摘要：通過對石莊斷層水文地質(zhì)條件的分析，提出了縮小斷層防水煤柱的可行性。經(jīng)過計算確定的防水煤柱合理的寬度，為類似條件下斷層煤柱的留設(shè)提供了參考。

關(guān)鍵詞：斷層 防水煤柱 安全水頭壓力

中圖分類號：TD34文獻標識碼：B

文章編號：1673-1069（2009）01-0000-00

0 引言

歡城煤礦主采3#煤層，該煤層位于山西組下部，煤層傾角130左右，直接頂為厚3.0m左右的砂質(zhì)泥巖，老頂為灰白色中粒砂巖，底板為厚度5～7m的細砂巖。石莊斷層為該礦八采區(qū)北部邊界斷層，走向約68～73o，傾向南東，傾角70～74o，為正斷層。井田范圍內(nèi)，其走向長度約為3000m，落差大于200m。FA斷層位于該井田西南翼，走向295～302°，傾向北東，傾角71°，為正斷層，井田內(nèi)走向長度約1500m，落差約50m左右。石莊斷層和FA斷層在本井田以往歷次勘探及報告編制過程中，均留設(shè)了100、50m的防水煤柱，但沒有做過具體的定量分析和研究。

1 石莊斷層和FA斷層的控制程度

在井田范圍內(nèi)，石莊斷層以B-13、C-15、C-18、D-1、D-4孔間接控制，以D-2、D-3、S-1孔直接揭露該斷層，另有8條地震線通過，控制程度高，屬已查明斷層。FA斷層以鉆孔D－6、D－8孔直接揭露，D－7、B－12、D－9 間接控制，另有9條二維地震線及三維物探控制了該斷層，該斷層也屬已查明斷層。

2 縮小斷層煤柱可行性研究

2.1 石莊斷層和FA斷層的導(dǎo)水性及與之相關(guān)的奧灰和三灰含水性 石莊斷層上盤（井田內(nèi)）煤系地層與下盤奧灰對口接觸，2001年做的連通性實驗表明，石莊斷層的導(dǎo)水性較強。D-2、D-3、S-1號孔揭露石莊斷層下盤奧灰系灰?guī)r為白云質(zhì)灰?guī)r，巖石厚度分別為2.4、57.6和24.9m。巖石受風(fēng)化影響嚴重，顏色從青灰～淺灰～淺黃色不一，裂隙溶洞發(fā)育，由方解石晶簇及粘土質(zhì)充填或半充填，局部發(fā)育縫合線，水蝕現(xiàn)象明顯。鉆孔揭露時不漏水，D-3孔做抽水實驗，其靜止水位為-40m，第一次開機4min后斷流，水位恢復(fù)后再開機，2min后又斷流。這說明，石莊斷層下盤奧灰在淺部富水性較弱，深部富水性強。

FA斷層的存在使3#煤和三灰的間距縮小至0～25m，在局部地段三灰與３#煤對口接觸。D－6號孔揭露斷層帶時，出現(xiàn)循環(huán)液消耗量增大現(xiàn)象；D－7號孔揭露的斷層帶，由斷層角礫巖和斷層泥組成，裂隙發(fā)育，巖芯破碎。該斷層的導(dǎo)水性因沒有實驗無法做出確切論斷。1995年，31800軌道大巷揭露三灰時，曾發(fā)生突水事故，經(jīng)過處理，水量基本穩(wěn)定在18m3/h。因此，在此地段三灰對３#煤威脅嚴重，一定要留設(shè)足夠的防水煤柱，保證安全開采。

2.2 縮小防水煤柱的依據(jù) 如圖1，縮小石莊斷層防水煤柱，必須確保a值和b值以免奧灰水突破防水煤柱或底板隔水層而潰入工作面。

2.2.1 計算過程和結(jié)果。按照斷層防水煤柱的留設(shè)公式計算：

式中：a為防水煤柱的寬度，m；A為安全系數(shù)，一般取2～5；m為煤層厚度，m；k為斷層附近煤層的抗張強度，MPa；p為奧陶系灰?guī)r含水層的靜水壓力，MPa。

對于p，按照石莊斷層附近煤層的最低標高（-116m）與該斷層對盤奧灰含水層的靜止水位（-40m）之差來計算。計算結(jié)果如表1

上表1說明，要防止奧灰水突破斷層煤柱而潰入采面，水平方向必須留設(shè)不小于48×cos13°，即46.8m的防水煤柱。

2.2.2 驗算。在保證留設(shè)48m斷層防水煤柱前提下，還要考慮底板隔水層的留設(shè)距離是否足夠，以防止在水壓力和礦山壓力作用下使采空區(qū)或巷道底板發(fā)生底鼓而突水，造成煤柱失效。因此，必須驗證留設(shè)的煤柱是否合理。

以下列公式計算A點的安全水頭壓力H安，如果計算出的水頭壓力H安大于A點實際的水頭壓力值，則說明留設(shè)的防水煤柱不會因順層水壓力造成破壞，滿足底板不突水的條件。

H安=2Kp·b2/L2+γ·b·cosα

式中：b為采空區(qū)到斷層面的最短距離，m；L為最大空頂距，m；Kp為底板隔水層之抗張強度，MPa；H安為在采空區(qū)到斷層面的距離為b時所能承受的安全水頭壓力，MPa；γ為底板隔水層之相對密度，t/m3。計算結(jié)果如表2。

通過計算，H安=358.7 t/m2=3.5MPa，A點的實際水頭壓力

p=1.1 MPa＜H安=3.5MPa

通過驗算得知，石莊斷層留設(shè)47m防水煤柱是可行的(47m為最大值)。根據(jù)上述計算方法，F(xiàn)A斷層防水煤柱的最大值為37m。

3 實踐應(yīng)用及經(jīng)濟分析

根據(jù)以上計算結(jié)果，考慮斷層平面上的偏移，報經(jīng)批準，最終確定石莊斷層留設(shè)50m的防水煤柱，F(xiàn)A斷層留設(shè)40m煤柱。

目前，該礦已開采的31803、31805、31807和31806工作面，正是嚴格按照新留設(shè)的斷層防水煤柱數(shù)據(jù)來設(shè)計的。開采實踐證明，通過上述方法留設(shè)的煤柱是安全的。

石莊斷層和FA斷層縮小煤柱后，累計可解放19.8萬t永久防水煤柱。按照近3年的煤炭平均售價400元、成本150元計算，可以創(chuàng)造產(chǎn)值7920萬元，利潤4950萬元。

在摸清斷層基本情況前提下，通過分析、計算、驗算和正確施工，成功縮小了石莊斷層和FA斷層防水煤柱，不僅提高了煤炭資源的回收率，延長了礦井的服務(wù)年限，還創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟效益。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文。