大型正斷層下盤厚煤層開采斷層滲透性演變規律與煤柱優化研究

羅鵬 LUO Peng；趙炎 ZHAO Yan；張超 ZHANG Chao

（①棗莊礦業（集團）有限責任公司地質測量部，棗莊 277000；②棗莊礦業（集團）有限責任公司柴里煤礦，棗莊 277519）

1 研究背景及意義

123上02 工作面位于東十二采區北部，東為123上06工作面，西側105m 為尹家洼斷層，南為東十二準備巷道，北為姚橋斷層。受尹家洼斷層影響，斷層上盤侏羅系礫巖含水層與下盤3上煤層對口接觸。侏羅系礫巖含水層富水性較強，據東十二采區回風巷侏羅系礫巖水文探查孔資料，鉆孔涌水量為49.5～98m3/h，水量較大。目前，斷層上盤侏羅系礫巖含水層水位為-134.79m（2013-1 侏羅水位孔），研究區3上煤層位侏羅水壓為1.62～2.65MPa，存在斷層上盤侏羅系礫巖含水層側向補給下盤3 煤頂板砂巖含水層的可能。通過進一步認識側向含水層影響下大型正斷層下盤開采斷層滲透性演變規律以及煤柱尺寸合理優化，從而有效指導東十二采區的防治水工作，解放更多的煤炭資源，防治斷層水害，保障生產的安全順利進行，具有重要的理論和現實意義。

2 尹家洼斷層含（導）水性分析

尹家洼斷層為正斷層，在研究區內其走向近南北，傾向西，傾角70°，落差220～280m，區內延伸1.7km。尹家洼斷層在研究區內發育兩個分支斷層，分別為尹家洼支4 斷層（走向近南北，傾向西，傾角70°，落差0～25m）及ZF12-3斷層（走向北東東，傾向北北西，傾角70°，落差0～20m）。尹家洼斷層受多個地面鉆孔、井下鉆孔及三維地震勘探控制，屬于查明斷層。

2.1 尹家洼斷層含水性探查

尹家洼斷層的含水性對研究區近尹家洼斷層區域3上煤層安全開采具有重要影響。付村煤業有限公司采用井下物探、井下鉆探等多種技術及方法對研究區尹家洼斷層的含水性進行了探查，并有了較為準確的認識。現依據井下物探、井下鉆探資料，對研究區尹家洼斷層含水性進行詳細分析。

2.1.1 三維直流電法與瞬變電磁超前探查

對尹家洼斷層含水性情況進行三維直流電法[1]與瞬變電磁超前探查，為下一步鉆孔探查斷層附近巖層富水性提供依據。

2.1.1.1 三維直流電法探底板解釋

本次井下超前探測數據采集使用的是WJDJ-6 三維高密度電阻率系統，沿巷道兩側對稱布設電極，電極間距10m，采用三極裝置觀測巷道內的電場分布。得到以下結論：

巷道前方底板探查中，推測巷道前方30~90m、深度0m、20～40m 范圍內含水性好，導電性強，呈現低阻異常響應。

巷道前方頂板探查中，推測巷道前方30~90m、深度0m、20~40m 范圍內地層富水性強，導電性好，呈現低阻異常響應。

2.1.1.2 瞬變電磁超前探解釋

利用瞬變電磁法[2]對巷道迎頭分布進行了60°、30°、0°、-30°、-60°等五個角度探測，每個角度采用30°、-150°方位角進行探測，得到以下結論：

可推測在巷道前方30～90m、頂板上方20～70m 地層含水性好，導電性強，呈現低阻異常響應。巷道前方20～80m、底板20～70m 地層含水性好，導電性強，呈現低阻異常響應。巷道正前方30～90m 地層富水性好，導電性強，呈現低阻異常響應。

2.1.2 尹家洼斷層含水性井下鉆探

為查明尹家洼斷層含水性，付村煤業有限公司先后在東十二采區總回風巷導24 點以西5m 正迎頭、123上02 切眼等2 處鉆場共施工8 個井下鉆孔對尹家洼斷層的含水性進行探查，有6 個鉆孔直接揭露尹家洼斷層。探查結論見表1。

表1 尹家洼斷層含水性探測工作匯總表

2.1.3 含水性綜合評價

經過一系列探查工作，對尹家洼斷層含水性有了較為明確的認識。于東十二采區總回風巷導24 點以西5m 正迎施工的5 個鉆孔中發現有一個鉆孔通過斷層帶時發生涌水現象（2#孔，涌水量6m3/h），表明在該鉆孔控制范圍內斷層帶含水。在123上02 工作面切眼處進行的三維直流電法和瞬變電磁法超前探測發現多處低阻異常區，后經鉆探驗證無水，證明123上02 工作面切眼附近尹家洼斷層不含水。綜合認為尹家洼斷層仍存在含水可能，為局部含水斷層。（圖1）

圖1 各鉆孔見斷層深度、出水位置及水量示意圖

2.2 尹家洼斷層導水性評價

由于第四系中部存在一層穩定的隔水層，第四系含水層下段連續性差，且-50～-150 m 區域內斷層導水性[3]一般，因此第四系上組水不會通過斷層對侏羅系含水層、下石盒子組砂巖、3 煤頂板砂巖等含水層產生補給；由于-150～-450m 區域內斷層導水性[4]好，因此，斷層上盤侏羅系含水層會對3上煤層及其頂底板含水層產生側向補給；由于-450～-550m 區域內斷層導水性差，天然狀態下或開采不導致斷層活化條件下奧灰水不會通過斷層與3上煤層產生水力聯系。（圖2）

圖2 研究區尹家洼斷層導水性分區圖

3 尹家洼斷層防隔水煤（巖）柱留設與數值模擬驗證

3.1 尹家洼斷層防隔水煤（巖）柱留設

為確保123上02 工作面的安全生產，依據各計算地點尹家洼斷層兩盤對接關系，采用多種方法對尹家洼斷層煤（巖）柱進行計算：按含水或導水斷層防隔水煤（巖）柱[5]留設時為27.31～31.00m，按煤層與強含水層或者導水斷層接觸時防隔水煤（巖）柱留設寬度為62.47～69.39m。

由于尹家洼斷層影響，位于尹家洼斷層下盤的123上02 工作面與上盤侏羅系礫巖含水層為近對口接觸。因此，按煤層與強含水層或者導水斷層[6]接觸時的煤（巖）柱留設方式更符合123上02 工作面的實際水文地質條件，即取62.47～69.39m 較為合理。為保證工作面的安全生產，在按煤層與強含水層或者導水斷層接觸時防隔水煤（巖）柱留設方法計算結果的基礎上取整數再加5m，因此，綜合確定尹家洼斷層防隔水煤（巖）柱留設寬度為68～75m。

3.2 工作面開采流固耦合數值模擬驗證

本次研究采用FLAC3D6.0 數值模擬軟件[7]，對123上02工作面開采過程中地下水滲流場與應力場流-固耦合進行深入的研究。

3.2.1 模型邊界及邊界條件的確定

123上02 工作面呈近南北走向，矩形布置，推采長度826m，面寬長度147~226m，面積154298m2，煤厚2.0～3.5m，平均3.0m。地面標高+34.7～+35.4m，工作面煤層底板-303.5（切眼）～-399.9m（采區軌道巷），最大埋藏深度約為435.3m。以123上02 工作面實際地質和開采條件為依據，建立數值計算模型。本次數值計算模型邊界如下：

模型各邊界均留有一定的邊界影響區域，在開采區的兩側各留有50m 的邊界。煤層為近水平煤層，厚度3m，采全厚，模擬采深430m；最終確定模型尺寸為380m×500m×130m，其中，垂直于煤層推進方向（即x 方向）為380m，沿煤層推進方向（即y 方向）為500m，豎直方向（即z 方向）為130m。模型構建尹家洼斷層斷層，斷層傾角為70°，按實際走向相對關系建立。

模型四周及底面施加法向約束，頂面施加法向荷載6.0MPa，模擬上覆巖層的自重應力。侏羅系礫巖含水層施加梯度水壓，3上煤層位水壓為2.06MPa。力學模型選用mohr-coulomb 模型，流體模型各向同性。于3上煤層位高度斷層內設置監測點。模擬開挖長度400m，預留68m 煤（巖）柱，平行斷層帶方向推進，模擬工作面回采共分8 個開挖步，每步各開挖50m，模擬開挖的范圍x 方向為50～290m，y 方向為50～450m，z 方向為30～33m。

3.2.2 模擬結果

123上02 工作面開采100m 時，頂板塑性破壞區整體成拱形，最大破壞高度為3.5m，底板破壞帶最大深度為4.5m，斷層產生了一定破壞，但斷層保護煤（巖）柱并未發生破壞，仍具有足夠的阻水能力；工作面推進150m 時，頂板塑性區最大破壞高度為23m，底板破壞帶最大深度為11m；工作面推進200m 時，頂板塑性區繼續發育，大致形成“馬鞍型”，最大高度為31m，底板破壞帶最大深度為17m；工作面推進300m 時，頂板塑性區最大破壞高度為37m，底板破壞帶最大深度為20m；工作面推進350m 時，塑性區最大發育高度為39m，頂板塑性區向上發育速度減緩，但其范圍仍在擴大，底板破壞帶最大深度為21m。工作面推進400m 時，頂板塑性區最大破壞高度為43m，底板破壞帶最大深度為24m，計算得出3上煤層裂采比為14.3。此時123上02 工作面開采產生的導水裂縫帶及底板破壞帶并未與斷層貫通，斷層保護煤（巖）柱仍具有足夠的阻水能力。證明留設的68～75m 尹家洼斷層防隔水煤（巖）柱[8]可以保證123上02 工作面的安全開采。

4 結論

通過對研究區地質及水文地質資料進行系統總結、詳細分析，對尹家洼斷層的發育特征及含（導）水性進行了分析，進一步運用側向補給條件下付村煤業有限公司尹家洼斷層導水性及滲流變化規律和優化控制，提出合理有效的防隔水煤（巖）柱留設寬度計算方式，科學留設斷層煤柱寬度68～75m，有效地防止斷層水害事故的發生，提高了煤礦安全生產的理論和技術水平，優化了工作面布置，解放受斷層威脅的煤炭儲量約12 萬噸，具有十分顯著的社會效益。