經(jīng)坊煤業(yè)3#、15#煤層防隔水煤柱設(shè)計研究

畢 煥

(山西省長治經(jīng)坊煤業(yè)有限公司， 山西 長治 047100)

1 前言

經(jīng)坊煤業(yè)位于山西省長治縣城西，行政區(qū)劃屬于長治縣韓店鎮(zhèn)管轄。井田為一不規(guī)則多邊形，東西長8.3km，南北寬7.5km，面積30.742 2km2。

井田受區(qū)域構(gòu)造帶的控制，總體上為一單斜構(gòu)造，地下水順層徑流，向北東排出井田外。井田內(nèi)斷裂構(gòu)造較為發(fā)育，斷層附近巖層多有破碎，增加了各含水層之間的水力聯(lián)系。東部邊界采區(qū)遇到的韓店正斷層，涌水量較大，溝通了上、下含水層直接的聯(lián)系。在井田西部邊界附近底板標(biāo)高低于奧灰水水位標(biāo)高，存在奧灰水沿斷層破碎帶涌入礦井的可能性。根據(jù)物探成果，蘇店斷層及部分其他小斷層或少數(shù)陷落柱呈低阻異常帶，說明區(qū)域內(nèi)蘇店斷層及部分其他小斷層或少數(shù)陷落柱本身或附近具導(dǎo)水性。井田補(bǔ)1號水文孔對蘇店正斷層破碎帶進(jìn)行了抽水試驗，鉆孔單位涌水量為0.105 5L/(s·m)，屬中等富水含水層。根據(jù)蘇店正斷層破碎帶水質(zhì)分析，其水質(zhì)類型為HCO3·SO4- Ca，具有奧灰水特性，說明蘇店正斷層已經(jīng)導(dǎo)通奧灰水，即蘇店正斷層屬導(dǎo)水?dāng)鄬印Ｔ诿旱V開采過程中應(yīng)密切注意斷層帶、陷落柱的導(dǎo)水性，同時加強(qiáng)隱伏構(gòu)造的探測工作，做好礦井防治水工作。

該礦為煤系地層隱伏區(qū)，第四系覆蓋層較厚，井田東部接近隱伏煤層露頭地段，煤層埋深也在200m以上，井田附近沒有小窯開采，長治縣雄山煤業(yè)有限公司第五礦位于本礦西南部，在本礦界附近尚未開采，目前對本礦的采掘工作暫不存在水害威脅，但將來開采布置工作面的過程中，該處存在的黎嶺正斷層將是潛在的導(dǎo)水通道，容易溝通采空區(qū)積水，引發(fā)透水事故；西南呈煤礦位于本礦西部，為一新建礦井，批準(zhǔn)開采3、9、14、15號煤層，現(xiàn)開采3號煤層，井田范圍內(nèi)有3處采空區(qū)，采空區(qū)內(nèi)均無積水，目前對本礦井不會構(gòu)成威脅。

井田幾乎全部被第四系地層所覆蓋，零星出露二疊系上石盒子組地層。奧陶系巖溶水自西南向東北流過本區(qū)，最終在辛安泉排泄，井田內(nèi)奧灰水位標(biāo)高648～653m。礦井涌水量最大值為2009年12月的242.8m3/h，最小值為2008年8月的1.66m3/h。經(jīng)坊礦現(xiàn)階段開采3號煤層，其他煤層尚未開采，采空區(qū)積水主要集中分布在一、二、三、四、五、六、七采區(qū)。

3號煤層厚3.27～7.95m，平均約6.02m，厚度大，穩(wěn)定性好，含硫量低，沉積環(huán)境可能是三角洲大平原上的淡水泥炭沼澤沉積，3號煤層頂板為灰黑色泥巖及砂質(zhì)泥巖，以富含植物化石為特點，屬湖泊相沉積。

3號煤層頂板巖性為灰白色中- 細(xì)粒砂巖，向上粒度變細(xì)，層面上富含白云母及植物葉部化石。

3號煤層頂板砂巖至K8砂巖底，厚36.13m，主要為泥巖、砂質(zhì)泥巖互層，夾有細(xì)粒砂巖及粉砂巖段，可見小型斜層理，含植物碎片化石。

15號煤層，厚約1.02～5.19m，平均3.96m，煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含0～4層泥巖及炭質(zhì)泥巖夾矸，含硫量高。據(jù)地質(zhì)資料，本煤層向北分叉為2～3層，呈分煤層出現(xiàn)，本煤層為強(qiáng)還原條件中的泥炭沼澤沉積。

15號煤頂至14號煤層底之間巖性：上部以灰黑色泥巖為主，含植物化石及黃鐵礦結(jié)核，中、下部以泥灰?guī)r為主。

2 斷層帶防隔水煤柱寬度的計算與留設(shè)

根據(jù)目前掌握的資料，礦井內(nèi)斷層具導(dǎo)水性。隨著采深的增加，在帶壓區(qū)開采3#、15#煤時，隨著水壓力的增大以及采空區(qū)的擴(kuò)大，預(yù)計斷層、陷落柱導(dǎo)水性的幾率將會增加，因此礦井水患的防治應(yīng)將重點集中在斷層和陷落柱部位。

2.1 斷裂上升盤防隔水煤柱的留設(shè)

(1)在斷裂的上升盤區(qū)，防隔水煤柱的寬度不僅要考慮斷層水順煤層方向的壓力，還必須考慮采動裂隙帶與導(dǎo)水?dāng)鄬又g隔水巖柱的厚度，防隔水煤柱可按圖1a留設(shè)，其計算公式為

L=L1+L2+L3=H安cseθ+H裂ctgθ+H裂ctgδ

(1)

式中：L——防隔水煤柱寬度，m，

L1、L2、L3——分段寬度，m；

H裂——最大導(dǎo)水裂隙帶高度，m；

θ——斷層傾角，(°)；

δ——巖層塌陷角，(°)；

H安——導(dǎo)水裂隙帶至含水層間防隔水巖柱的厚度，m。

H安值應(yīng)根據(jù)礦井實際觀測資料來確定，受資料條件所限，本次報告編制采用公式計算為

(2)

式中：P——防隔水煤柱所承受的靜水壓力，MPa；

Ts——突水系數(shù)，MPa/m；

10——保護(hù)帶厚度，一般取10m。

由前面計算3#、15#煤層導(dǎo)水裂縫帶最大高度分別為117.07m和126.53。塌陷角采用走向移動角δ，巖移觀測資料δ為80°(采用潞安五陽礦7305觀測站數(shù)據(jù))。3#、15#煤層斷層上升盤防隔水煤柱留設(shè)計見表1、表2。

(2) 承壓水由斷層或斷層側(cè)的強(qiáng)含水層直接突破煤層而進(jìn)入采區(qū)，其防治的辦法是緊靠斷層帶沿煤層這一側(cè)留設(shè)防隔水煤柱，如圖1b所示，其計算公式為

表1 3#煤層上升盤保安煤柱L留設(shè)計算表

表2 15#煤層上升盤保安煤柱L留設(shè)計算表

(3)

式中：L——煤柱留設(shè)的寬度，m；

M——煤層厚度或采高，m；

Kp——煤層抗拉強(qiáng)度，MPa；

P——作用于煤柱的水頭壓力，MPa；

K—— 安全系數(shù)，一般取2～5。

煤層厚度參照鄰近鉆孔；由于對斷層的位置、充填情況、兩側(cè)有無導(dǎo)水裂隙帶等情況清楚，本次計算安全系數(shù)取4。

煤的抗拉強(qiáng)度(Kp)測試成果：太原東山煤礦Kp為0.061MPa，西山白家莊礦為0.187MPa。本礦無這方面的數(shù)據(jù)，在進(jìn)行分析對比后本次評價報告選用西山白家莊礦測試資料進(jìn)行計算，煤柱留設(shè)計算結(jié)果見表3、表4。

表3 3#煤斷層上升盤防隔水煤柱L計算表

表4 15#煤層斷層上升盤防隔水煤柱L巖計算表

對比兩項計算數(shù)據(jù)，取較大值作為留設(shè)煤(巖)柱值，見表5。

2.2 斷裂下降盤防隔水煤柱的留設(shè)

在斷裂的下降盤區(qū)，防隔水煤柱的留設(shè)主要考慮兩個方向上的壓力，一是煤層底部隔水層能否抗住下部含水層水的壓力；二是斷層水在順煤層方向上的壓力。

表5 斷裂上升盤防隔水煤巖柱留設(shè)

當(dāng)考慮底部壓力時，應(yīng)使煤層底板到斷層之間的最小距離(垂距)H安大于安全煤柱的高度(L)的計算值，并不得小于20m，具體模型如圖2所示。計算公式為[1]

(4)

式中：α——斷層傾角，(°)。

具體計算結(jié)果見表6、表7。根據(jù)本區(qū)奧灰?guī)r溶水水文地質(zhì)條件及其富水性， 3#煤計算斷層上盤最小值70m留設(shè)， 下盤最小值20m留設(shè)；15#煤按計算斷層上盤最小值95m留設(shè)，下盤最小值30m留設(shè)。

圖2 斷層下降盤防隔水煤柱留設(shè)計算模型

表6 3#煤層斷層下降盤防隔水煤柱L的留設(shè)計算表

表7 15#煤層斷層下降盤防隔水煤柱L的留設(shè)計算表

3 陷落柱防隔水煤(巖)柱的留設(shè)

據(jù)采掘巷道揭露及三維地震資料，井田內(nèi) 3#煤層共發(fā)現(xiàn)大小不等的陷落柱30個，導(dǎo)水性差。根據(jù)本礦開采經(jīng)驗，陷落柱大多數(shù)不含水也不導(dǎo)水，但是也不能忽視陷落柱突水的可能。故陷落柱防隔水煤柱留設(shè)建議如下：

(1) 在帶壓開采相對安全區(qū)域，陷落柱建議采用井下物探或探水鉆進(jìn)行探查研究的基礎(chǔ)上，對于隔水性能好的陷落柱，可以不留設(shè)煤柱直接回采；對于隔水性能較差有突水危險的陷落柱，在進(jìn)行注漿加固后進(jìn)行回采[2]。

位于采區(qū)邊界斷層附近的陷落柱，應(yīng)在查明其含水和導(dǎo)水性的基礎(chǔ)上結(jié)合斷層煤柱綜合考慮留設(shè)煤柱。

(2) 在帶壓開采突水危險區(qū)，應(yīng)在探查的基礎(chǔ)上，進(jìn)行注漿加固或留設(shè)煤柱后方可開采，不宜直接開采。

4 結(jié)論

通過研究得出，3#煤斷層上盤煤柱留設(shè)最小值70m， 下盤最小值20m留設(shè)；15#煤按計算斷層上盤最小值95m留設(shè)，下盤最小值30m留設(shè)。對于隔水性能好的陷落柱，可以不留設(shè)煤柱直接回采；對于隔水性能較差有突水危險的陷落柱，在進(jìn)行注漿加固后進(jìn)行回采。

在帶壓開采突水危險區(qū)，應(yīng)在探查的基礎(chǔ)上，進(jìn)行注漿加固或留設(shè)煤柱后方可開采，不宜直接開采。