斜溝礦井下斷層防水煤柱設置寬度的優化研究

田淵輝

(山西西山晉興能源有限責任公司斜溝煤礦，山西 呂梁 033602)

引 言

山西西山晉興能源有限責任公司斜溝煤礦31024綜采作業面在綜采面南側的邊界斷層線，總長度約為10.9 km，傾角約為45°～75°。該斷層內多由泥巖和砂巖構成，結構穩定性差，在綜采作業時受綜采作業時的振動、沖擊的影響極易導致在斷層區域的巖體結構碎裂，而該處又緊鄰著地層的含水區域，因此有極大的導水的概率[1]。

傳統井下防水煤柱設置寬度計算方案僅考慮井下地質條件穩定時的影響，但斜溝礦井下由于存在著一個巨大的邊界斷層線，其與綜采面過渡區域存在著大量的碎石帶和裂隙，地質條件脆弱，易在礦壓作用下產生塌方，加大導水概率，所以僅按傳統的防水煤柱設置寬度條件進行考慮，無法滿足井下安全防水的要求。因此本文在前人研究的基礎上，結合斜溝礦井下實際地質條件，提出了一種新的適應于井下出現斷層時的防水煤柱寬度計算方法，極大提升了井下綜采作業的安全性，降低了出現透水事故的概率，按該方案設置的防水煤柱在斜溝礦經過近一年的應用，表現出了極高的穩定性，未再出現透水現象。

1 斜溝礦地質結構及理論防水煤柱寬度距離

31024綜采作業面處在第二采區內，其地面的標高為42.3 m～47.6 m，井下綜采作業面的標高為-876.6 m～-921.8 m，井下煤層的最大厚度約為4.6 m，最薄處的厚度約為3.1 m，煤層厚度分布較為均勻，整體呈現較為寬緩的微傾斜狀，煤層的傾角約2.4°，井下綜采面的地質結構總體上較為簡單，但在井下開切眼處存在著一個約350 m落差的斷層，其地質結構如圖1所示。

圖1 斜溝礦31024綜采作業面斷層位置示意圖

該綜采面屬于極小傾角煤層，且其位于井下大斷層的上側，屬于煤礦的邊界區域，其煤層位于井下含水區域的上側，此時應主要考慮煤層的下側的隔水層的隔水能力能否承受來自下側的水壓，因此防水煤柱的設置寬度L可依據《煤礦防治水規定》附錄三的公式計算[2]，見式(1)、式(2)：

(1)

Ha=TsP+10

(2)

式中：Ha為井下斷層防水煤柱的寬度，m；P為表示煤礦井下的奧灰水頭的壓力，實際測量結果為7.8 MPa；Ts為表井下含水層突破時的臨界突水系數，該綜采面取0.05 MPa/m；α為井下斷層的傾角，(°)。

由上式可得，防水煤柱的設置寬度和井下斷層的傾角關系密切，傾角越小防水煤柱之間的寬度越大，因此當斷層傾角為45°時，該綜采面上具有最大的防水煤柱寬度，約為220.7 m，根據井下斷層分布，其最小的防水煤柱設置寬度約為137.2 m，因此斜溝礦井下防水煤柱的理論平均寬度距離設置為176 m。

影響防水煤柱設置寬度的因素很多，針對斜溝礦井下斷層的實際地質條件，其斷層內多由泥巖和砂巖構成，泥巖的平均厚度約為4.3 m，砂巖的平均厚度約為2.6 m，地層結構穩定性差。該斷層與井下含水區域相同，導水性好，在礦壓波動作用下塌陷形成斷層破碎帶會更進一步加劇綜采過程中導水的概率，而在塌陷時應力傳遞形成的煤巖屈服應帶會產生大量的裂隙，對井下防水也會產生較大的影響。

2 斷層破碎帶寬度對防水煤柱設置的影響

根據分析，煤礦井下斷層破碎帶的寬度越大，防水煤柱的臨界寬度會相應增加，煤礦井下的斷層破碎帶能夠有效阻止綜采作業過程中巷道圍巖的應力沖擊，可以起到阻止因井下爆破和綜采振動而導致的二次應力的傳播，因此井下斷層的破碎帶越大，圍巖最大應力集中的范圍就越廣，并逐漸向著井下圍巖斷層的周圍擴大，最終使圍巖斷層區域和綜采區域的巖壁相互之間的剪切錯動加劇，加大了巷道底板破碎面的面積，使該區域形成了有利于突水的通道，無法起到有效的放水作用，因此在設置防水煤柱的寬度時，需要將斷層碎石帶的寬度考慮進去。

根據斜溝礦井下綜采面與大深度斷層之間的地質特性，建立了工程地質模型，用于充分分析井下斷層帶的寬度和綜采深度對防水穩定性的影響，其地質工程結構模型如圖2所示。

圖2 斜溝礦井下地質工程結構模型

對該地質工程結構模型進行分析，受力情況下的斷層破碎帶的寬度可表示為式(3)[3]：

Wb=λh

(3)

式中：Wb為斷層破碎帶的寬度，m；λ為井下碎石帶的巖層堅硬系數，取1.12；h為井下斷層的落差，取520 m；因此可計算出在該地質特性下的斷層碎石帶的寬度Wb=λh=1.12×520=47.7 m

3 斷層屈服影響帶寬度對防水煤柱寬度的影響

煤礦井下的斷層屈服影響帶主要位于綜采面的采空區一側，如圖3所示，該處由于在綜采作業時振動沖擊和頂板礦壓作用下產生了大量的裂縫，因此對于含水層來說，該位置極易出現涌水，無法起到阻水的作用，根據A.H威爾遜的研究結果，可將煤礦井下斷層屈服影響帶的寬度表示為式(4)[4]：

Lb=0.005MH

(4)

式中：M為井下綜采面的煤層開采厚度，m；H為煤層的開采深度，m。

根據斜溝礦31024綜采面的實際情況，其煤層開采平均厚度約為3.4 m，煤層的開采深度約為891 m，因此其井下礦壓屈服強度影響作用下底板破斷范圍的增加值Lb=0.005MH=0.005×3.4×891=15.15 m。

圖3 井下斷層放水煤柱分帶關系圖

4 斜溝礦井下斷層防水煤柱寬度的確定

根據以上分析，在對斜溝礦井下斷層放水煤柱的寬度進行計算時，無論是在井下斷層的水平方向上還是在井下斷層的垂直方向上，都需要綜合考慮井下斷層破碎帶的寬度和斷層屈服影響帶寬度對井下防水性能的影響。而斜溝礦的井下防水煤柱的寬度和井下斷層破碎帶、斷層屈服影響帶延展的方向一致，在井下實際綜采振動和礦壓作用下極易使以上區域的裂隙迅速擴張，進一步加大導水的概率。所以要使斜溝礦井下的放水煤柱起到應有的放水效果，就應該在井下理論煤柱寬度的基礎上增加與之相鄰的斷層碎石帶寬度和屈服影響帶的寬度，即176+47.7+15.15=238.85 m。

5 結論

針對斜溝礦防水煤柱距離近，影響井下綜采作業效率和綜采作業經濟性的問題，本文根據井下實際地質條件，通過對井下斷層斷裂區域破斷范圍的分析，提出了利用井下底板破斷區域進行分段承壓的方案，利用壓實的巖層承擔部分防水煤柱的作用，經過在斜溝礦井下的實際應用表明：

1) 在復雜地質條件下進行防水煤柱寬度計算時，應結合實際的地質條件，充分考慮斷層破碎帶寬度和斷層屈服影響帶寬度對井下防水的影響，提高計算的準確性。

2) 煤礦井下斷層破碎帶的寬度越大，防水煤柱的臨界寬度會相應的增加。

3) 斜溝礦防水煤柱設置寬度由最初的176 m提升到了目前的238.85 m，經過斜溝礦近一年的應用，未出現井下導水、涌水事故，表現出了極高的穩定性。