石港煤業F14 斷層15 號煤層防水煤柱留設寬度研究

岳建武

（山西晉中市左權縣石港煤業公司，山西 晉中 036700）

1 概 況

山西石港煤業有限責任公司（以下簡稱“石港煤業”） 屬華陽集團的控股子公司，位于左權縣城北13 km 處，行政區劃隸屬于左權縣寒王鄉，石港煤業15212 工作面北為實煤體，東部為F14 斷層，已按規定留有保安煤柱，西為15 號煤層輔助運輸下山，南部為15213 回風順槽，對掘進巷道無影響。鄰近15213 備采工作面，按采掘計劃暫不進行開采，對相鄰工作面掘進巷道無影響。15212 工作面井上位于工業廣場以北，汾西瑞泰煤礦以南，娘娘廟以東，紅衛村以西，工作面地表為荒地、荒坡，沒有其它建筑物。該工作面煤層為太原組下部，15 號煤層賦存穩定，結構復雜，發育有兩層夾石。頂板向下2.47 m 處有一層0.25 m 厚度的夾石，底板向上1.81 m 處有一層0.18 m 厚的泥巖，煤層節理發育。工作面煤層總厚6.5～7.2 m，平均厚度6.85 m。15 號煤層頂板砂巖含水層為主要充水水源，遇裂隙帶發育及錨索穿至砂巖含水層時，可導致頂板淋水增大，涌水量將大于正常涌水量。井下工作面煤層底板標高為+886—+922 m，本井田太灰等水位線標高為+1 094—+1 112 m，低于太灰等水位線，15212 工作面鄰近的F14 斷層落差50～120 m，錯斷層位在P 到O2之間，為確保工作面安全開采同時提高經濟效益，對斷層防水煤柱合理留設寬度展開研究。

2 斷層探測及分析

石港煤業15212 工作面全長1 100 m 左右，具體位置為南五采區東翼，切眼長度約135 m，工作面東側與F14 斷層相連，需留設斷層防水保護煤柱。根據礦井巷道揭露F14 斷層的相關資料表明，-360 m 水平南翼回風大巷G22 點前34 m 揭露F14斷層，斷層上盤巖性主要為泥巖，結構極為脆弱，局部存在反傾現象，下盤主要為粉砂巖，結構較為破碎，斷層帶斷面較光滑，斷層帶寬度在11.5 m左右，斷層帶內存在較多的角礫巖，直徑為0.05～0.1 m，掘進迎頭附近無淋水現象。

F14 斷層附近有較多中型斷層，且局部會存在裂隙、水文地質異常發育區的存在，為更加詳細的掌握其發育情況，需在井下巷道實施鉆探工程，以-360 m 南翼回風大巷里程830 m 處的FZ7 號鉆場為例，共布置1 號（孔深200 m）、2 號（孔深110 m）、3 號（孔深70 m） 鉆孔，方位角均為312°，傾角分布為-13°、-30°、15°，如圖1 所示。

圖1 鉆探結果示意Fig.1 Drilling results

1 號鉆孔鉆進38～40 m 期間揭露斷層破碎帶，在鉆進41.5～60 m 揭露15 號煤層，在鉆進195～197 m 時見灰巖水，涌水量為3～5 m3/h；2 號鉆孔在鉆進34.5～41 m 期間揭露10 號煤層，在鉆進52.0～58.6 m 期間揭露斷層破碎帶，在鉆進107～109 m 期間出現灰巖水，涌水量10～15 m3/h；3 號在鉆進29～30 m 期間揭露斷層破碎帶，出現部分斷層泥，無涌水。根據鉆孔揭露情況分析可知，15212 工作面附近區域，F14 斷層落差約為19 m，傾角53°，斷層基本不導水。根據2 號鉆孔在單純破碎帶內進行抽水試驗，q=0.006 122 L/s·m，k=0.010 21 m/d，根據水化學類型表明水源不是太灰，q小于0.1，判斷F14 斷層的富水性是極弱的。

3 防水煤柱留設綜合分析

根據石港煤業巷探、物探等地質資料，確定F14 斷層屬于不導水斷層，結合作圖法建立F14 斷層防水煤柱寬度的理論計算模型。由于斷層不導水，僅需考慮回采工作面一側下方的含水層，設置防水煤柱防止承壓水由底板涌入工作面或采空區，將含水層與斷層的交點作為圓心，以Ha為直徑進行畫圓，當圓形與工作面底板破壞帶存在交點時，所對應的Ha即為安全防水巖柱寬度，此時回采工作面與斷層間煤柱的寬度即為防水煤柱寬度，如圖2 所示，其中Ha理論計算公式為：

圖2 不導水斷層工作面防水煤柱計算模型Fig.2 Calculation model of waterproof coal pillar in non-water-conducting fault working face

式中：Ha為承壓含水層與底板破碎帶間防水巖柱寬度，m；P為防水巖柱下部承壓水壓力，MPa；Ts為臨界突水系數，在斷層構造影響地段取0.06 MPa/m。15212 工作面位于F14 斷層下盤，下部太灰水靜水壓力為2.12 MPa，由此計算得到安全防水巖柱寬度Ha=45.3 m，此時對應的防水煤柱寬度為28.5 m。

4 斷層帶內承壓水水壓衰減特征及防水煤柱分析

石港煤業15212 工作面位于F14 正斷層下盤，工作面開采期間是否會引起斷層活化需展開進一步研究。結合前文理論分析研究結果，借助數值模擬手段分別進行防水煤柱30 m、50 m 工況下15212工作面的開采模擬，對工作面開采期間上覆巖層及底板變形情況進行分析。

采用FLAC3D 軟件進行模擬計算，根據石港煤業15212 工作面相關地質資料，設定巷道各層圍巖的巖性及巖石力學參數，見表1。模型為工作面傾向模型，采用空間直角坐標系，模型規格250 m×200 m×100 m，如圖3 所示，限制其水平、垂直方向位移，斷層傾角為52°，在模型上邊界施加7.5 MPa 的均布載荷，替代300 m 埋深時巷道上覆圍巖載荷，15 號煤層采厚6.8 m。

表1 工作面頂底板巖層力學性質統計Table 1 Statistics of mechanical properties of roof and floor strata in working face

圖3 三維數值模型Fig.3 Three-dimensional numerical model

設計15212 工作面沿斷層走向方向布置，留設50 m 防水煤柱時，工作面由X=150 m 處開始采動，共推進60 m；留設30 m 煤柱時，由X=120 m 處開采采動，共推進80 m，模型計算平衡后沿工作面中部取豎直剖面，得到垂直位移云圖，如圖4 所示。

圖4 采動后工作面頂底板垂直位移Fig.4 Vertical displacement of roof and floor of working face after mining

分析可知，工作面回采之后，隨著工作面推進距離的增大，采空區范圍逐漸增大，頂底板形變范圍也同步增大，采空區頂板表現為中部下沉量最大，隨與采空區邊緣距離的減小而逐漸減小，底板表現為整體隆起。斷層間防水煤柱為50 m 時，煤層頂板最大下沉量為561.1 mm，底板隆起12.4 mm，變形量沿工作面推進方向中線位置對稱分布；斷層間防水煤柱為30 m 時，煤層頂板最大下沉量為2 303.8 mm，底板隆起13.5 mm，變形量沿工作面推進方向中線位置對稱分布。兩種條件下，斷層區域圍巖均為出現局部異常位移，總體變形情況符合實際情形，斷層無活化現象，由此可說明，留設50 m、30 m 防水煤柱均是可行的。

5 經濟效益分析

當初進行石港煤業設計時，由于技術水平所限，設計F14 斷層防水煤柱留設寬度為100 m，在石港煤業建設及生產過程中，陸續對F14 斷層進行探測和研究，表明F14 斷層是弱富水和弱導水性的斷層。因此，結合上文理論計算和數值模擬結果，本著安全與經濟的原則，在太灰水水位降至安全位置后，對F14 斷層15 號煤層防水煤柱進行重新設計，將煤柱寬度由原始的100 m 優化設計為30 m，可多開采煤炭約45.5 萬t，經濟效益顯著。

6 結 語

以石港煤業15212 綜采工作面開采為工程背景，進行F14 斷層防水煤柱留設寬度研究，結合礦井所處的實際水文地質條件，結合井下鉆探、調研等手段，對F14 斷層的位置、斷層帶等相關地質信息進行研究，綜合分析判斷F14 斷層屬于弱富水性和弱導水性斷層，建立斷層防水煤柱理論分析計算模型，理論計算得到15212 工作面斷層防水煤柱寬度為28.5 m；使用FLAC 軟件模擬研究，表明留設30 m、50 m 斷層防水煤柱均可行，最終得出15212工作面F14 斷層防水煤柱留設寬度應為30 m，目前工作面已安全回采完畢，取得較好經濟社會效益。