謝華東,侯俊華,朱術云

(1.兗州煤業(yè)股份有限公司 東灘煤礦,山東 鄒城 273500;2.中國礦業(yè)大學 資源與地球科學學院,江蘇 徐州 221116)

煤層的防隔水煤(巖)柱是指為確保近水體安全采煤而留設的煤層開采上(下)限至水體底(頂)界面之間的煤巖層區(qū)段[1,2].大量突水事故分析表明,完整地段一般很少發(fā)生突水事故,絕大多數都與斷層有直接關系[3-6].為此,斷層防水煤巖柱留設引起國家相關部門[1,4]和眾多學者的高度關注,從不同角度進行了探討[1-13].留設斷層防水煤柱尺寸的計算方法有多種,歸納起來主要有(1)經驗類比法[5,6];(2)理論公式法[7,8];(3) 依據規(guī)范(文獻[1]和文獻[4])中的計算公式進行計算;(4)用數值計算或相似材料模擬試驗確定煤柱的尺寸[9-12]和水化學識別法[13].由于斷層本身非均質性,導致在富水性和導水性方面一般都存在很大差異性,同一條斷層在不同部位導含水性差異性很大,在采動影響下原本不富水或不導水斷層也有發(fā)生過突水的先例[3,6].因此,由于斷層本身的復雜性,討論斷層防水煤巖柱留設盡量要結合具體斷層部位進行分析,特別是落差較大的斷層.本文就是基于這種考慮,選擇東灘煤礦兩個采區(qū)邊界的北公村1號落差最大位置處進行防水煤巖柱安全留設和阻滲性問題進行探究.

1 研究區(qū)地質與水文地質條件分析

1.1 研究區(qū)地質概況

研究區(qū)位于東灘煤礦規(guī)劃設計的七采區(qū)和已開采的三采區(qū)邊界位置(圖1),七采區(qū)南北長平均約4.12 km,東西寬平均約1.39 km,面積約5.85 km2,采區(qū)第四系沖洪積平原,地勢較平坦,地面標高+48.15～+54.57 m,平均+51.80 m.

圖1 研究區(qū)北公村1號斷層平面

七采區(qū)內主采山西組3煤和3上煤,采區(qū)內斷層發(fā)育,大斷層多,受斷層影響,含煤地層產狀局部變化較大,走向整體呈東西向為主,傾向南.北公村1號斷層是東灘煤礦三采區(qū)和七采區(qū)的采區(qū)邊界斷層,根據文獻[14],該斷層屬于正斷層,位于井田中部,為三、七采區(qū)及一、五采區(qū)分界斷層.斷層走向南北,傾向東,傾角60°～65°,落差40～150 m,延展長度1 500 m,錯斷層位3,16上,17煤層.三維地震時間剖面控制斷點40個,屬查明斷層[14].該斷層在本論文研究區(qū)內有P1-6和補7-3 2個鉆孔分別位于下盤和上盤進行初步控制(圖1);另外,該斷層也是礦井從三采區(qū)到七采區(qū)必須要穿過的.因此,該斷層防水煤巖柱留設問題和導含水性對預開采七采區(qū)意義重大.

1.2 研究區(qū)水文地質條件分析

七采區(qū)水文地質條件比較復雜,主要含水層有侏羅系紅層砂巖含水層,3煤頂底板砂巖含水層和奧灰含水層,再加上該采區(qū)斷裂構造發(fā)育,容易通過斷裂構造形成導水通道而造成突水事故.初步統計,七采區(qū)落差大于10 m以上斷層有54條,其中北公村1號斷層就是典型的一個[15].從開采角度,規(guī)劃開采山西組3煤層,分析認為預開采該煤層的最大威脅就是通過斷裂構造導通底板奧灰含水層,該含水層厚度大、巖溶裂隙發(fā)育、水量豐富、補給集中和調解儲量大等特點,對研究區(qū)的開采將造成較大威脅.為此,以北公村1號斷層為例,重點分析大型斷層條件下開采3煤層奧灰水方面的安全煤巖柱留設問題和該斷層的阻滲性問題.

七采區(qū)內有補7-5和O2-1兩個奧灰水文長觀孔,兩個鉆孔間距約1 480 m,其中補7-5鉆孔位于補7-3鉆孔的東北部,兩孔間距約580 m;O2-1鉆孔位于補7-3鉆孔的東南部,兩孔間距約1 200 m.圖2是從2016年1月到2019年3月期間七采區(qū)內2個奧灰含水層水位長觀孔數據變化曲線,整體上奧灰水位波動較大,呈下降-上升-下降的變化過程,但2個觀測孔奧灰水位變化趨勢基本一致.O2-1孔和補7-5孔初測水位標高分別為24.31,17.62 m,到2019年3月底分布下降到-0.09,0.50 m,分別下降了24.40,17.12 m,O2-1孔總下降幅度較大;但從2016年1月到2019年3月期間2個觀測孔的水位下降幅度差別較大,O2-1孔水位下降了4.58 m,而補7-5孔水位在波動中基本保持不變.2個奧灰鉆孔相距約1 480 km,但目前兩孔水位標高基本一致,可初步推斷七采區(qū)范圍內還沒有開采,奧灰水位相對比較穩(wěn)定,連通性較好.

圖2 七采區(qū)兩個奧灰長觀孔水位變化曲線

2 典型斷層煤柱留設分析與計算

圖3 北公村1號斷層防水煤柱留設計算示意圖

為探討七采區(qū)斷層安全煤巖柱留設,這里選擇典型的北公村1號斷層,由圖1中連接該斷層下盤P1-6兩和上盤補7-3兩個鉆孔,形成AB線(圖1),根據2個鉆孔揭露地層資料和三維地震勘探繪制的斷層產狀特征,形成AB剖面.這樣北公村1號斷層和主采的3煤層及奧灰含水層位置關系就比較清楚了(圖3).

根據圖3,3煤層傾角近水平,并位于北公村1號典型斷層上盤,可建立如圖3所示的防水煤柱留設計算簡圖.由于補7-3鉆孔揭露3煤層時有破碎帶,導致該位置3煤厚度異常,僅0.54 m,但正常區(qū)域3煤厚度一般在5.0 m以上,P1-6孔揭露3煤層厚度8.54 m.

根據七采區(qū)揭露奧灰9個鉆孔統計分析(表1),6個鉆孔揭露主采的3煤層在有斷層條件下到奧灰距離52.48～167.13 m,平均142.5 m;3個鉆孔揭露沒有斷層條件下主采的3煤層到奧灰距離230.43～267.71 m,平均253.1 m;明顯得出有斷層和沒有斷層平均間距相差110 m左右.由此可見,斷層已導致七采區(qū)主采的3煤層和奧灰間距大大縮小.根據圖2水位觀測數據和鉆孔數據,可計算得出研究區(qū)到2019年3月底為止,奧灰水壓實測值約8.15 MPa,由此可計算出有斷層和沒有斷層條件下奧灰突水系數差別很大(表1),有斷層條件下奧灰突水系數均明顯偏大,平均值已超過國家規(guī)定的臨界值0.06 MPa/m[1].

由此可見,七采區(qū)有斷層位置和沒有斷層位置平均厚度差別約110 m,奧灰突水系數平均值在斷層位置已大于國家規(guī)定的臨界值0.06 MPa/m,故大型斷層需要進行主采煤層的防水煤巖柱留設分析.這里對典型的北公村1號斷層進行研究,該斷層最大落差150 m,如圖3所示,屬于高角度正斷層,設奧灰和3煤層沿北公村1號斷層間距為L1,m;防隔水煤柱留設寬度為L2,m;安全防隔水煤巖柱寬度Ha,m.

由于該斷層切割深度大、落差大,目前井下還沒有進行探測,安全起見先假定為導水正斷層,成為奧灰水補給主采3煤層的通道.因此,根據文獻[1]規(guī)定,其斷層防水煤柱的留設應按如下2種方式計算,取結果中的大值進行留設.

表1 七采區(qū)揭露奧灰鉆孔相關統計分析

1)煤層位于含水層下方且斷層導水的情況下,主要考慮斷層水在順煤層方向上的壓力,防水煤柱的留設按式(1)進行計算.

(1)

式中:L2為煤柱留設的寬度,m;K為安全系數,取5;M為煤層厚度或采高,取剖面中最大值8.54 m;P為奧灰水頭壓力,取6.65 MPa(用2019年3月底實測值約8.15 MPa減去3煤層底到奧灰距離150 m產生的1.5 MPa);KP為煤的抗拉強度,MPa,取0.8 MPa.

補7-3鉆孔揭露奧灰頂到3煤層底約150 m,則該孔的奧灰突水系數約0.054 MPa/m,按照文獻[1]仍屬于安全開采條件.但由于北公村1號正斷層影響,下盤的奧灰頂部距離上盤的3煤層明顯拉近,斜距L1約70 m,垂向上僅60 m左右,則奧灰突水系數將達到0.14 MPa/m.由此可見,由于該斷層存在,導致開采3煤層引起奧灰突水危險性大大增加.

根據式(1)可計算出順煤層方向3煤斷層最大防水煤柱L2為107 m.

2)煤層位于含水層上方且斷層導水的情況下,防水煤柱的留設主要考慮煤層下部的隔水層能否承受下部含水層的水壓,其計算可按照式(2)進行.

(2)

式中:α為斷層傾角(°),取60°;Ha為斷層安全防水煤柱的寬度,m.

Ha值東灘煤礦缺少實際觀測資料確定,可按式(3)進行計算.

(3)

式中:P為奧灰水頭壓力,取實測值8.15 MPa;Ts為斷層臨界突水系數,按0.06 MPa/m;10為保護帶厚度,一般取10 m.

則由式(3)可得Ha為146 m.

北公村1號斷層傾角取60°且導水時,根據式(2),3煤斷層最大防水煤柱L2為168 m.

按文獻[1],根據以上兩種方法計算的結果,應取較大的數字.則在斷層導水條件下,考慮底部奧灰含水層水壓力時北公村1號斷層防水煤柱L2為168 m.

3 典型斷層阻滲性進一步探討

課題組在2012年～2015年在兗州礦區(qū)東灘、興隆莊、鮑店、楊村等主力礦井進行了主采3煤層底板不同結構狀態(tài)的大量壓滲試驗[16],相關主要研究成果獲得了山東省2015年度科學技術進步二等獎,現場壓滲方面的部分主要數據見表2.在表2中最主要參數就是單位抗?jié)B強度,我們這里現場實測了采動底板5種結構類型條件下單位抗?jié)B強度,論文中主要可借鑒的是斷層帶阻滲性量化參數0.12 MPa/m.

表2 底板結構狀態(tài)及其阻滲能力對應關系現場實測資料[16]

由圖3可得,開采煤層底板奧灰含水層水在采動礦壓和水壓力聯合作用下可能沿北公村1號斷層帶進入采空區(qū),根據補7-3鉆孔揭露,和主采的3煤層沿著斷層面方向L1約70 m,則由此可算出該斷層的阻滲性約8.4 MPa,這個數值大于奧灰含水層實際水壓值8.15 MPa,理論上來說在非采動條件下可以阻止奧灰水沿著斷層面滲入到主采煤層的3煤層.

另外根據奧灰實際水壓值8.15 MPa和斷層帶阻滲性0.12 MPa/m可反算出沿斷層帶的安全最小厚度約68 m,垂高約59 m.若根據文獻[1],斷層位置臨界突水系數值0.06 MPa/m,則安全隔水層厚度最小需要136 m,與式(2)計算的168 m相比,相差32 m.由此可見,規(guī)程中計算明顯偏保守,這對實際煤炭資源回收是不利的.

4 結論

1)奧灰含水層通過大型斷層作為導水通道是預開采3煤層的主要災害性突水水源.

2)北公村1號斷層開采3煤層的奧灰防水煤柱寬度約168 m.

3)初步分析認為在沒有采動條件下北公村1號斷層和主采3煤層之間沿斷層帶可以阻止底部奧灰水,但考慮誤差或地質體的不均一性和各向異性原因,開采3煤該斷層仍將可能形成導水通道造成奧灰突水.