首陽煤業15202工作面斷層破碎帶底板突水危險性評價分析

薛江峰

（山西省煤炭工業廳煤炭資源地質局，山西 太原030045）

1 概 況

山西煤炭運銷集團首陽煤業有限公司位于山西省高平市神農鎮東沙院村，年產90萬t，屬沁水煤田。15202工作面井下工作面位于二采區東部，東部為尚未布置的15203工作面，西鄰為尚未布置的15201工作面，南與二采區輔助運輸巷相接，北至井田可采邊界，邊界附近被小窯破壞。工作面開采15號煤層，煤層厚度為4.2～4.6 m，平均厚度為4.4 m，平均傾角8°，頂板巖層為泥巖和灰巖，底板巖層為泥巖和細砂巖。根據礦井地質資料可知，工作面煤層底板等高線高度為824.62～854 m，奧灰水等水位線最高值為865 m，工作面屬于帶壓開采。奧灰水含水層單位涌水量為0.002 2～0.005 6 L/s·m，滲透系數0.006 3～0.043 7 m/d，工作面回采過程中揭露F20斷層，斷層傾角為70°，落差為5 m。為防止工作面推進通過斷層期間底板出現突水現象，進行斷層破碎帶區域底板突水危險性的評價分析。

2 斷層破碎帶底板突水機理

根據首陽煤業15202工作面具體情況，采用FLAC3D數值模擬軟件建立數值模型，模型長×寬×高=400 m×200 m×200 m，模型中設置工作面的傾斜長度為100 m，模型側邊作固定處理，頂部施加等效均布載荷12.6 MPa，模型底部固定位移，并在模型三灰層中施加水壓力，設置水壓力為4.2 MPa，具體建立數值模型如圖1所示。

圖1 數值模型Fig.1 Numerical model

在工作面回采距斷層90、60、30、0 m時分別進行圍巖垂直應力和孔隙水壓力的分析。

（1）圍巖垂直應力。工作面在距斷層破碎帶不同距離下，圍巖垂直應力分布如圖2所示。

圖2 工作面距斷層不同距離時垂直應力分布云圖Fig.2 Cloud map of vertical stress distribution at different distances between working face and fault

分析圖2可知，隨著工作面回采作業的進行，工作面與斷層破碎帶的距離逐漸減小，根據斷層破碎帶特征可知，斷層破碎帶內的巖性較弱，在采動影響下易出現塑性破壞，工作面回采距斷層不同距離時斷層破碎帶的最大垂直應力分別為17.5、19.81、20.90、21.32 MPa。根據數值模擬，煤層底板的剪應力集中區域主要位于工作面的前方，剪應力集中的范圍包括工作面前方30 m的范圍內，在該區域內煤層垂直應力與剪應力為集中重合區域，當工作面回采推進距斷層30 m時，此時剪應力集中區域已波及20 m以下的斷層破碎帶，此時采動影響下斷層活化突水的風險會大幅增大。

（2）孔隙水壓力分析。工作面回采推進距斷層破碎帶不同距離時，圍巖孔隙水壓力的分布如圖3所示。

分析圖3可知，隨著工作面回采作業的進行，工作面底板的破壞深度會逐漸增大，同時底板承壓水的導升高度也會進一步增大。

圖3 工作面距斷層不同距離時孔隙水壓力分布云圖Fig.3 Cloud map of pore water pressure distribution at different distances between working face and fault

根據地質資料可知，F20斷層的落差為5 m，斷層破碎帶區域底板隔水層的厚度僅為52 m，存在著一定的突水危險性。當工作面回采推進至斷層破碎帶區域時，工作面底板破碎帶的最大深度已與底板的承壓水間相導通，斷層破碎帶區域出現了大范圍的活化破壞現象，發生活化突水。

3 突水危險性評價分析

3.1 底板破碎深度現場實測

采用漏失量法進行工作面底板破碎深度的現場監測分析，觀測巷道與運輸順槽之間平行布置，觀測硐室與運輸順槽之間留設8 m的保護煤柱，觀測硐室布置于距離斷層破碎帶15 m位置處，在工作面觀測硐室底板布置4個觀測孔，具體觀測孔的各項參數見表1。

表1 觀測鉆孔參數Table 1 Observed borehole parameters

具體觀測鉆孔的布置如圖4所示。鉆孔分段漏失量變化如圖5所示。

圖4 觀測鉆孔布置剖面Fig.4 Section of observed borehole arrangement

圖5 鉆孔分段漏失量柱狀圖Fig.5 Histogram of subsection loss of borehole

1號采前鉆孔在監測段內基本無明顯漏水現象出現，個別區段存在漏水情況，但該區域的漏失量均小于1.2 L/min，說明此時工作面煤層底板的原生裂隙并不發育；2號采后鉆孔從11 m的深度處漏失量開始不斷增大，且隨著鉆孔深度的增大，漏失量在不斷增大，其中最大漏失量可達到9.1 L/min，最小漏失量也大于2.5 L/min，且在監測結束時間段內鉆孔漏失量無明顯減小的趨勢，說明底板的最大破壞深度大于29.5 m；3號觀測鉆孔在11～47 m區段內的鉆孔漏失量大量增大，表明該段已處于底板破壞范圍內，在底板49 m以后，3號鉆孔的漏失量基本與1號采前孔相似，3號鉆孔底板最大破壞深度為33.23 m；4號觀測鉆孔在29～39 m的范圍內鉆孔漏失量大，最大破壞深度為33.77 m。

綜合上述分析能夠得出，1301工作面斷層破碎帶區域最大破壞深度為33.77 m。

3.2 突水危險性分析

工作面回采作用下斷層面上的剪應力公式和斷層活化的判斷依據如下：

式中：τ為煤層底板斷層的抗剪強度；σz為斷層破碎帶區域Z方向的正應力；σx為斷層破碎帶區域x方向的正應力；τzx為斷層破碎帶區域在ZX方向的剪應力。根據礦井地質資料，計算得出工作面在回采不同距離下斷層面上的剪應力τn的分布曲線，如圖6所示。

圖6 工作面不同推進距離下斷層面剪應力曲線Fig.6 Shear stress curves of fault plane under different advancing distances of working face

斷層破碎帶的最大破壞深度為33.77 m，基本與理論分析和數值模擬結果相近，斷層破碎帶區域承壓水的最大導升高度為19.65 m，斷層破碎帶落差為5 m，承壓水與斷層破碎帶的最大發育深度間的距離僅為1.2 m，因此工作面回采推進F20斷層時突水風險較大。

根據奧陶系含水層的特征可知，含水層中的水量相對較小，底板阻隔層的巖性也相對較好，因此建議在工作面回采推進至距斷層破碎帶30 m前，對斷層破碎帶區域前后30 m的范圍采區疏水降壓和注漿封堵的措施。

4 結 語

根據首陽煤業15202工作面的地質條件及F20斷層的特征，基于數值模擬分析得出了斷層破碎帶底板突水機理，并得出工作面距斷層不同距離時，底板破碎帶的深度，確定了該工作面過F20斷層時突水危險性較大，需在工作面回采至距斷層30 m前，對斷層破碎帶前后30 m區域采取疏水降壓和注漿封堵措施。