張慕宇

(晉城市沁水縣端氏鎮(zhèn)曲堤村坪上煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048203)

1 工程概況

山西晉煤集團(tuán)坪上煤業(yè)有限公司位于沁水縣端氏鎮(zhèn)坪上村，西距沁水縣城約40 km。井田位于沁水盆地之南緣，太行山南端西側(cè)，地貌劃分屬為侵蝕山地，以低山丘陵為主，溝谷發(fā)育，地形高低起伏不平，較為復(fù)雜。坪上煤業(yè)于2012年12月開始試生產(chǎn)，2013年6月正式投入生產(chǎn)。目前開采的3號煤層，采用單水平分東、西兩個盤區(qū)開采，走向長臂采煤法，全部垮落法管理頂板，分層開采，上分層采高一般2.65 m。瓦斯等級為煤與瓦斯突出礦井，水文地質(zhì)類型中等。

本井田位于沁水復(fù)式向斜軸部南端、晉-獲褶斷帶西部，受區(qū)域構(gòu)造影響，井田內(nèi)構(gòu)造總體為一傾向北西西的單斜，地層傾角3°～7°，根據(jù)地表基巖露頭和鉆孔的控制資料，井田內(nèi)還發(fā)育有北東向的幾組次一級寬緩褶曲，在井田西北部邊界處發(fā)育一大型斷裂構(gòu)造——寺頭正斷層(見圖1)。該斷層井田內(nèi)有ZK4-1鉆孔揭露和控制，破碎帶寬度2.5 m，破碎帶厚度37.47 m，落差200 m；在井田西側(cè)潘莊二號井田有兩個鉆孔控制，破碎帶厚度10 m～30 m，斷距190 m；該斷層為區(qū)域性大斷裂，延伸較遠(yuǎn)，規(guī)模較大。該井田主要構(gòu)造特征總結(jié)為表1所示。

坪上煤業(yè)受奧灰突水的影響，井田范圍內(nèi)所開采的3、9、15號煤層均屬帶壓開采。目前礦井開采

圖1 坪山煤業(yè)寺頭正斷層

表1 井田斷層統(tǒng)計表

3號煤層，屬帶壓開采相對安全區(qū)。通常情況下發(fā)生底板奧陶系巖溶水突水的可能性較小，但在斷裂構(gòu)造附近存在發(fā)生突水的可能，采掘工程受底板奧陶系巖溶水影響相對較小，一般不危害礦井安全，其防范重點(diǎn)是井田西北邊界處的寺頭斷層及其他隱伏斷裂構(gòu)造導(dǎo)水。

2 2302工作面回采數(shù)值模擬

根據(jù)過往經(jīng)驗及現(xiàn)場實踐認(rèn)為，由于斷層、裂隙和褶皺均是誘發(fā)礦壓增大、瓦斯涌出異常、頂板穩(wěn)定性破壞的關(guān)鍵因素，因此，通常將這三者認(rèn)為是構(gòu)成礦井隱蔽致災(zāi)的地質(zhì)因素，對礦井安全有較大影響[1-3]。本文依據(jù)礦井實際生產(chǎn)布局及開拓、掘進(jìn)和回采計劃，為保障坪上煤業(yè)2302工作面的采掘安全和留設(shè)防隔水煤柱需要，將使用巖土工程三維分析工具FLAC3D 3.0對2302工作面進(jìn)行仿真建模分析，模型如圖2所示。

圖2 2302工作面含75°斷層回采數(shù)值模型

此次仿真建模的2302工作面共包含有11個煤(巖、水)層，主要針對工作面內(nèi)的斷層，結(jié)構(gòu)建造方案設(shè)計如下：回采間隔設(shè)置為30 m，即，首采長度30 m，第二次與第三次回采距離分別為60 m和90 m。邊界條件設(shè)置方面：根據(jù)表2所示，工作面寺頭正斷層為區(qū)域性大斷裂，延伸較遠(yuǎn)，取其平均值為75°，上覆巖層容重取pg=26 000 N/m3進(jìn)行分析模擬。為便于計算，建模尺寸(長、寬、高)分別設(shè)置為：L=500 m，B=300 m，H=100 m，整個模型共由108 516個網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)組成，劃分為110 086個網(wǎng)絡(luò)單元。另外，將四周邊界條件與模型中心位置同時施加最大水平主應(yīng)力為-30 MPa，自重應(yīng)力為10 MPa，上部主應(yīng)力施加為-15 MPa。

如圖3所示，隨著2302工作面與斷層之間距離的縮進(jìn)，工作面與斷層之間應(yīng)力的集中化程度也隨礦井正常的回采而逐步提高，峰值將接近30 MPa。圖3a)為首采至30 m時的模擬情況，與斷層間的距離為75 m，此時應(yīng)力主要集中在2302工作面前部方向和斷層上部區(qū)域；當(dāng)圖3b)回采繼續(xù)進(jìn)行至60 m時，與斷層相距為45 m，斷層四周的應(yīng)力分布較圖3a)更加集中，工作面前方與采空區(qū)應(yīng)力也隨之趨于上升；當(dāng)工作面回采至90 m時，此時僅與斷層相距15 m的距離，如圖3c)所示，應(yīng)力集中程度再一次升高，并且遠(yuǎn)超于圖3a、b)的數(shù)據(jù)。從數(shù)值計算結(jié)果可以看出，斷層左側(cè)水平應(yīng)力峰值接近30 MPa。分析認(rèn)為，隨著工作面的回采，回采面與斷層的距離逐漸變小，工作面以及斷層四周應(yīng)力集中程度越高，其中最大值達(dá)到了30 MPa，這是因為斷層的存在導(dǎo)致了工作面回采期間應(yīng)力梯度的加大，另外，斷層也隔絕了工作面前方的應(yīng)力范圍，使之都積聚在工作面與斷層周圍，當(dāng)其超出了煤體的承載能力時，就會產(chǎn)生煤體以及巖體的裂隙，形成導(dǎo)水通道。

圖3 回采期間工作面最大主應(yīng)力云圖

如第81頁圖4所示，2302工作面在回采時，塑性區(qū)的破壞程度隨著回采進(jìn)行而趨于嚴(yán)重。1) 圖4a)為當(dāng)工作面首采30 m時，底板塑性區(qū)受破壞程度最小，在3 m以內(nèi)；2) 圖4b)為工作面回采至第二位置60 m時，斷層活化性得到小幅提高，底板塑性范圍介于8 m～10 m，同時，回采面的采動導(dǎo)致斷層出現(xiàn)裂隙；3) 圖4c)為當(dāng)回采至第三位置90 m時，底板塑性區(qū)破化程度顯著增大，破壞范圍達(dá)到13 m以上，同時，一條位于底板采空區(qū)的裂隙在距離斷層僅15 m處基本形成，由于已經(jīng)位于斷層活化帶范圍，極有可能與其連通，最終形成導(dǎo)水裂隙。另外，在回采過程中不可避免地發(fā)生斷層破碎帶受到含水層中承壓水對其沖刷、腐蝕、侵蝕的作用，從而加劇了對斷層的破壞范圍和破壞程度的影響。

圖4 底板塑性破壞程度分布圖

2.1 3號煤層鉆孔突水系數(shù)[3]

根據(jù)《坪上煤業(yè)水文地質(zhì)報告》可知，本區(qū)奧陶系中統(tǒng)巖溶水水位標(biāo)高542 m～570 m，井田內(nèi)各可采煤層底板標(biāo)高均低于巖溶水水位標(biāo)高，屬帶壓開采礦床。根據(jù)煤礦水文地質(zhì)資料帶入公式(1)中，得到如表2的結(jié)果。

根據(jù)《煤礦防治水規(guī)定》有關(guān)要求，本次突水系數(shù)計算采用公式(1)進(jìn)行計算。

(1)

式中，T為突水系數(shù)，MPa/m；P為底板隔水層承受的水頭壓力，MPa；M為底板隔水層的厚度，m。

表2 3號煤層鉆孔突水系數(shù)計算表

本井田3號煤層最大突水系數(shù)為0.040 MPa/m，小于底板受構(gòu)造破壞塊段臨界突水系數(shù)(0.06 MPa/m)，正常情況下，發(fā)生突水的可能性小，但在斷裂構(gòu)造附近存在發(fā)生突水的可能。

3 礦井防治水措施

為防范北部邊界寺頭斷層對2302、2304、2306工作面的采掘影響，坪上煤業(yè)正在開展《坪上礦寺頭斷層導(dǎo)水性研究》項目，通過在井下2302、2304、2306工作面巷道內(nèi)進(jìn)行物探(地震反射法探測、瞬變電磁探測)、鉆探手段，以探明寺頭斷層(F13)及其派生地質(zhì)構(gòu)造的準(zhǔn)確位置、產(chǎn)狀要素、含導(dǎo)水性情況，并制定防隔水煤柱留設(shè)方案及基本參數(shù)。

由于煤層頂?shù)装搴畬痈凰圆?，斷層、裂隙和褶皺對礦井充水影響不大。但可誘發(fā)局部礦壓增大、局部瓦斯富集、煤層頂?shù)装宸€(wěn)定性降低，構(gòu)成礦井隱蔽致災(zāi)的地質(zhì)因素。在采掘過程中，在采用超前物探、鉆探探測措施，準(zhǔn)確確定斷層位置、落差的同時，加大煤層瓦斯抽采力度及煤層頂板穩(wěn)定性的觀測，以確保礦井安全生產(chǎn)。

4 結(jié)論

山西晉煤集團(tuán)坪上煤業(yè)有限公司水文地質(zhì)類型屬中等，由于奧灰突水的影響，目前礦井開采3號煤層屬于帶壓開采，其最大突水系數(shù)為0.040 MPa/m。為了保障2302工作面的安全生產(chǎn)，礦方通過FLAC3D對此進(jìn)行了模擬分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，工作面距斷層間距離與應(yīng)力集中化程度成反比關(guān)系，即相距越遠(yuǎn)，應(yīng)力集中化程度越小，但隨著工作面的推進(jìn)，應(yīng)力集中程度顯著增大，將導(dǎo)致底板裂隙帶的產(chǎn)生，礦方對此制定了防隔水煤柱留設(shè)方案及基本參數(shù)等防治水措施，開采過程中并未出現(xiàn)異常突水等情況，從而保證了2302工作面的安全生產(chǎn)。