首陽煤業(yè)15202工作面斷層破碎帶底板突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)分析

薛江峰

（山西省煤炭工業(yè)廳煤炭資源地質(zhì)局，山西 太原030045）

1 概 況

山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)首陽煤業(yè)有限公司位于山西省高平市神農(nóng)鎮(zhèn)東沙院村，年產(chǎn)90萬t，屬沁水煤田。15202工作面井下工作面位于二采區(qū)東部，東部為尚未布置的15203工作面，西鄰為尚未布置的15201工作面，南與二采區(qū)輔助運(yùn)輸巷相接，北至井田可采邊界，邊界附近被小窯破壞。工作面開采15號(hào)煤層，煤層厚度為4.2～4.6 m，平均厚度為4.4 m，平均傾角8°，頂板巖層為泥巖和灰?guī)r，底板巖層為泥巖和細(xì)砂巖。根據(jù)礦井地質(zhì)資料可知，工作面煤層底板等高線高度為824.62～854 m，奧灰水等水位線最高值為865 m，工作面屬于帶壓開采。奧灰水含水層單位涌水量為0.002 2～0.005 6 L/s·m，滲透系數(shù)0.006 3～0.043 7 m/d，工作面回采過程中揭露F20斷層，斷層傾角為70°，落差為5 m。為防止工作面推進(jìn)通過斷層期間底板出現(xiàn)突水現(xiàn)象，進(jìn)行斷層破碎帶區(qū)域底板突水危險(xiǎn)性的評(píng)價(jià)分析。

2 斷層破碎帶底板突水機(jī)理

根據(jù)首陽煤業(yè)15202工作面具體情況，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立數(shù)值模型，模型長×寬×高=400 m×200 m×200 m，模型中設(shè)置工作面的傾斜長度為100 m，模型側(cè)邊作固定處理，頂部施加等效均布載荷12.6 MPa，模型底部固定位移，并在模型三灰層中施加水壓力，設(shè)置水壓力為4.2 MPa，具體建立數(shù)值模型如圖1所示。

圖1 數(shù)值模型Fig.1 Numerical model

在工作面回采距斷層90、60、30、0 m時(shí)分別進(jìn)行圍巖垂直應(yīng)力和孔隙水壓力的分析。

（1）圍巖垂直應(yīng)力。工作面在距斷層破碎帶不同距離下，圍巖垂直應(yīng)力分布如圖2所示。

圖2 工作面距斷層不同距離時(shí)垂直應(yīng)力分布云圖Fig.2 Cloud map of vertical stress distribution at different distances between working face and fault

分析圖2可知，隨著工作面回采作業(yè)的進(jìn)行，工作面與斷層破碎帶的距離逐漸減小，根據(jù)斷層破碎帶特征可知，斷層破碎帶內(nèi)的巖性較弱，在采動(dòng)影響下易出現(xiàn)塑性破壞，工作面回采距斷層不同距離時(shí)斷層破碎帶的最大垂直應(yīng)力分別為17.5、19.81、20.90、21.32 MPa。根據(jù)數(shù)值模擬，煤層底板的剪應(yīng)力集中區(qū)域主要位于工作面的前方，剪應(yīng)力集中的范圍包括工作面前方30 m的范圍內(nèi)，在該區(qū)域內(nèi)煤層垂直應(yīng)力與剪應(yīng)力為集中重合區(qū)域，當(dāng)工作面回采推進(jìn)距斷層30 m時(shí)，此時(shí)剪應(yīng)力集中區(qū)域已波及20 m以下的斷層破碎帶，此時(shí)采動(dòng)影響下斷層活化突水的風(fēng)險(xiǎn)會(huì)大幅增大。

（2）孔隙水壓力分析。工作面回采推進(jìn)距斷層破碎帶不同距離時(shí)，圍巖孔隙水壓力的分布如圖3所示。

分析圖3可知，隨著工作面回采作業(yè)的進(jìn)行，工作面底板的破壞深度會(huì)逐漸增大，同時(shí)底板承壓水的導(dǎo)升高度也會(huì)進(jìn)一步增大。

圖3 工作面距斷層不同距離時(shí)孔隙水壓力分布云圖Fig.3 Cloud map of pore water pressure distribution at different distances between working face and fault

根據(jù)地質(zhì)資料可知，F(xiàn)20斷層的落差為5 m，斷層破碎帶區(qū)域底板隔水層的厚度僅為52 m，存在著一定的突水危險(xiǎn)性。當(dāng)工作面回采推進(jìn)至斷層破碎帶區(qū)域時(shí)，工作面底板破碎帶的最大深度已與底板的承壓水間相導(dǎo)通，斷層破碎帶區(qū)域出現(xiàn)了大范圍的活化破壞現(xiàn)象，發(fā)生活化突水。

3 突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)分析

3.1 底板破碎深度現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

采用漏失量法進(jìn)行工作面底板破碎深度的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)分析，觀測(cè)巷道與運(yùn)輸順槽之間平行布置，觀測(cè)硐室與運(yùn)輸順槽之間留設(shè)8 m的保護(hù)煤柱，觀測(cè)硐室布置于距離斷層破碎帶15 m位置處，在工作面觀測(cè)硐室底板布置4個(gè)觀測(cè)孔，具體觀測(cè)孔的各項(xiàng)參數(shù)見表1。

表1 觀測(cè)鉆孔參數(shù)Table 1 Observed borehole parameters

具體觀測(cè)鉆孔的布置如圖4所示。鉆孔分段漏失量變化如圖5所示。

圖4 觀測(cè)鉆孔布置剖面Fig.4 Section of observed borehole arrangement

圖5 鉆孔分段漏失量柱狀圖Fig.5 Histogram of subsection loss of borehole

1號(hào)采前鉆孔在監(jiān)測(cè)段內(nèi)基本無明顯漏水現(xiàn)象出現(xiàn)，個(gè)別區(qū)段存在漏水情況，但該區(qū)域的漏失量均小于1.2 L/min，說明此時(shí)工作面煤層底板的原生裂隙并不發(fā)育；2號(hào)采后鉆孔從11 m的深度處漏失量開始不斷增大，且隨著鉆孔深度的增大，漏失量在不斷增大，其中最大漏失量可達(dá)到9.1 L/min，最小漏失量也大于2.5 L/min，且在監(jiān)測(cè)結(jié)束時(shí)間段內(nèi)鉆孔漏失量無明顯減小的趨勢(shì)，說明底板的最大破壞深度大于29.5 m；3號(hào)觀測(cè)鉆孔在11～47 m區(qū)段內(nèi)的鉆孔漏失量大量增大，表明該段已處于底板破壞范圍內(nèi)，在底板49 m以后，3號(hào)鉆孔的漏失量基本與1號(hào)采前孔相似，3號(hào)鉆孔底板最大破壞深度為33.23 m；4號(hào)觀測(cè)鉆孔在29～39 m的范圍內(nèi)鉆孔漏失量大，最大破壞深度為33.77 m。

綜合上述分析能夠得出，1301工作面斷層破碎帶區(qū)域最大破壞深度為33.77 m。

3.2 突水危險(xiǎn)性分析

工作面回采作用下斷層面上的剪應(yīng)力公式和斷層活化的判斷依據(jù)如下：

式中：τ為煤層底板斷層的抗剪強(qiáng)度；σz為斷層破碎帶區(qū)域Z方向的正應(yīng)力；σx為斷層破碎帶區(qū)域x方向的正應(yīng)力；τzx為斷層破碎帶區(qū)域在ZX方向的剪應(yīng)力。根據(jù)礦井地質(zhì)資料，計(jì)算得出工作面在回采不同距離下斷層面上的剪應(yīng)力τn的分布曲線，如圖6所示。

圖6 工作面不同推進(jìn)距離下斷層面剪應(yīng)力曲線Fig.6 Shear stress curves of fault plane under different advancing distances of working face

斷層破碎帶的最大破壞深度為33.77 m，基本與理論分析和數(shù)值模擬結(jié)果相近，斷層破碎帶區(qū)域承壓水的最大導(dǎo)升高度為19.65 m，斷層破碎帶落差為5 m，承壓水與斷層破碎帶的最大發(fā)育深度間的距離僅為1.2 m，因此工作面回采推進(jìn)F20斷層時(shí)突水風(fēng)險(xiǎn)較大。

根據(jù)奧陶系含水層的特征可知，含水層中的水量相對(duì)較小，底板阻隔層的巖性也相對(duì)較好，因此建議在工作面回采推進(jìn)至距斷層破碎帶30 m前，對(duì)斷層破碎帶區(qū)域前后30 m的范圍采區(qū)疏水降壓和注漿封堵的措施。

4 結(jié) 語

根據(jù)首陽煤業(yè)15202工作面的地質(zhì)條件及F20斷層的特征，基于數(shù)值模擬分析得出了斷層破碎帶底板突水機(jī)理，并得出工作面距斷層不同距離時(shí)，底板破碎帶的深度，確定了該工作面過F20斷層時(shí)突水危險(xiǎn)性較大，需在工作面回采至距斷層30 m前，對(duì)斷層破碎帶前后30 m區(qū)域采取疏水降壓和注漿封堵措施。