岳建武

（山西晉中市左權(quán)縣石港煤業(yè)公司，山西 晉中 036700）

1 概 況

山西石港煤業(yè)有限責(zé)任公司（以下簡(jiǎn)稱“石港煤業(yè)”） 屬華陽(yáng)集團(tuán)的控股子公司，位于左權(quán)縣城北13 km 處，行政區(qū)劃隸屬于左權(quán)縣寒王鄉(xiāng)，石港煤業(yè)15212 工作面北為實(shí)煤體，東部為F14 斷層，已按規(guī)定留有保安煤柱，西為15 號(hào)煤層輔助運(yùn)輸下山，南部為15213 回風(fēng)順槽，對(duì)掘進(jìn)巷道無(wú)影響。鄰近15213 備采工作面，按采掘計(jì)劃暫不進(jìn)行開(kāi)采，對(duì)相鄰工作面掘進(jìn)巷道無(wú)影響。15212 工作面井上位于工業(yè)廣場(chǎng)以北，汾西瑞泰煤礦以南，娘娘廟以東，紅衛(wèi)村以西，工作面地表為荒地、荒坡，沒(méi)有其它建筑物。該工作面煤層為太原組下部，15 號(hào)煤層賦存穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，發(fā)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(jié)理發(fā)育。工作面煤層總厚6.5～7.2 m，平均厚度6.85 m。15 號(hào)煤層頂板砂巖含水層為主要充水水源，遇裂隙帶發(fā)育及錨索穿至砂巖含水層時(shí)，可導(dǎo)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(biāo)高為+886—+922 m，本井田太灰等水位線標(biāo)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(cuò)斷層位在P 到O2之間，為確保工作面安全開(kāi)采同時(shí)提高經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)斷層防水煤柱合理留設(shè)寬度展開(kāi)研究。

2 斷層探測(cè)及分析

石港煤業(yè)15212 工作面全長(zhǎng)1 100 m 左右，具體位置為南五采區(qū)東翼，切眼長(zhǎng)度約135 m，工作面東側(cè)與F14 斷層相連，需留設(shè)斷層防水保護(hù)煤柱。根據(jù)礦井巷道揭露F14 斷層的相關(guān)資料表明，-360 m 水平南翼回風(fēng)大巷G22 點(diǎn)前34 m 揭露F14斷層，斷層上盤巖性主要為泥巖，結(jié)構(gòu)極為脆弱，局部存在反傾現(xiàn)象，下盤主要為粉砂巖，結(jié)構(gòu)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(nèi)存在較多的角礫巖，直徑為0.05～0.1 m，掘進(jìn)迎頭附近無(wú)淋水現(xiàn)象。

F14 斷層附近有較多中型斷層，且局部會(huì)存在裂隙、水文地質(zhì)異常發(fā)育區(qū)的存在，為更加詳細(xì)的掌握其發(fā)育情況，需在井下巷道實(shí)施鉆探工程，以-360 m 南翼回風(fēng)大巷里程830 m 處的FZ7 號(hào)鉆場(chǎng)為例，共布置1 號(hào)（孔深200 m）、2 號(hào)（孔深110 m）、3 號(hào)（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(jié)果示意Fig.1 Drilling results

1 號(hào)鉆孔鉆進(jìn)38～40 m 期間揭露斷層破碎帶，在鉆進(jìn)41.5～60 m 揭露15 號(hào)煤層，在鉆進(jìn)195～197 m 時(shí)見(jiàn)灰?guī)r水，涌水量為3～5 m3/h；2 號(hào)鉆孔在鉆進(jìn)34.5～41 m 期間揭露10 號(hào)煤層，在鉆進(jìn)52.0～58.6 m 期間揭露斷層破碎帶，在鉆進(jìn)107～109 m 期間出現(xiàn)灰?guī)r水，涌水量10～15 m3/h；3 號(hào)在鉆進(jìn)29～30 m 期間揭露斷層破碎帶，出現(xiàn)部分?jǐn)鄬幽?，無(wú)涌水。根據(jù)鉆孔揭露情況分析可知，15212 工作面附近區(qū)域，F(xiàn)14 斷層落差約為19 m，傾角53°，斷層基本不導(dǎo)水。根據(jù)2 號(hào)鉆孔在單純破碎帶內(nèi)進(jìn)行抽水試驗(yàn)，q=0.006 122 L/s·m，k=0.010 21 m/d，根據(jù)水化學(xué)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(shè)綜合分析

根據(jù)石港煤業(yè)巷探、物探等地質(zhì)資料，確定F14 斷層屬于不導(dǎo)水?dāng)鄬?，結(jié)合作圖法建立F14 斷層防水煤柱寬度的理論計(jì)算模型。由于斷層不導(dǎo)水，僅需考慮回采工作面一側(cè)下方的含水層，設(shè)置防水煤柱防止承壓水由底板涌入工作面或采空區(qū)，將含水層與斷層的交點(diǎn)作為圓心，以Ha為直徑進(jìn)行畫(huà)圓，當(dāng)圓形與工作面底板破壞帶存在交點(diǎn)時(shí)，所對(duì)應(yīng)的Ha即為安全防水巖柱寬度，此時(shí)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(jì)算公式為：

圖2 不導(dǎo)水?dāng)鄬庸ぷ髅娣浪褐?jì)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(shù)，在斷層構(gòu)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(jì)算得到安全防水巖柱寬度Ha=45.3 m，此時(shí)對(duì)應(yīng)的防水煤柱寬度為28.5 m。

4 斷層帶內(nèi)承壓水水壓衰減特征及防水煤柱分析

石港煤業(yè)15212 工作面位于F14 正斷層下盤，工作面開(kāi)采期間是否會(huì)引起斷層活化需展開(kāi)進(jìn)一步研究。結(jié)合前文理論分析研究結(jié)果，借助數(shù)值模擬手段分別進(jìn)行防水煤柱30 m、50 m 工況下15212工作面的開(kāi)采模擬，對(duì)工作面開(kāi)采期間上覆巖層及底板變形情況進(jìn)行分析。

采用FLAC3D 軟件進(jìn)行模擬計(jì)算，根據(jù)石港煤業(yè)15212 工作面相關(guān)地質(zhì)資料，設(shè)定巷道各層圍巖的巖性及巖石力學(xué)參數(shù)，見(jiàn)表1。模型為工作面傾向模型，采用空間直角坐標(biāo)系，模型規(guī)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(shí)巷道上覆圍巖載荷，15 號(hào)煤層采厚6.8 m。

表1 工作面頂?shù)装鍘r層力學(xué)性質(zhì)統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of mechanical properties of roof and floor strata in working face

圖3 三維數(shù)值模型Fig.3 Three-dimensional numerical model

設(shè)計(jì)15212 工作面沿?cái)鄬幼呦蚍较虿贾?，留設(shè)50 m 防水煤柱時(shí)，工作面由X=150 m 處開(kāi)始采動(dòng)，共推進(jìn)60 m；留設(shè)30 m 煤柱時(shí)，由X=120 m 處開(kāi)采采動(dòng)，共推進(jìn)80 m，模型計(jì)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(dòng)后工作面頂?shù)装宕怪蔽灰艶ig.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(jìn)距離的增大，采空區(qū)范圍逐漸增大，頂?shù)装逍巫兎秶餐皆龃螅煽諈^(qū)頂板表現(xiàn)為中部下沉量最大，隨與采空區(qū)邊緣距離的減小而逐漸減小，底板表現(xiàn)為整體隆起。斷層間防水煤柱為50 m 時(shí)，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(jìn)方向中線位置對(duì)稱分布；斷層間防水煤柱為30 m 時(shí)，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(jìn)方向中線位置對(duì)稱分布。兩種條件下，斷層區(qū)域圍巖均為出現(xiàn)局部異常位移，總體變形情況符合實(shí)際情形，斷層無(wú)活化現(xiàn)象，由此可說(shuō)明，留設(shè)50 m、30 m 防水煤柱均是可行的。

5 經(jīng)濟(jì)效益分析

當(dāng)初進(jìn)行石港煤業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)，由于技術(shù)水平所限，設(shè)計(jì)F14 斷層防水煤柱留設(shè)寬度為100 m，在石港煤業(yè)建設(shè)及生產(chǎn)過(guò)程中，陸續(xù)對(duì)F14 斷層進(jìn)行探測(cè)和研究，表明F14 斷層是弱富水和弱導(dǎo)水性的斷層。因此，結(jié)合上文理論計(jì)算和數(shù)值模擬結(jié)果，本著安全與經(jīng)濟(jì)的原則，在太灰水水位降至安全位置后，對(duì)F14 斷層15 號(hào)煤層防水煤柱進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，將煤柱寬度由原始的100 m 優(yōu)化設(shè)計(jì)為30 m，可多開(kāi)采煤炭約45.5 萬(wàn)t，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

6 結(jié) 語(yǔ)

以石港煤業(yè)15212 綜采工作面開(kāi)采為工程背景，進(jìn)行F14 斷層防水煤柱留設(shè)寬度研究，結(jié)合礦井所處的實(shí)際水文地質(zhì)條件，結(jié)合井下鉆探、調(diào)研等手段，對(duì)F14 斷層的位置、斷層帶等相關(guān)地質(zhì)信息進(jìn)行研究，綜合分析判斷F14 斷層屬于弱富水性和弱導(dǎo)水性斷層，建立斷層防水煤柱理論分析計(jì)算模型，理論計(jì)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(shè)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(shè)寬度應(yīng)為30 m，目前工作面已安全回采完畢，取得較好經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益。