè)煤柱寬度設(shè)為13.33m，可以看出，順槽周圍的巖體破壞程度和范圍都較小，且與斷層面的連通區(qū)域也較小。因此煤柱留設(shè)寬度13.33 m是合理的，截止目前，81022工作面已開采完畢，在開采的過程中，煤柱沒有發(fā)生大規(guī)模的破壞，巷道的變形量也較小。

4 結(jié)語

以煤峪口礦410盤區(qū)81022工作面的斷層為研究對象，根據(jù)其地質(zhì)概況，具體分析工作面的斷層結(jié)構(gòu)以及工作面的斷層導(dǎo)水特性，在此基礎(chǔ)上提出采用簡支梁模型和底板突水模型對防水煤柱的留設(shè)寬度進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如下：

1）通過分析81022工作面的斷層結(jié)構(gòu)和導(dǎo)水性，可知工作面的斷層、頂板的裂隙較多，嚴(yán)重影響礦井的正常回采，根據(jù)鉆探和巷探結(jié)果，驗(yàn)證斷層含有弱導(dǎo)水性，且容易形成導(dǎo)水通道，而產(chǎn)生底板突水現(xiàn)象。

2）在底板突水模型中，采場底板受壓力影響，會有一定程度的破壞，破壞后的底板沒有隔水能力。

3）采用簡支梁模型和底板突水模型對防水煤柱留設(shè)寬度進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)81022工作面實(shí)際開采情況，由于簡支梁模型是在一種理想的情況下設(shè)定的。因此，采用底板突水模型，計(jì)算防水煤柱留設(shè)寬度為13.33m，通過實(shí)際試驗(yàn)，可以看出順槽周圍的巖體破壞程度和范圍都比較小，且與斷層面連通的區(qū)域也比較小，因此煤柱留設(shè)寬度13.33 m是合理的。