煤峪口礦斷層防水煤柱留設研究

（同煤集團煤峪口礦地測科，山西 大同 037001）

煤峪口礦410盤區的81022工作面位于11、12號合并層斷層上覆，底板巖層主要是細砂巖，煤層厚度7.6～8.4m，平均厚度8.0 m。斷層是一個大型的正斷層，落差較大、距離較長，斷層破損帶比較緊密，斷層中含有風化的裂隙水和層狀的裂隙水，且導水性較弱，而在礦口向斜軸部的導水性會變大，當煤層被沖刷后，導致煤層與中、細砂巖直接接觸，使斷層的隔水性能降低，影響開采的安全性。因此，為了更好地解決斷層突水問題，一般采用留設煤柱的方法[1]，但如果不能對防水煤柱的寬度進行控制，不僅會浪費資源，而且會給后期的回采帶來很多危險，影響生產的持續。

1 斷層特性及導水性分析

在對410盤區81022工作面進行開采時，頂板出現了裂隙，有大量的斷層面，會大大增加頂板的破碎程度，累計斷層約有27條，斷層的落差在0.1～4.0m，其中斷層大于1.0m的約有10條，涉及到的工作面大約有350 m[2]。

在對410盤區81022工作面的斷層導水性進行判斷時，采用鉆探技術來驗證，根據鉆孔試驗，結果表明，在斷層帶內有一些泥巖，且導水層的導水性能較弱，在鉆孔經過斷層后，為大同組偽頂灰、黑色泥巖、粉砂巖，含少量的水，在進行鉆孔284 m后，出現少量的水，沿著鉆孔的方向繼續對斷層進行巷探，發現斷層含有粗粒砂巖和礫巖，粘結性比較差，且有較高的孔隙度，有一定的滲水性，所以斷層含有弱導水性。通過對開采工作面斷層的鉆探和巷探驗證，可知斷層有一定的導水性，且正斷層是帶狀分布，有一定的透水性，容易形成導水通道。因此，認為81022工作面有含水且容易導水的斷層，會影響工作面的正常回采工作。

2 防水煤柱留設計算

根據煤礦的采動效應，如果先進行上盤開采，則對斷層的影響較小，對下盤的煤柱留設影響也就幾乎沒有，上盤的開采煤柱留設寬度通常是15m，相對穩定，因此對下盤的開采煤柱留設寬度進行研究。

由于410盤區81022工作面的斷層較多，且斷層的導水性較弱。因此，在對防水煤柱留設寬度進行計算時，要盡可能使導水層到底板與斷層面交點的距離最小，分別采用簡支梁模型和底板突水模型對防水煤柱留設寬度進行分析。

2.1 簡支梁模型

根據材料力學，將煤柱簡化成一彈性簡支梁[3]，其模型見圖1，設簡支梁的厚度為L，跨度為M，煤柱寬度為L0，不計簡支梁自身的重力，梁的兩端分別給予不同的約束，在頂端進行單向約束，在底部進行雙向約束，且梁上有垂直的均勻載荷，也就是靜水壓力P，存在一定的抗拉強度Kp，得到簡支梁的厚度為

為了確保開采的安全，給簡支梁模型添加安全系數作為防水煤柱留設寬度，且安全系數一般取2～5，則斷層煤柱留設寬度為：

圖1 簡支梁模型

2.2 底板突水模型

采場底板突水模型見圖2[4]，設煤壁與斷層面之間的距離為a，斷層傾角為α，高峰應力線傳播角為θ，α與θ的交點為A，交點A到煤層底部的深度為z，得到

圖2 底板突水模型

沿θ傾向方向，支承壓力從峰值轉變為原始應力，煤層底板也相應從壓縮轉變為原始巖石，底板在受到支承壓力的壓縮后，會出現破損而向下移動，使支承壓力從峰值向更深的地方移動，與煤壁的距離越來越遠，高峰應力線也隨之向下移動，而底板在沒有受支承壓力壓縮時，底板仍然保存得比較完整，因此在底板高峰應力線和巖層之間仍然有隔水能力。沿θ傾向相反的方向，也就是采空區的方向，支承壓力從峰值轉變為低應力，煤層底板也相應從壓縮轉變為膨脹，由于煤層底板被支承壓力壓破，導致底板的隔水能力變弱，從而變成了導水通道。

因此，如果底板的破壞深度h大于等于斷層交點到煤層底部的深度z，則會造成底板突水，如果底板的破壞深度h小于斷層交點到煤層底板的深度z，則底板不會突水。因此，采場斷層留設煤柱的寬度為

由上式可以看出，壓力對底板的破壞深度是隨著巖層傾角、開采深度、和工作面的長度增加而增加，隨堅固系數的增加而減少。

3 應用效果分析

81022工作面的煤層傾角在1°～4°左右，走向長730m，斷層累計27條，斷層破碎帶緊密，回采到284m，出現斷層，且有滲水現象，表明該斷層帶有導水特性，存在斷層突水的可能性。對81022工作面進行現場測量，采高1.6m，斷層傾角為70°，采高比為2，高峰應力線的傳播角為23°，底板的破壞深度為10m，取安全系數取最大5，煤層的跨度為7.6m，靜水壓力為0.4MPa，抗拉強度為0.98MPa。

通過計算在簡支梁模型下，煤柱的留設寬度為20.02m，留設寬度遠大于煤層厚度，這是由于簡支梁模型是理想狀態下的，且簡支梁模型下，煤柱留設寬度僅考慮了斷層導水性特性，對斷層本身的特性和底板破壞情況沒有考慮，因此采用底板突水模型，將上述參數帶入防水煤柱留設寬度公式中，計算得出煤柱留設寬度為13.33 m。

按照此煤柱留設寬度方案，對81022回采工作面的巷道變形量進行監測，見圖3，從圖中可以看出，當巷道變形量在距離工作面大約50m時，巷道變形量增加明顯，但相對的變化量很小，整體的變形量較小。

圖3 巷道變形量

對81022工作面的斷層留設煤柱寬度進行驗證，將斷層的留設煤柱寬度設為13.33m，可以看出，順槽周圍的巖體破壞程度和范圍都較小，且與斷層面的連通區域也較小。因此煤柱留設寬度13.33 m是合理的，截止目前，81022工作面已開采完畢，在開采的過程中，煤柱沒有發生大規模的破壞，巷道的變形量也較小。

4 結語

以煤峪口礦410盤區81022工作面的斷層為研究對象，根據其地質概況，具體分析工作面的斷層結構以及工作面的斷層導水特性，在此基礎上提出采用簡支梁模型和底板突水模型對防水煤柱的留設寬度進行計算，結果如下：

1）通過分析81022工作面的斷層結構和導水性，可知工作面的斷層、頂板的裂隙較多，嚴重影響礦井的正常回采，根據鉆探和巷探結果，驗證斷層含有弱導水性，且容易形成導水通道，而產生底板突水現象。

2）在底板突水模型中，采場底板受壓力影響，會有一定程度的破壞，破壞后的底板沒有隔水能力。

3）采用簡支梁模型和底板突水模型對防水煤柱留設寬度進行計算，根據81022工作面實際開采情況，由于簡支梁模型是在一種理想的情況下設定的。因此，采用底板突水模型，計算防水煤柱留設寬度為13.33m，通過實際試驗，可以看出順槽周圍的巖體破壞程度和范圍都比較小，且與斷層面連通的區域也比較小，因此煤柱留設寬度13.33 m是合理的。