岳建武
(山西晉中市左權縣石港煤業(yè)公司,山西 晉中 036700)
山西石港煤業(yè)有限責任公司(以下簡稱“石港煤業(yè)”) 屬華陽集團的控股子公司,位于左權縣城北13 km 處,行政區(qū)劃隸屬于左權縣寒王鄉(xiāng),石港煤業(yè)15212 工作面北為實煤體,東部為F14 斷層,已按規(guī)定留有保安煤柱,西為15 號煤層輔助運輸下山,南部為15213 回風順槽,對掘進巷道無影響。鄰近15213 備采工作面,按采掘計劃暫不進行開采,對相鄰工作面掘進巷道無影響。15212 工作面井上位于工業(yè)廣場以北,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,沒有其它建筑物。該工作面煤層為太原組下部,15 號煤層賦存穩(wěn)定,結構復雜,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,可導致頂板淋水增大,涌水量將大于正常涌水量。井下工作面煤層底板標高為+886—+922 m,本井田太灰等水位線標高為+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,錯斷層位在P 到O2之間,為確保工作面安全開采同時提高經(jīng)濟效益,對斷層防水煤柱合理留設寬度展開研究。
石港煤業(yè)15212 工作面全長1 100 m 左右,具體位置為南五采區(qū)東翼,切眼長度約135 m,工作面東側與F14 斷層相連,需留設斷層防水保護煤柱。根據(jù)礦井巷道揭露F14 斷層的相關資料表明,-360 m 水平南翼回風大巷G22 點前34 m 揭露F14斷層,斷層上盤巖性主要為泥巖,結構極為脆弱,局部存在反傾現(xiàn)象,下盤主要為粉砂巖,結構較為破碎,斷層帶斷面較光滑,斷層帶寬度在11.5 m左右,斷層帶內存在較多的角礫巖,直徑為0.05~0.1 m,掘進迎頭附近無淋水現(xiàn)象。
F14 斷層附近有較多中型斷層,且局部會存在裂隙、水文地質異常發(fā)育區(qū)的存在,為更加詳細的掌握其發(fā)育情況,需在井下巷道實施鉆探工程,以-360 m 南翼回風大巷里程830 m 處的FZ7 號鉆場為例,共布置1 號(孔深200 m)、2 號(孔深110 m)、3 號(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 鉆探結果示意Fig.1 Drilling results
1 號鉆孔鉆進38~40 m 期間揭露斷層破碎帶,在鉆進41.5~60 m 揭露15 號煤層,在鉆進195~197 m 時見灰?guī)r水,涌水量為3~5 m3/h;2 號鉆孔在鉆進34.5~41 m 期間揭露10 號煤層,在鉆進52.0~58.6 m 期間揭露斷層破碎帶,在鉆進107~109 m 期間出現(xiàn)灰?guī)r水,涌水量10~15 m3/h;3 號在鉆進29~30 m 期間揭露斷層破碎帶,出現(xiàn)部分斷層泥,無涌水。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°,斷層基本不導水。根據(jù)2 號鉆孔在單純破碎帶內進行抽水試驗,q=0.006 122 L/s·m,k=0.010 21 m/d,根據(jù)水化學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。
根據(jù)石港煤業(yè)巷探、物探等地質資料,確定F14 斷層屬于不導水斷層,結合作圖法建立F14 斷層防水煤柱寬度的理論計算模型。由于斷層不導水,僅需考慮回采工作面一側下方的含水層,設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作為圓心,以Ha為直徑進行畫圓,當圓形與工作面底板破壞帶存在交點時,所對應的Ha即為安全防水巖柱寬度,此時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理論計算公式為:
圖2 不導水斷層工作面防水煤柱計算模型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,由此計算得到安全防水巖柱寬度Ha=45.3 m,此時對應的防水煤柱寬度為28.5 m。
石港煤業(yè)15212 工作面位于F14 正斷層下盤,工作面開采期間是否會引起斷層活化需展開進一步研究。結合前文理論分析研究結果,借助數(shù)值模擬手段分別進行防水煤柱30 m、50 m 工況下15212工作面的開采模擬,對工作面開采期間上覆巖層及底板變形情況進行分析。
采用FLAC3D 軟件進行模擬計算,根據(jù)石港煤業(yè)15212 工作面相關地質資料,設定巷道各層圍巖的巖性及巖石力學參數(shù),見表1。模型為工作面傾向模型,采用空間直角坐標系,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 埋深時巷道上覆圍巖載荷,15 號煤層采厚6.8 m。
表1 工作面頂?shù)装鍘r層力學性質統(tǒng)計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
設計15212 工作面沿斷層走向方向布置,留設50 m 防水煤柱時,工作面由X=150 m 處開始采動,共推進60 m;留設30 m 煤柱時,由X=120 m 處開采采動,共推進80 m,模型計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?,采空區(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,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方向中線位置對稱分布;斷層間防水煤柱為30 m 時,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方向中線位置對稱分布。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際情形,斷層無活化現(xiàn)象,由此可說明,留設50 m、30 m 防水煤柱均是可行的。
當初進行石港煤業(yè)設計時,由于技術水平所限,設計F14 斷層防水煤柱留設寬度為100 m,在石港煤業(yè)建設及生產過程中,陸續(xù)對F14 斷層進行探測和研究,表明F14 斷層是弱富水和弱導水性的斷層。因此,結合上文理論計算和數(shù)值模擬結果,本著安全與經(jīng)濟的原則,在太灰水水位降至安全位置后,對F14 斷層15 號煤層防水煤柱進行重新設計,將煤柱寬度由原始的100 m 優(yōu)化設計為30 m,可多開采煤炭約45.5 萬t,經(jīng)濟效益顯著。
以石港煤業(yè)15212 綜采工作面開采為工程背景,進行F14 斷層防水煤柱留設寬度研究,結合礦井所處的實際水文地質條件,結合井下鉆探、調研等手段,對F14 斷層的位置、斷層帶等相關地質信息進行研究,綜合分析判斷F14 斷層屬于弱富水性和弱導水性斷層,建立斷層防水煤柱理論分析計算模型,理論計算得到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 斷層防水煤柱留設寬度應為30 m,目前工作面已安全回采完畢,取得較好經(jīng)濟社會效益。