蔣莊煤礦斷層附近煤層開采防水煤柱留設(shè)分析＊

姜 敏，張洪寶，陳飛舟，任 耀，龐長寶

（1.山東科技大學(xué)測繪科學(xué)與工程學(xué)院， 山東青島市 266510；2.山東魯能菏澤煤電公司郭屯煤礦， 山東菏澤市 274000；3.山東魯能菏澤煤電公司彭莊煤礦， 山東菏澤市274000；4.河南理工大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院， 河南焦作市 454003）

蔣莊煤礦斷層附近煤層開采防水煤柱留設(shè)分析＊

姜 敏1，張洪寶2，陳飛舟3，任 耀4，龐長寶1

（1.山東科技大學(xué)測繪科學(xué)與工程學(xué)院， 山東青島市 266510；2.山東魯能菏澤煤電公司郭屯煤礦， 山東菏澤市 274000；3.山東魯能菏澤煤電公司彭莊煤礦， 山東菏澤市274000；4.河南理工大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院， 河南焦作市 454003）

針對煤礦開采中因斷層活化造成工作面突水的問題，根據(jù)蔣莊煤礦已有的水文地質(zhì)資料，分析了3上煤層開采時(shí)，斷層帶以及上部土層的變形與破壞情況，并運(yùn)用FLAC建立平面應(yīng)變模型，模擬了留設(shè)不同斷層寬度煤柱時(shí)斷層受水威協(xié)的程度。通過分析得出總結(jié)：蔣莊煤礦臨近斷層開采時(shí)，斷層落差小于40m時(shí)留設(shè)20m防水煤柱，落差大于40m時(shí)留設(shè)30m防水煤柱是可靠的。

斷層；防水煤柱；數(shù)值模擬

斷層是巖體中的軟結(jié)構(gòu)面，煤礦開采引起的擾動(dòng)，使巖體內(nèi)部狀態(tài)發(fā)生改變，引起斷層內(nèi)部產(chǎn)生裂隙或使已有的裂縫活化。當(dāng)采掘直接揭露導(dǎo)水?dāng)鄬訒r(shí)，會(huì)形成突水通道，產(chǎn)生突水；而充填膠結(jié)好、閉合的不導(dǎo)水?dāng)鄬樱瑒t在礦山壓力，采動(dòng)破壞，固流耦合的作用下，斷層的導(dǎo)水性增加，從而形成突水通道，引起突水。為了防止含水層通過斷層導(dǎo)入礦井中，造成工作面突水等安全事故，留設(shè)尺寸合理的斷層煤柱就顯得十分重要。本文研究了斷層對采動(dòng)巖體破壞的影響，并通過FLAC軟件對蔣莊煤礦小宋樓斷層進(jìn)行模擬，證明留設(shè)20m斷層煤柱是合理的。

1 采區(qū)斷層情況

蔣莊井田位于滕南煤田的中部。井田內(nèi)廣為第四系覆蓋，沒有基巖露頭。井田內(nèi)斷層多，含煤地層沿走向、傾向產(chǎn)狀均有變化，總體構(gòu)造線展布為NNE向，形成一斷裂構(gòu)造發(fā)育，以地塹、地壘為主要特點(diǎn)的寬緩褶皺區(qū)。井下揭露斷層落差小于10m的非常多，斷層落差大于20m的斷層36條，落差10～20m的斷層16條，落差5m以下的小斷層最發(fā)育，有280余條。

2 斷層防水煤柱的寬度計(jì)算

2.1 防水煤柱計(jì)算公式

根據(jù)《煤礦防治水規(guī)定》和《礦井水文地質(zhì)規(guī)程》，斷層防水煤柱分為以下2種類型。

（1）回采工作面與強(qiáng)含水層、導(dǎo)水?dāng)鄬踊驈?qiáng)含水層對接（如圖1所示）。煤柱寬度計(jì)算公式為：

式中：L——煤柱留設(shè)的寬度，m；

K——安全系數(shù)，一般取2～5；

M——煤層厚度或采高，m；

P——水頭壓力，MPa；

Kp——煤的抗張強(qiáng)度，MPa。

圖1 煤層與強(qiáng)含水層接觸

（2）煤層位于含水層上方，從煤層底部隔水層能否承受下部含水層壓力、含水層到采空區(qū)的最短距離兩個(gè)方面來考慮（如圖2所示）。煤柱寬度計(jì)算公式為：

2.2 防水煤柱寬計(jì)算值

由井田勘探地質(zhì)報(bào)告可知，3上煤層開采上限深度為150.54m，－150m深度的水壓值約為1.5 MPa；煤層抗拉強(qiáng)度由表查詢得：0.18MPa，在安全系數(shù)取2，3，4，5時(shí)，計(jì)算得出斷層防水煤柱寬度分別為17，25.5，34，43m。

圖2 煤層位于含水層上方

3 小宋樓斷層煤柱的模擬分析

3.1 小宋樓斷層位置及產(chǎn)狀

為了比較精確地研究斷層下預(yù)留斷層煤柱的寬度，選擇有代表性的小宋樓斷層，小宋樓斷層的具體位置如圖3所示；傾角、走向等信息見表1；鉆孔剖面圖見圖4；小宋樓斷層剖面巖土層的力學(xué)參數(shù)如表2所示。

圖3 小宋樓斷層位置

表1 小宋樓斷層情況

3.2 FLAC數(shù)值模擬結(jié)果

取過小宋樓斷層剖面為原型，建立814m×350 m的模型。將研究區(qū)內(nèi)力學(xué)性質(zhì)相近的巖層歸并為一組，共劃分為18層組進(jìn)行模擬計(jì)算。模擬結(jié)果如圖5所示。

圖4 鉆孔剖面

表2 小宋樓斷層剖面巖土層的力學(xué)參數(shù)

數(shù)值模擬表明，在3上煤開采時(shí)，留設(shè)20m斷層煤柱，斷層沒有明顯的活動(dòng)；留設(shè)15m斷層煤柱時(shí)，斷層開始活動(dòng)；留設(shè)10m斷層煤柱時(shí)，整個(gè)斷層帶出現(xiàn)活動(dòng)，塑性區(qū)大量增加。由此看出，隨著留設(shè)斷層煤柱寬度減小，斷層的活動(dòng)性增強(qiáng)，出現(xiàn)導(dǎo)水的可能性。與理論計(jì)算值相比較，小宋樓斷層處留設(shè)20m斷層煤柱是合理的。

3.3 劉仙莊斷層分析

取井田內(nèi)落差最大斷層劉仙莊斷層進(jìn)行斷層煤柱留設(shè)模擬分析，數(shù)值模擬結(jié)果顯示：在3上煤開采時(shí)，留設(shè)30m斷層煤柱時(shí)，對斷層活動(dòng)沒有影響；當(dāng)留設(shè)25m斷層煤柱時(shí)，斷層開始活動(dòng)；隨著留設(shè)斷層煤柱寬度的減小，斷層的活動(dòng)性增強(qiáng)，開采至15m時(shí)，整個(gè)斷層帶出現(xiàn)活動(dòng)，塑性區(qū)大量增加，出現(xiàn)導(dǎo)水的可能性。因此劉仙莊斷層處留設(shè)30m斷層煤柱是合理的。

圖5 留設(shè)不同寬度煤柱的數(shù)值模擬結(jié)果

4 結(jié) 論

（1）煤層開采使斷層帶產(chǎn)生剪拉應(yīng)力，上部粘土層出現(xiàn)剪切塑性區(qū)，但未發(fā)生拉張破壞，不會(huì)引起斷層帶導(dǎo)通上部松散含水層。

（2）斷層下盤煤層采動(dòng)的影響要大于上盤，且上、下盤煤層的開采順序?qū)鄬拥幕罨幸欢ǖ挠绊憽闇p少采動(dòng)對斷層活化的影響，建議先開采斷層上盤煤層，再開采斷層下盤煤層。

（3）斷層造成的基巖面不均勻變形，由于覆蓋的黏土層的存在而逐漸緩和，在基巖面以上10m左右不均勻變形基本緩和。因此，為確保安全，本礦開采時(shí)，對于落差大于40m的斷層兩側(cè)均留設(shè)30 m的斷層保護(hù)煤柱，對落差小于40m的斷層均留設(shè)20m斷層保護(hù)煤柱，這樣斷層的變形就不會(huì)引起突然性水砂潰入礦井現(xiàn)象，但是對變形突變部位應(yīng)加強(qiáng)分析與監(jiān)測。

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山東科技大學(xué)研究生創(chuàng)新基金（YCA110311）.

2011－11－29）

姜 敏（1987－），女，河南洛陽人，在讀碩士研究生，主要從事開采沉陷方面的研究。