2-208工作面斷層破碎帶底板突水危險性分析

（霍州煤電集團辛置煤礦，山西 霍州 031412）

1 工程概況

山西焦煤霍州煤電集團辛置煤礦2-208綜采工作面位于310水平二采區軌道巷左側，為二采區系統巷道煤柱回收工作面，工作面走向長度175m，傾斜長度579.5m，開采2#煤層，煤層厚度為3.8～4.3m，煤層平均傾角為4°，煤層頂底板巖層特征見表1。

2-208工作面的主要充水水源為2#煤層上覆的各砂巖裂隙水，工作面底板標高+261～+306 m。根據礦井地質報告，顯示井田范圍內太灰水的水位平均標高為+497m，工作面為帶壓開采，帶壓1.91～2.36MPa。2#煤層底板距太灰頂面平均間距為80 m。在工作面范圍內發育F1162斷層，斷層為正斷層，傾角為60°，落差較大，在工作面內延伸約320m，為保證工作面回采的安全，需對斷層破碎帶底板突水危險性進行分析。

表1 2#煤層頂底板巖層特征

2 底板阻滲性評價方法

目前評價底板突水的主要方法為突水系數法。該種方法反應的主要為充水巖層與底板巖層阻水能力之間的關系。針對斷層破碎區域，將破碎帶巖體的阻滲強度作為臨界突水系數的組成要素，故以阻滲強度參數作為斷層區域底板突水系數評價的基本依據。

以煤層與底板充水含水層間隔巖層的阻水抗壓能力，即巖體的抗滲性能Pm作為阻滲能力的評價參數，其表達式為：

式中：P0i為底板第i巖層單位厚度所具備的抗滲強度；hi為第i段巖層的厚度；αi為結構效應的折減系數；Mi為第i分層的厚度；Hi為第i分層覆巖的厚度；Pwi為第i分層的最大導滲水壓力；為第i分層的平均重度；λi為第i分層的側壓力系數。

公式（1）中的λi和Pwi通過實驗室測試或現場原位測試得出，Mi的劃分主要依據底板巖層的結構。現根據華北煤田底板的結構特征，參考巖體結構的劃分標準，將斷層破碎帶底板巖層具體劃分為采動破壞帶和原始狀態不導水的破碎帶。基于裂隙發育程度進行巖層阻滲能力的結構折損系數αi，見表2。

表2 巖層阻滲能力結構效應折減系數αi

根據辛置煤礦2-208工作面F1162斷層破碎帶底板巖層阻滲強度的實測結果，結合表1的取值范圍，工作面底板不同結構類型平均抗滲強度進行確定，具體參數見表3。

表3 底板平均阻滲強度

為有效分析底板隔水巖層的阻滲能力，應首先確定底板有效隔水層的厚度，隨后在基于地質鉆孔統計分析各個分層的厚度，結合表3抗滲強度的取值，最后確定出底板阻滲能力的數值，其評價流程見圖1。

根據上區段工作面太灰水的水頭壓力，大致估計出斷層破碎帶的阻滲強度在0.07～0.103MPa/m，其數值大于斷層帶阻滲評價方法中給出的平均阻滲強度的建議值（建議值為0.07MPa/m）。據此可知，基于該評價方法，F1162斷層破碎帶在2-208工作面回采期間不會出現突水。

圖1 底板巖層阻滲性能評價流程

3 突水危險性實測分析

3.1 回采期間斷層區域監測

在2-208工作面回采期間，為充分防止斷層區域出現突水現象，在F1162斷層區域布置水壓測點。進行水壓的持續監測。分別在底板垂直向下11 m和30m的位置設置水壓監測設備。根據監測結果，得出工作面回采過程中斷層破碎帶水壓的變化曲線，見圖2。

圖2 工作面回采過程中斷層面水壓曲線

據圖2可知，在工作面回采過程中，斷層在垂直深度11 m和30m處的兩個監測點的水壓值均在底板采動影響下產生波動，但其整體波動程度較小，幅度均小于0.1MPa。在工作面超前測點35 m到推進過測點35m的范圍內，1#監測孔斷層面底板垂直深度11m處超靜孔隙水壓出現明顯的升高，2#測試孔底板垂直深度30 m孔隙水在該范圍內具體表現為：工作面回采推過測點前，孔隙水表現為整體穩定的狀態，當工作面回采推過測點后，孔隙水壓便消散。

另外在工作面回采期間對斷層面底板垂深15m處的附加應力進行監測，監測數據得出其在回采期間的變形曲線，見圖3。

圖3 工作面回采過程中斷層面底板附加應力變化曲線

圖4 斷層破碎帶阻滲透

據圖3可知，斷層破碎帶內的附加應力值在采動影響下出現較大程度的波動，且斷層破碎帶處出現了明顯的塑性變形，工作面迎頭的超前測點在采動影響下塑性變形荷載在0.2MPa以下。當迎頭推過測點后，此時底板巖層處于卸壓狀態，巖層會逐漸膨脹，使得塑性變形應力逐漸升高，最大達到1.1MPa。可知回采動壓對斷層區域的影響是較為劇烈的，根據上區段工作面底板采動變形實測可知，正常區域煤層底板的破壞深度小于10m，結合本次斷層破碎帶垂深15m的應力觀測結果，推測F1162斷層在回采動壓影響下的破壞深度大于15 m。

綜合斷層破碎帶區域探測2#孔附加應力和水壓曲線可知，在工作面超前測點35 m到推進過測點35m的范圍內，測點的采動礦壓逐漸增大。在工作面推進過測點后，其礦壓顯現現象較為劇烈，但此時其對應的超靜孔隙水壓力卻消散，這在一定程度上反映出，在斷層區域該深度的采動活化較弱。

3.2 斷層破碎帶阻滲特性評價

（1）底板帶壓開采條件

采用突水系數的形式對工作面底板的水害程度進行評價。突水系數計算公式如下：

式中：Ts為突水系數；M為底板隔水層的厚度；P為底板隔水層承受的水頭壓力。2#煤層底板距下覆太灰頂面平均間距為80m，太灰水的水壓平均為1.91～2.36MPa，代入式（2），計算出突水系數為0.024～0.030MPa/m，小于0.06MPa/m。根據《煤礦防治水細則》，工作面屬安全開采區。

（2）斷層破碎帶阻滲評價

根據2-208工作面2#煤層與下伏太灰水含水層間的平均距離，并據埋設的最下部探頭垂直為30m的位置，可大致確定出22#探頭沿著F1162斷層面與太灰水的平均間距約在43m，見圖4。

基于2-208工作面回采過程中垂直深度30 m位置水壓探頭的監測數據可知，采動影響下該處水壓值的變化幅度相對較小，表明下覆太灰水的補給并未達到該處，由此可確定F1162斷層與太灰水之間并未發生聯系，斷層具有較強的阻滲性能，回采動壓擾動下并未出現活化現象。

4 結語

根據2-208工作面帶壓開采的具體情況，結合F1162斷層特征，基于建立底板隔水層阻滲評價方法，具體計算底板阻滲強度，并在工作面回采期間分析斷層區域水壓及附加應力，確定出工作面采動影響下F1162斷層并未連通底板太灰水含水層，即斷層破碎帶回采期間不會活化導水。