坪上煤業2302工作面斷層對防治水工作的影響研究

張慕宇

(晉城市沁水縣端氏鎮曲堤村坪上煤業有限公司，山西 晉城 048203)

1 工程概況

山西晉煤集團坪上煤業有限公司位于沁水縣端氏鎮坪上村，西距沁水縣城約40 km。井田位于沁水盆地之南緣，太行山南端西側，地貌劃分屬為侵蝕山地，以低山丘陵為主，溝谷發育，地形高低起伏不平，較為復雜。坪上煤業于2012年12月開始試生產，2013年6月正式投入生產。目前開采的3號煤層，采用單水平分東、西兩個盤區開采，走向長臂采煤法，全部垮落法管理頂板，分層開采，上分層采高一般2.65 m。瓦斯等級為煤與瓦斯突出礦井，水文地質類型中等。

本井田位于沁水復式向斜軸部南端、晉-獲褶斷帶西部，受區域構造影響，井田內構造總體為一傾向北西西的單斜，地層傾角3°～7°，根據地表基巖露頭和鉆孔的控制資料，井田內還發育有北東向的幾組次一級寬緩褶曲，在井田西北部邊界處發育一大型斷裂構造——寺頭正斷層(見圖1)。該斷層井田內有ZK4-1鉆孔揭露和控制，破碎帶寬度2.5 m，破碎帶厚度37.47 m，落差200 m；在井田西側潘莊二號井田有兩個鉆孔控制，破碎帶厚度10 m～30 m，斷距190 m；該斷層為區域性大斷裂，延伸較遠，規模較大。該井田主要構造特征總結為表1所示。

坪上煤業受奧灰突水的影響，井田范圍內所開采的3、9、15號煤層均屬帶壓開采。目前礦井開采

圖1 坪山煤業寺頭正斷層

表1 井田斷層統計表

3號煤層，屬帶壓開采相對安全區。通常情況下發生底板奧陶系巖溶水突水的可能性較小，但在斷裂構造附近存在發生突水的可能，采掘工程受底板奧陶系巖溶水影響相對較小，一般不危害礦井安全，其防范重點是井田西北邊界處的寺頭斷層及其他隱伏斷裂構造導水。

2 2302工作面回采數值模擬

根據過往經驗及現場實踐認為，由于斷層、裂隙和褶皺均是誘發礦壓增大、瓦斯涌出異常、頂板穩定性破壞的關鍵因素，因此，通常將這三者認為是構成礦井隱蔽致災的地質因素，對礦井安全有較大影響[1-3]。本文依據礦井實際生產布局及開拓、掘進和回采計劃，為保障坪上煤業2302工作面的采掘安全和留設防隔水煤柱需要，將使用巖土工程三維分析工具FLAC3D 3.0對2302工作面進行仿真建模分析，模型如圖2所示。

圖2 2302工作面含75°斷層回采數值模型

此次仿真建模的2302工作面共包含有11個煤(巖、水)層，主要針對工作面內的斷層，結構建造方案設計如下：回采間隔設置為30 m，即，首采長度30 m，第二次與第三次回采距離分別為60 m和90 m。邊界條件設置方面：根據表2所示，工作面寺頭正斷層為區域性大斷裂，延伸較遠，取其平均值為75°，上覆巖層容重取pg=26 000 N/m3進行分析模擬。為便于計算，建模尺寸(長、寬、高)分別設置為：L=500 m，B=300 m，H=100 m，整個模型共由108 516個網格節點組成，劃分為110 086個網絡單元。另外，將四周邊界條件與模型中心位置同時施加最大水平主應力為-30 MPa，自重應力為10 MPa，上部主應力施加為-15 MPa。

如圖3所示，隨著2302工作面與斷層之間距離的縮進，工作面與斷層之間應力的集中化程度也隨礦井正常的回采而逐步提高，峰值將接近30 MPa。圖3a)為首采至30 m時的模擬情況，與斷層間的距離為75 m，此時應力主要集中在2302工作面前部方向和斷層上部區域；當圖3b)回采繼續進行至60 m時，與斷層相距為45 m，斷層四周的應力分布較圖3a)更加集中，工作面前方與采空區應力也隨之趨于上升；當工作面回采至90 m時，此時僅與斷層相距15 m的距離，如圖3c)所示，應力集中程度再一次升高，并且遠超于圖3a、b)的數據。從數值計算結果可以看出，斷層左側水平應力峰值接近30 MPa。分析認為，隨著工作面的回采，回采面與斷層的距離逐漸變小，工作面以及斷層四周應力集中程度越高，其中最大值達到了30 MPa，這是因為斷層的存在導致了工作面回采期間應力梯度的加大，另外，斷層也隔絕了工作面前方的應力范圍，使之都積聚在工作面與斷層周圍，當其超出了煤體的承載能力時，就會產生煤體以及巖體的裂隙，形成導水通道。

圖3 回采期間工作面最大主應力云圖

如第81頁圖4所示，2302工作面在回采時，塑性區的破壞程度隨著回采進行而趨于嚴重。1) 圖4a)為當工作面首采30 m時，底板塑性區受破壞程度最小，在3 m以內；2) 圖4b)為工作面回采至第二位置60 m時，斷層活化性得到小幅提高，底板塑性范圍介于8 m～10 m，同時，回采面的采動導致斷層出現裂隙；3) 圖4c)為當回采至第三位置90 m時，底板塑性區破化程度顯著增大，破壞范圍達到13 m以上，同時，一條位于底板采空區的裂隙在距離斷層僅15 m處基本形成，由于已經位于斷層活化帶范圍，極有可能與其連通，最終形成導水裂隙。另外，在回采過程中不可避免地發生斷層破碎帶受到含水層中承壓水對其沖刷、腐蝕、侵蝕的作用，從而加劇了對斷層的破壞范圍和破壞程度的影響。

圖4 底板塑性破壞程度分布圖

2.1 3號煤層鉆孔突水系數[3]

根據《坪上煤業水文地質報告》可知，本區奧陶系中統巖溶水水位標高542 m～570 m，井田內各可采煤層底板標高均低于巖溶水水位標高，屬帶壓開采礦床。根據煤礦水文地質資料帶入公式(1)中，得到如表2的結果。

根據《煤礦防治水規定》有關要求，本次突水系數計算采用公式(1)進行計算。

(1)

式中，T為突水系數，MPa/m；P為底板隔水層承受的水頭壓力，MPa；M為底板隔水層的厚度，m。

表2 3號煤層鉆孔突水系數計算表

本井田3號煤層最大突水系數為0.040 MPa/m，小于底板受構造破壞塊段臨界突水系數(0.06 MPa/m)，正常情況下，發生突水的可能性小，但在斷裂構造附近存在發生突水的可能。

3 礦井防治水措施

為防范北部邊界寺頭斷層對2302、2304、2306工作面的采掘影響，坪上煤業正在開展《坪上礦寺頭斷層導水性研究》項目，通過在井下2302、2304、2306工作面巷道內進行物探(地震反射法探測、瞬變電磁探測)、鉆探手段，以探明寺頭斷層(F13)及其派生地質構造的準確位置、產狀要素、含導水性情況，并制定防隔水煤柱留設方案及基本參數。

由于煤層頂底板含水層富水性差，斷層、裂隙和褶皺對礦井充水影響不大。但可誘發局部礦壓增大、局部瓦斯富集、煤層頂底板穩定性降低，構成礦井隱蔽致災的地質因素。在采掘過程中，在采用超前物探、鉆探探測措施，準確確定斷層位置、落差的同時，加大煤層瓦斯抽采力度及煤層頂板穩定性的觀測，以確保礦井安全生產。

4 結論

山西晉煤集團坪上煤業有限公司水文地質類型屬中等，由于奧灰突水的影響，目前礦井開采3號煤層屬于帶壓開采，其最大突水系數為0.040 MPa/m。為了保障2302工作面的安全生產，礦方通過FLAC3D對此進行了模擬分析，結果發現，工作面距斷層間距離與應力集中化程度成反比關系，即相距越遠，應力集中化程度越小，但隨著工作面的推進，應力集中程度顯著增大，將導致底板裂隙帶的產生，礦方對此制定了防隔水煤柱留設方案及基本參數等防治水措施，開采過程中并未出現異常突水等情況，從而保證了2302工作面的安全生產。