東灘煤礦滋陽(yáng)斷層保護(hù)煤（巖）柱設(shè)計(jì)可行性研究

劉峰建

（兗州煤業(yè)股份有限公司東灘煤礦，山東 鄒城 273500）

0 引言

根據(jù)東灘煤礦三采區(qū)開(kāi)采設(shè)計(jì)，三采區(qū)行人巷、運(yùn)輸巷、軌道巷沿東部采區(qū)邊界南北向布置，北部直至滋陽(yáng)斷層保護(hù)煤柱線(xiàn)。滋陽(yáng)斷層為礦井北部?jī)A向北東的邊界附近正斷層，對(duì)盤(pán)為星村煤礦，東灘煤礦位于下盤(pán)位置，滋陽(yáng)斷層為區(qū)域性正斷層，斷層走向北西，傾向北東，傾角約70°。西北段斷層落差大于350 m，東南端斷層落差減小到80 m，至宣村斷層終止。東灘煤礦在三采區(qū)行人巷掘進(jìn)距物探滋陽(yáng)斷層面115 m時(shí)，迎頭提前揭露滋陽(yáng)斷層帶，經(jīng)鉆孔探查斷層實(shí)際平面位置較物探解釋位置向井田內(nèi)發(fā)生擺動(dòng)。為保證今后礦井生產(chǎn)安全，需對(duì)滋陽(yáng)斷層煤（巖）柱留設(shè)進(jìn)行計(jì)算并進(jìn)行可行性研究。

1 斷層概況

滋陽(yáng)斷層為區(qū)域性正斷層，位于東灘井田北部邊界。斷層走向北西，傾向北東，傾角約70°。西北段斷層落差大于350 m，東南端斷層落差減小到80 m，至宣村斷層終止。根據(jù)《東灘煤礦三采區(qū)（北區(qū)）三維地震勘探報(bào)告》（江蘇省煤田地質(zhì)物探測(cè)量隊(duì)，2002），井田內(nèi)滋陽(yáng)斷層延展長(zhǎng)度3 873 m，地震勘探評(píng)級(jí)斷點(diǎn)106個(gè)，其中A級(jí)斷點(diǎn)77個(gè)，B級(jí)27個(gè)，C級(jí)2個(gè)，17-3號(hào)鉆孔穿過(guò)；17-2號(hào)鉆孔控制；三采行人巷實(shí)際揭露該斷層落差大于350 m，斷層面向南擺動(dòng)74 m，通過(guò)鉆探驗(yàn)證，屬查明斷層。三采行人巷對(duì)接相鄰星村井田上侏羅統(tǒng)含水層。根據(jù)地質(zhì)資料，上侏羅統(tǒng)砂礫巖孔隙、裂隙承壓含水層厚度393.27～735.20 m，平均500.56 m，采區(qū)內(nèi)東厚西薄。

2 斷層探查情況

2019年，中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司對(duì)東灘煤礦滋陽(yáng)斷層進(jìn)行了直流電法超前探測(cè)和瞬變電磁法超前物探工程，主要任務(wù)是探測(cè)三采行人巷、軌道巷前方區(qū)域滋陽(yáng)斷層的富水異常區(qū)。共圈定了3個(gè)%相對(duì)低阻異常區(qū)（見(jiàn)圖1），①號(hào)異常位于軌道巷迎頭前20～60 m，該異常不在滋陽(yáng)斷層附近，異常范圍較大，異常幅值較強(qiáng)；②號(hào)異常位于行人巷迎頭右前100～110 m，該異常在滋陽(yáng)斷層內(nèi)，異常范圍較小，異常幅值較弱；③號(hào)異常位于行人巷迎頭后側(cè)幫前70～100 m，該異常在滋陽(yáng)斷層內(nèi)，異常范圍較小，異常幅值較弱。

圖1 超前物探探測(cè)結(jié)果分析圖

綜合分析次次綜合物探成果，3處異常范圍較小，上下聯(lián)通較差，異常范圍相互獨(dú)立，①號(hào)異常位于軌道巷前方，主要發(fā)育在待掘巷道頂板附近，異常幅值相對(duì)較強(qiáng)，但該異常不在滋陽(yáng)斷層內(nèi)，推測(cè)是頂板砂巖局部弱富水引起，富水性較弱；②、③號(hào)異常位于滋陽(yáng)斷層內(nèi)，異常幅值弱，結(jié)合直流電法超前成果在滋陽(yáng)斷層內(nèi)的部分視電阻率相對(duì)較高，對(duì)比瞬變電磁法視電阻率值，綜合推測(cè)這2處異常是由于巖層內(nèi)部裂隙局部發(fā)育導(dǎo)致，富水性較弱。

三采區(qū)行人巷揭露及鉆孔探查證實(shí)，滋陽(yáng)斷層揭露處斷層帶寬約8.5 m，孔內(nèi)干燥無(wú)水，不存在含水、導(dǎo)水現(xiàn)象。

3 三采行人巷滋陽(yáng)斷層煤柱留設(shè)計(jì)算

根據(jù)東灘煤礦三采行人巷揭露、鉆孔探查，地面鉆孔揭露斷層時(shí)沖洗液消耗量資料分析，三采行人巷揭露滋陽(yáng)斷層點(diǎn)不含水、不導(dǎo)水，為確保安全，本次對(duì)滋陽(yáng)斷層按導(dǎo)水?dāng)鄬雍筒粚?dǎo)水?dāng)鄬臃謩e進(jìn)行斷層煤（巖）柱留設(shè)計(jì)算。

3.1 掘進(jìn)工作面安全隔水層厚度計(jì)算公式計(jì)算斷層煤柱

根據(jù)東灘煤礦采掘工程接續(xù)布置，三采行人巷附近均為三采區(qū)巷道煤柱，三采行人巷掘進(jìn)至滋陽(yáng)斷層煤柱內(nèi)，設(shè)計(jì)3309工作面停采線(xiàn)位于三采軌道巷西60 m，今后三采行人巷兩側(cè)130 m范圍內(nèi)無(wú)采煤工作面布置（見(jiàn)圖2）。因此，本次三采行人巷斷層煤柱留設(shè)按照《煤礦防治水細(xì)則》（2018）中掘進(jìn)工作面安全隔水層厚度計(jì)算公式，以及含水或者導(dǎo)水?dāng)鄬臃栏羲海◣r）柱的留設(shè)分別進(jìn)行計(jì)算。

圖2 三采行人巷附近工作面接續(xù)及煤柱留設(shè)示意圖

圖2 按照含水或者導(dǎo)水?dāng)鄬臃栏羲海◣r）柱的留設(shè)計(jì)算示意圖

掘進(jìn)工作面安全隔水層厚度按以下公式計(jì)算：

式中：t為安全隔水層厚度，m；L為巷道底板寬度，m，考慮到斷層水對(duì)掘進(jìn)工作面的側(cè)向壓力，寬度應(yīng)為巷道的高度值，三采行人巷高度為3.6 m；r為底板隔水層的平均重度，MN/m3，結(jié)合巷道的高度選取，隔水層平均重度取3煤層容重，1.32 MN/m3；Kp為底板隔水層的平均抗拉強(qiáng)度，MPa，煤的平均抗拉強(qiáng)度為1 MPa；p為底板隔水層承受的實(shí)際水頭值，MPa。本次計(jì)算利用東灘井田紅層水位觀測(cè)資料。本井田共有紅層水位觀測(cè)孔9個(gè)，2020年底紅層水位標(biāo)高為-375.36～+3.13 m（見(jiàn)表1）。為安全考慮，本次計(jì)算紅層取井田最高水位+3.13 m。三采行人巷垂向滋陽(yáng)斷層煤層標(biāo)高約為-576 m，那么阻水煤層所承受的側(cè)向壓力水頭值約為5.8 MPa。

表1 東灘煤礦侏羅系紅層水位觀測(cè)表

2）掘進(jìn)工作面安全隔水層厚度

3.2 按照含水或者導(dǎo)水?dāng)鄬臃栏羲海◣r）柱的留設(shè)計(jì)算公式計(jì)算斷層煤柱

根據(jù)《煤礦防治水細(xì)則》（2018），含水或者導(dǎo)水?dāng)鄬臃栏羲海◣r）柱的留設(shè)可按下式計(jì)算：

式中：L為煤柱留設(shè)的寬度，m。≥20 m；K為安全系數(shù)，一般取2～5，考慮到三采行人巷寬度4.5 m，高度3.6 m，影響范圍較小，本次安全系數(shù)取3；M為煤層厚度或者采高，m，取附近鉆孔揭露3煤層厚度為7.51 m；p為實(shí)際水頭值，MPa，本次同前取5.8 MPa；Kp為煤的抗拉強(qiáng)度，MPa，本次取1.02 MPa。得出：L=0.5×3×7.51×（3×5.8/1.02）^0.5=46.5 m。

3.3 非采動(dòng)情況下（巷道）斷層煤柱寬度

斷層不含水、不導(dǎo)水，原則上只考慮巷道巖層松動(dòng)圈（5～7 m）對(duì)斷層的影響。為安全起見(jiàn)，按照《煤礦防治水細(xì)則》（2018）安全煤（巖）柱寬度不得小于20 m的要求，斷層煤柱取值20 m。

3.4 三采行人巷附近滋陽(yáng)斷層煤柱留設(shè)

根據(jù)以上分析計(jì)算，獲得斷層在斷層導(dǎo)水、斷層不導(dǎo)水2種條件下斷層煤柱寬度計(jì)算值（見(jiàn)表2）。

表2 三采行人巷滋陽(yáng)斷層煤柱計(jì)算匯總表

綜合上述分析計(jì)算，為安全考慮，三采行人巷附近巷道滋陽(yáng)斷層煤柱取計(jì)算值的大值，即46.5 m，作為三采行人巷附近斷層煤柱寬度值。在大巷兩側(cè)保護(hù)煤柱（寬度40 m）至斷層防水煤柱交點(diǎn)設(shè)定A、B點(diǎn)，兩點(diǎn)之間斷層防水煤柱按計(jì)算的數(shù)值46.5 m留設(shè)，A B點(diǎn)以外維持100 m不變（見(jiàn)圖1）。

因三采區(qū)行人巷與滋陽(yáng)斷層斷面呈斜交狀（α角度約48°），煤柱寬度為47.0 m為垂直寬度，那么求得三采區(qū)行人巷需要填充的寬度應(yīng)為（見(jiàn)圖1）：

L'=L/sin(α)=46.5 m/sin48°=62.6 m

對(duì)照采掘工程平面圖中巷道的具體位置，行人巷進(jìn)入斷層煤柱內(nèi)62.6 m范圍，需進(jìn)行填充處理。

4 巷道充填

充填注漿選用采購(gòu)及制漿方便的水泥-水玻璃漿液，水泥漿水灰比1∶1或0.8∶1，水泥漿與水玻璃體積比10∶1。巷道內(nèi)充填矸石及碎石后，空隙率初步按35%計(jì)算所需的漿液用量，但具體用量以墻體套管出漿為準(zhǔn)。整體注漿充填加固處理后，巷道內(nèi)碎石+漿液形成類(lèi)似混凝土的結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度類(lèi)似巖石。

充填步驟如下：

步驟1：巷道內(nèi)62.6 m充填段先預(yù)埋2根鋼管，鋼管沿著巷道底板鋪設(shè)，鋼管直徑不小于65 mm為宜，其中1根長(zhǎng)度不小于62.5 m，鋼管出口端至巷道底端；另1根長(zhǎng)度不小于32 m，出口端至巷道中間位置；2根管路主要用于后期的充填注漿加固。

步驟2：巷道內(nèi)堆積充填矸石、碎石，盡可能密實(shí)推積，堆積的長(zhǎng)度為巷道全充填處理段。

步驟3：在充填巷道口施工密閉墻，密閉墻采用掛網(wǎng)噴射混凝土，厚度不小于1.5 m。密閉墻施工時(shí)鋼管從墻體引出。另外密閉墻的上部埋設(shè)2～3根直徑不小108 m的套管，主要用于注漿充填時(shí)的放氣及檢驗(yàn)。

步驟4：利用2根預(yù)埋的鋼管進(jìn)行注漿，充填加固內(nèi)部推積矸石的空隙，對(duì)矸石起到膠結(jié)作用，提高其整體強(qiáng)度。先注出口端在巷道底端的長(zhǎng)鋼管，注漿時(shí)密閉墻上套管處于敞開(kāi)狀態(tài)。待達(dá)到預(yù)設(shè)注漿的50%時(shí)，換用出口端至巷道中間的短鋼管進(jìn)行注漿，當(dāng)發(fā)現(xiàn)密閉墻上的套管有出漿現(xiàn)象時(shí)，則說(shuō)明墻后巷道已充填密實(shí)。則關(guān)閉墻上的套管閥門(mén)，巷道充填處理工作結(jié)束。

5 結(jié)論及建議

5.1 結(jié)論

1）滋陽(yáng)斷層發(fā)育特征。滋陽(yáng)斷層為區(qū)域性正斷層，為東灘井田北部邊界斷層。斷層走向北西，傾向北東，傾角約70°，落差80～大于350 m，井田內(nèi)延展長(zhǎng)度3 873 m，三采區(qū)行人巷實(shí)際揭露該斷層落差大于350 m，勘探報(bào)告等評(píng)價(jià)認(rèn)為屬查明斷層。

2）滋陽(yáng)斷層導(dǎo)水性。以往報(bào)告分析認(rèn)為滋陽(yáng)斷層屬于弱透水?dāng)鄬樱碧姐@孔穿過(guò)斷層時(shí)沖洗液消耗量無(wú)異常變化，本礦及興隆莊煤礦巷道揭露點(diǎn)證實(shí)其不含水、不導(dǎo)水。2014年9月20日，三采區(qū)行人巷掘進(jìn)迎頭揭露滋陽(yáng)斷層，斷層破碎帶干燥無(wú)水，沒(méi)有含水和導(dǎo)水現(xiàn)象；迎頭施工鉆孔5個(gè)，其中探放水孔1個(gè)，鉆孔揭露對(duì)盤(pán)侏羅系紅層不含水，則說(shuō)明三采區(qū)行人巷斷層揭露點(diǎn)不含水也不導(dǎo)水。2019年物探探查結(jié)果顯示，三采行人巷、軌道巷前方區(qū)域滋陽(yáng)斷層的富水性較弱。

3）按照斷層導(dǎo)水條件下，按照掘進(jìn)工作面安全隔水層厚度計(jì)算公式和含水或者導(dǎo)水?dāng)鄬臃栏羲海◣r）柱的留設(shè)計(jì)算公式分別進(jìn)行了斷層煤柱據(jù)算。斷層煤柱留設(shè)寬度分別不小于6.3 m和46.5 m，確定斷層導(dǎo)水條件下煤柱留設(shè)寬度不小于46.5 m。斷層不導(dǎo)水條件下非采動(dòng)情況煤柱留設(shè)寬度分別不小于20 m。

4）三采行人巷附近巷道滋陽(yáng)斷層煤柱取斷層導(dǎo)水與不導(dǎo)水條件下2個(gè)計(jì)算值的大值，即46.5 m，作為斷層煤柱留設(shè)寬度值。對(duì)照采掘工程平面圖中巷道的具體位置，三采區(qū)行人巷進(jìn)入斷層煤柱內(nèi)62.6 m范圍，需要進(jìn)行充填處理。

5.2 建議

1）三采區(qū)行人巷等目前位置已進(jìn)入滋陽(yáng)斷層煤柱內(nèi)，應(yīng)按重新核實(shí)的斷層煤柱尺寸，填實(shí)、注漿封堵進(jìn)入煤柱內(nèi)的巷道。

2）采用三維地震勘探手段，進(jìn)一步查明滋陽(yáng)斷層位置、產(chǎn)狀，為采掘工程布置提供可靠的基礎(chǔ)技術(shù)資料。

3）以往報(bào)告評(píng)述滋陽(yáng)斷層屬于弱導(dǎo)水?dāng)鄬樱删蚬こ探咏剃?yáng)斷層，應(yīng)采用物探鉆探手段加強(qiáng)對(duì)斷層的探查，進(jìn)一步核實(shí)斷層位置及其含、導(dǎo)水性。

4）建立健全近滋陽(yáng)斷層采掘工作面排水系統(tǒng)，并加強(qiáng)維護(hù)管理，確保系統(tǒng)正常運(yùn)行，及時(shí)排放工作面涌水。