武 濱，謝道雷，韓 靜，陳 強，張會德

(1.山東科技大學 地球科學與工程學院，山東 青島 266590；2.兗州煤業(yè)股份有限公司濟寧三號煤礦，山東 濟寧 272000；3.山東里能魯西礦業(yè)有限公司，山東 濟寧 272000)

煤炭在中國經濟發(fā)展中的戰(zhàn)略地位不可動搖[1]。在煤炭生產過程中，礦井突水有可能淹沒采礦區(qū)，造成重大人員傷亡和財產損失，因此礦井水害防治意義重大[2-6]。礦井水害的發(fā)生有2 個必要條件：一是突水水源；二是導水通道[7-8]。斷層是常見的地質構造，經常作為地下水的導水通道，使不同含水層發(fā)生水力聯(lián)系，一旦處理不慎，輕則導致礦井涌水量增大，重則引發(fā)礦井突水事故。因此，對于近斷層的煤層開采，需要進行防隔水煤巖柱留設寬度計算[8-17]。

近年來，專家學者在防隔水煤巖柱寬度計算方面的研究方法主要有：①理論計算：施龍青等[12]在考慮礦山壓力因素的基礎上建立力學模型，進而推導出采場斷層防水煤巖柱留設計算公式；師維剛等[13]將煤柱結構分區(qū)后，選用極限平衡理論、拋物線型強度理論和統(tǒng)一強度理論，確定煤柱寬度，并與以往經典模型計算公式進行對比，驗證模型合理性。② 數(shù)值模擬：劉波等[14]研究在不同采空區(qū)積水工況下進行工作面的回采對兩工作面之間防水煤巖柱變形與破壞特性的影響，利用FLAC3D進行流?固耦合作用下的三維數(shù)值模擬研究，通過對比計算獲得煤巖柱留設存在合理寬度區(qū)間；魏久傳等[15]針對山東濟寧市濟三煤礦十二采區(qū)孫氏店支一斷層和 F8 斷層在 3上、3下煤層重復采動條件下的活化機制，圍繞煤巖柱進行合理的尺寸留設，通過FLAC3D軟件模擬并結合經驗公式，提出合理的煤巖柱留設尺寸，為采區(qū)安全開采提供借鑒。③徐東晶等[16]、尹會永等[17-18]在總結全國各典型煤礦斷層防水煤巖柱相關資料的基礎上，以水頭壓力、煤層厚度、安全系數(shù)、煤的抗張強度為主要影響因子，選擇有代表性的樣本數(shù)據(jù)，通過Matlab 軟件構建了反向傳播(Back Propagation，BP)和徑向基函數(shù)(Radial Basis Function，RBF)神經網絡模型，對各煤礦斷層防水煤巖柱的留設寬度進行了預測，并與規(guī)程經驗公式計算結果進行對比；目前最根本、應用最廣的方法仍是《煤礦防治水細則》[19]中的斷層煤巖柱寬度計算方法，上述各種計算方法都離不開其原理。而以往《煤礦防治水細則》中的斷層煤巖柱寬度計算方法將煤層產狀理想化為水平，沒有考慮煤巖層真實產狀及斷層面與煤層產狀的空間關系，且取煤層底板處水壓值，水壓p取值偏小，計算的防隔水煤巖柱尺寸偏小，為精確計算煤巖柱尺寸，確保工作面安全回采，需要對《煤礦防治水細則》中相應公式進行改進，獲得更準確的計算方式。

山東濟寧三號煤礦123上01(南)工作面西側F8 斷層落差較大，斷層發(fā)育部位圍巖穩(wěn)定性差，有因采動斷層活化[20-21]導通侏羅系含水層水甚至奧陶系灰?guī)r(簡稱奧灰)水而造成工作面滯后突水[22-23]的危險，筆者以F8 斷層為研究對象，通過對《煤礦防治水細則》中防隔水煤巖柱計算方式進行改進，提高防隔水煤巖柱計算尺寸的精度，以期為礦井工作面安全回采提供更為可靠的科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

山東濟寧三號煤礦123上01(南)工作面的地面位置位于井田工業(yè)廣場北方向，工業(yè)廣場東北方向，地表東部為李二莊。地層整體為南高北低的單斜構造，局部發(fā)育寬緩的波狀起伏；中部煤層傾角較大，最大為10°，平均煤層傾角為4°。工作面為刀把型，南部270 m工作面寬100 m，北部427 m 工作面寬290 m，總面積150 830 m2。落差為10 m 時，F(xiàn)8 斷層附近相鄰等高線間最小距離60.41 m，真傾角(γ)約為9.4°，如圖1 所示。工作面位于F8 斷層上盤，距離F8 斷層在140 m 以上。工作面內揭露斷層16 條，F(xiàn)8 斷層位于井田十二采區(qū)中部，為正斷層，走向NNW，傾向NEE，傾角70°，落差0～130 m，錯斷層位為侏羅系至奧陶系，延展長度4 720 m，受鉆孔和物探工程控制，巖巷、煤巷揭露，屬查明斷層。巷道揭露斷層時基本無淋水涌水現(xiàn)象，斷層含水性弱、導水性差，但受采動影響存在導水的可能。具體研究位置位于距離123上01(南)工作面最近的F8 斷層處，該斷層因落差較大，距離工作面較近，有溝通奧灰含水層可能，威脅礦井安全回采，必須進行防隔水煤巖柱寬度計算。

圖1 山東濟寧三號煤礦123上01(南)工作面位置Fig.1 Location of the 123up01(south) working face of Jining No.3 Coal Mine in Shandong Province

2 奧灰水安全防隔水煤巖柱寬度計算方法對比

2.1 《煤礦防治水細則》計算方法

在距離123上01(南)工作面最近的F8 斷層處，3上煤層底板高程約為?566 m，奧灰水位取近3 年最高水位1.98 m，則水位到煤層與煤層交點處的水頭高度H1=1.98?(?566)=567.98 m，123上01(南)工作面近F8 斷層開采，受采動影響可能會造成斷層活化使奧灰水沿斷層面上升，因此，需留設足夠的斷層防隔水煤巖柱，確保工作面安全回采。將F8 斷層按照導水考慮，則防隔水煤巖柱的留設需要考慮2 個方向的壓力，如圖2所示。

圖2 煤層位于含水層上方且斷層導水時防隔水煤(巖)柱留設Fig.2 Design of waterproof coal (rock) pillars when the coal seam is located above the aquifer and the fault conducts water

(1) 按照《煤礦防治水細則》附錄六第四條中規(guī)定，當考慮斷層水在順層方向上的壓力時，按照附錄六之二計算煤巖柱寬度。由《煤礦防治水細則》附錄六之二附6-3 公式，可得煤巖柱留設的寬度L：

3上煤底板處的奧灰水壓p1：

式中：K為安全系數(shù)，K=5；M為煤層厚度或采高，M=1.7 m；Kp為煤的抗拉強度，Kp=0.5 MPa；H1為煤層底板處的水頭高度。

(2) 考慮斷層導水對于煤層底部的壓力，根據(jù)《煤礦防治水細則》附錄六第四條附6-7 公式，可得防隔水煤巖柱寬度L：

其中，根據(jù)《煤礦防治水細則》附錄六第三條附6-6 公式，即不考慮地層真實產狀及斷面與煤層傾向的空間關系，得到的安全防隔水煤巖柱寬度Ha：

式中：α為斷層傾角，α=70°；p1為3上煤底板處的奧灰水壓，p1=5.68 MPa；Ts為突水系數(shù)，Ts=0.06 MPa/m。

2.2 改進的算法原理及公式

經分析發(fā)現(xiàn)，上述《煤礦防治水細則》附錄六第四條附6-7 公式的計算將煤層產狀理想化為水平，沒有考慮地層真實產狀及斷面與煤層傾向的空間關系。因此，如圖2 所示，水壓p1根據(jù)3上煤底板處的水頭高度H1取值計算的防隔水煤巖柱尺寸偏小，存在一定安全隱患。

由圖3、圖4 可知，正確的取值應該是根據(jù)水位到AO在斷層面垂足處的水頭高度H2換算水壓值，AO長度即為Ha值，并考慮地層產狀、斷層產狀及斷面方向計算Ha，獲得修正后的防隔水煤巖柱寬度Lx。

圖3 煤巖層關系三維展示Fig.3 Three-dimensional schematic diagram of the coal-rock relationship

圖4 斷層防隔水煤巖柱計算Fig.4 Schematic diagram of calculation of fault waterproof coal pillars

經過三角形幾何關系和三角函數(shù)推導可以得出水位到AO在斷層面垂足處的水頭高度H2：

根據(jù)煤巖層位置關系示意圖，利用三角函數(shù)和空間幾何推導計算得出煤層視傾角β：

修正后的安全防隔水煤巖柱的寬度Hx：

水位到AO在斷層面垂足處的水壓p2：

式中：ω為剖面方向與煤層傾向之間的夾角，ω=53°。

修正后的防隔水煤巖柱寬度：

根據(jù)式(8)、式(10)推導斷層防隔水煤巖柱計算公式如下：

通過計算結果對比發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)方法得到的防隔水煤巖柱寬度為112 m，采用修正過水頭高度H2，并考慮地層真實產狀及斷面與煤層傾向的空間關系的理論公式得到的防隔水煤巖柱寬度為128.5 m，因改進公式考慮了實際煤巖層產狀及與斷層面空間關系，且水壓取值位置準確，計算結果更為精確。因此，最終選取優(yōu)化后的理論公式計算值128.5 m 作為F8 斷層防隔水煤巖柱評價依據(jù)。優(yōu)化的計算方法與《煤礦防治水細則》相比，計算參數(shù)選取及計算結果相對保守，同時工作面布置時考慮了本次計算結果，與F8 斷層的最小間距為142 m，大于128.5 m，可以確保工作面安全回采。

3 結 論

a.通過考慮煤巖層真實產狀及斷層面與煤層產狀的空間關系，對《煤礦防治水細則》中斷層導水條件下考慮底板承壓水威脅的防隔水煤巖柱寬度計算方式進行改進，推導出水位到AO在斷層面垂足的水頭高度計算公式及改進后的斷層防隔水煤巖柱尺寸計算公式。

b.《煤礦防治水細則》原有計算公式將煤巖層理想化為水平巖層，且取偏小的煤層底板水壓值計算F8 斷層煤巖柱尺寸為112 m，改進后的公式計算結果為128.5 m，因改進公式考慮了實際煤巖層產狀及與斷層面空間關系，且水壓取值位置準確，計算結果更為精確，為礦井安全回采提供了更為科學的參考依據(jù)。