大型正斷層下盤(pán)厚煤層開(kāi)采斷層滲透性演變規(guī)律與煤柱優(yōu)化研究

羅鵬 LUO Peng；趙炎 ZHAO Yan；張超 ZHANG Chao

（①棗莊礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司地質(zhì)測(cè)量部，棗莊 277000；②棗莊礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司柴里煤礦，棗莊 277519）

1 研究背景及意義

123上02 工作面位于東十二采區(qū)北部，東為123上06工作面，西側(cè)105m 為尹家洼斷層，南為東十二準(zhǔn)備巷道，北為姚橋斷層。受尹家洼斷層影響，斷層上盤(pán)侏羅系礫巖含水層與下盤(pán)3上煤層對(duì)口接觸。侏羅系礫巖含水層富水性較強(qiáng)，據(jù)東十二采區(qū)回風(fēng)巷侏羅系礫巖水文探查孔資料，鉆孔涌水量為49.5～98m3/h，水量較大。目前，斷層上盤(pán)侏羅系礫巖含水層水位為-134.79m（2013-1 侏羅水位孔），研究區(qū)3上煤層位侏羅水壓為1.62～2.65MPa，存在斷層上盤(pán)侏羅系礫巖含水層側(cè)向補(bǔ)給下盤(pán)3 煤頂板砂巖含水層的可能。通過(guò)進(jìn)一步認(rèn)識(shí)側(cè)向含水層影響下大型正斷層下盤(pán)開(kāi)采斷層滲透性演變規(guī)律以及煤柱尺寸合理優(yōu)化，從而有效指導(dǎo)東十二采區(qū)的防治水工作，解放更多的煤炭資源，防治斷層水害，保障生產(chǎn)的安全順利進(jìn)行，具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

2 尹家洼斷層含（導(dǎo)）水性分析

尹家洼斷層為正斷層，在研究區(qū)內(nèi)其走向近南北，傾向西，傾角70°，落差220～280m，區(qū)內(nèi)延伸1.7km。尹家洼斷層在研究區(qū)內(nèi)發(fā)育兩個(gè)分支斷層，分別為尹家洼支4 斷層（走向近南北，傾向西，傾角70°，落差0～25m）及ZF12-3斷層（走向北東東，傾向北北西，傾角70°，落差0～20m）。尹家洼斷層受多個(gè)地面鉆孔、井下鉆孔及三維地震勘探控制，屬于查明斷層。

2.1 尹家洼斷層含水性探查

尹家洼斷層的含水性對(duì)研究區(qū)近尹家洼斷層區(qū)域3上煤層安全開(kāi)采具有重要影響。付村煤業(yè)有限公司采用井下物探、井下鉆探等多種技術(shù)及方法對(duì)研究區(qū)尹家洼斷層的含水性進(jìn)行了探查，并有了較為準(zhǔn)確的認(rèn)識(shí)?，F(xiàn)依據(jù)井下物探、井下鉆探資料，對(duì)研究區(qū)尹家洼斷層含水性進(jìn)行詳細(xì)分析。

2.1.1 三維直流電法與瞬變電磁超前探查

對(duì)尹家洼斷層含水性情況進(jìn)行三維直流電法[1]與瞬變電磁超前探查，為下一步鉆孔探查斷層附近巖層富水性提供依據(jù)。

2.1.1.1 三維直流電法探底板解釋

本次井下超前探測(cè)數(shù)據(jù)采集使用的是WJDJ-6 三維高密度電阻率系統(tǒng)，沿巷道兩側(cè)對(duì)稱布設(shè)電極，電極間距10m，采用三極裝置觀測(cè)巷道內(nèi)的電場(chǎng)分布。得到以下結(jié)論：

巷道前方底板探查中，推測(cè)巷道前方30~90m、深度0m、20～40m 范圍內(nèi)含水性好，導(dǎo)電性強(qiáng)，呈現(xiàn)低阻異常響應(yīng)。

巷道前方頂板探查中，推測(cè)巷道前方30~90m、深度0m、20~40m 范圍內(nèi)地層富水性強(qiáng)，導(dǎo)電性好，呈現(xiàn)低阻異常響應(yīng)。

2.1.1.2 瞬變電磁超前探解釋

利用瞬變電磁法[2]對(duì)巷道迎頭分布進(jìn)行了60°、30°、0°、-30°、-60°等五個(gè)角度探測(cè)，每個(gè)角度采用30°、-150°方位角進(jìn)行探測(cè)，得到以下結(jié)論：

可推測(cè)在巷道前方30～90m、頂板上方20～70m 地層含水性好，導(dǎo)電性強(qiáng)，呈現(xiàn)低阻異常響應(yīng)。巷道前方20～80m、底板20～70m 地層含水性好，導(dǎo)電性強(qiáng)，呈現(xiàn)低阻異常響應(yīng)。巷道正前方30～90m 地層富水性好，導(dǎo)電性強(qiáng)，呈現(xiàn)低阻異常響應(yīng)。

2.1.2 尹家洼斷層含水性井下鉆探

為查明尹家洼斷層含水性，付村煤業(yè)有限公司先后在東十二采區(qū)總回風(fēng)巷導(dǎo)24 點(diǎn)以西5m 正迎頭、123上02 切眼等2 處鉆場(chǎng)共施工8 個(gè)井下鉆孔對(duì)尹家洼斷層的含水性進(jìn)行探查，有6 個(gè)鉆孔直接揭露尹家洼斷層。探查結(jié)論見(jiàn)表1。

表1 尹家洼斷層含水性探測(cè)工作匯總表

2.1.3 含水性綜合評(píng)價(jià)

經(jīng)過(guò)一系列探查工作，對(duì)尹家洼斷層含水性有了較為明確的認(rèn)識(shí)。于東十二采區(qū)總回風(fēng)巷導(dǎo)24 點(diǎn)以西5m 正迎施工的5 個(gè)鉆孔中發(fā)現(xiàn)有一個(gè)鉆孔通過(guò)斷層帶時(shí)發(fā)生涌水現(xiàn)象（2#孔，涌水量6m3/h），表明在該鉆孔控制范圍內(nèi)斷層帶含水。在123上02 工作面切眼處進(jìn)行的三維直流電法和瞬變電磁法超前探測(cè)發(fā)現(xiàn)多處低阻異常區(qū)，后經(jīng)鉆探驗(yàn)證無(wú)水，證明123上02 工作面切眼附近尹家洼斷層不含水。綜合認(rèn)為尹家洼斷層仍存在含水可能，為局部含水?dāng)鄬?。（圖1）

圖1 各鉆孔見(jiàn)斷層深度、出水位置及水量示意圖

2.2 尹家洼斷層導(dǎo)水性評(píng)價(jià)

由于第四系中部存在一層穩(wěn)定的隔水層，第四系含水層下段連續(xù)性差，且-50～-150 m 區(qū)域內(nèi)斷層導(dǎo)水性[3]一般，因此第四系上組水不會(huì)通過(guò)斷層對(duì)侏羅系含水層、下石盒子組砂巖、3 煤頂板砂巖等含水層產(chǎn)生補(bǔ)給；由于-150～-450m 區(qū)域內(nèi)斷層導(dǎo)水性[4]好，因此，斷層上盤(pán)侏羅系含水層會(huì)對(duì)3上煤層及其頂?shù)装搴畬赢a(chǎn)生側(cè)向補(bǔ)給；由于-450～-550m 區(qū)域內(nèi)斷層導(dǎo)水性差，天然狀態(tài)下或開(kāi)采不導(dǎo)致斷層活化條件下奧灰水不會(huì)通過(guò)斷層與3上煤層產(chǎn)生水力聯(lián)系。（圖2）

圖2 研究區(qū)尹家洼斷層導(dǎo)水性分區(qū)圖

3 尹家洼斷層防隔水煤（巖）柱留設(shè)與數(shù)值模擬驗(yàn)證

3.1 尹家洼斷層防隔水煤（巖）柱留設(shè)

為確保123上02 工作面的安全生產(chǎn)，依據(jù)各計(jì)算地點(diǎn)尹家洼斷層兩盤(pán)對(duì)接關(guān)系，采用多種方法對(duì)尹家洼斷層煤（巖）柱進(jìn)行計(jì)算：按含水或?qū)當(dāng)鄬臃栏羲海◣r）柱[5]留設(shè)時(shí)為27.31～31.00m，按煤層與強(qiáng)含水層或者導(dǎo)水?dāng)鄬咏佑|時(shí)防隔水煤（巖）柱留設(shè)寬度為62.47～69.39m。

由于尹家洼斷層影響，位于尹家洼斷層下盤(pán)的123上02 工作面與上盤(pán)侏羅系礫巖含水層為近對(duì)口接觸。因此，按煤層與強(qiáng)含水層或者導(dǎo)水?dāng)鄬覽6]接觸時(shí)的煤（巖）柱留設(shè)方式更符合123上02 工作面的實(shí)際水文地質(zhì)條件，即取62.47～69.39m 較為合理。為保證工作面的安全生產(chǎn)，在按煤層與強(qiáng)含水層或者導(dǎo)水?dāng)鄬咏佑|時(shí)防隔水煤（巖）柱留設(shè)方法計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上取整數(shù)再加5m，因此，綜合確定尹家洼斷層防隔水煤（巖）柱留設(shè)寬度為68～75m。

3.2 工作面開(kāi)采流固耦合數(shù)值模擬驗(yàn)證

本次研究采用FLAC3D6.0 數(shù)值模擬軟件[7]，對(duì)123上02工作面開(kāi)采過(guò)程中地下水滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)流-固耦合進(jìn)行深入的研究。

3.2.1 模型邊界及邊界條件的確定

123上02 工作面呈近南北走向，矩形布置，推采長(zhǎng)度826m，面寬長(zhǎng)度147~226m，面積154298m2，煤厚2.0～3.5m，平均3.0m。地面標(biāo)高+34.7～+35.4m，工作面煤層底板-303.5（切眼）～-399.9m（采區(qū)軌道巷），最大埋藏深度約為435.3m。以123上02 工作面實(shí)際地質(zhì)和開(kāi)采條件為依據(jù)，建立數(shù)值計(jì)算模型。本次數(shù)值計(jì)算模型邊界如下：

模型各邊界均留有一定的邊界影響區(qū)域，在開(kāi)采區(qū)的兩側(cè)各留有50m 的邊界。煤層為近水平煤層，厚度3m，采全厚，模擬采深430m；最終確定模型尺寸為380m×500m×130m，其中，垂直于煤層推進(jìn)方向（即x 方向）為380m，沿煤層推進(jìn)方向（即y 方向）為500m，豎直方向（即z 方向）為130m。模型構(gòu)建尹家洼斷層斷層，斷層傾角為70°，按實(shí)際走向相對(duì)關(guān)系建立。

模型四周及底面施加法向約束，頂面施加法向荷載6.0MPa，模擬上覆巖層的自重應(yīng)力。侏羅系礫巖含水層施加梯度水壓，3上煤層位水壓為2.06MPa。力學(xué)模型選用mohr-coulomb 模型，流體模型各向同性。于3上煤層位高度斷層內(nèi)設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)。模擬開(kāi)挖長(zhǎng)度400m，預(yù)留68m 煤（巖）柱，平行斷層帶方向推進(jìn)，模擬工作面回采共分8 個(gè)開(kāi)挖步，每步各開(kāi)挖50m，模擬開(kāi)挖的范圍x 方向?yàn)?0～290m，y 方向?yàn)?0～450m，z 方向?yàn)?0～33m。

3.2.2 模擬結(jié)果

123上02 工作面開(kāi)采100m 時(shí)，頂板塑性破壞區(qū)整體成拱形，最大破壞高度為3.5m，底板破壞帶最大深度為4.5m，斷層產(chǎn)生了一定破壞，但斷層保護(hù)煤（巖）柱并未發(fā)生破壞，仍具有足夠的阻水能力；工作面推進(jìn)150m 時(shí)，頂板塑性區(qū)最大破壞高度為23m，底板破壞帶最大深度為11m；工作面推進(jìn)200m 時(shí)，頂板塑性區(qū)繼續(xù)發(fā)育，大致形成“馬鞍型”，最大高度為31m，底板破壞帶最大深度為17m；工作面推進(jìn)300m 時(shí)，頂板塑性區(qū)最大破壞高度為37m，底板破壞帶最大深度為20m；工作面推進(jìn)350m 時(shí)，塑性區(qū)最大發(fā)育高度為39m，頂板塑性區(qū)向上發(fā)育速度減緩，但其范圍仍在擴(kuò)大，底板破壞帶最大深度為21m。工作面推進(jìn)400m 時(shí)，頂板塑性區(qū)最大破壞高度為43m，底板破壞帶最大深度為24m，計(jì)算得出3上煤層裂采比為14.3。此時(shí)123上02 工作面開(kāi)采產(chǎn)生的導(dǎo)水裂縫帶及底板破壞帶并未與斷層貫通，斷層保護(hù)煤（巖）柱仍具有足夠的阻水能力。證明留設(shè)的68～75m 尹家洼斷層防隔水煤（巖）柱[8]可以保證123上02 工作面的安全開(kāi)采。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)研究區(qū)地質(zhì)及水文地質(zhì)資料進(jìn)行系統(tǒng)總結(jié)、詳細(xì)分析，對(duì)尹家洼斷層的發(fā)育特征及含（導(dǎo)）水性進(jìn)行了分析，進(jìn)一步運(yùn)用側(cè)向補(bǔ)給條件下付村煤業(yè)有限公司尹家洼斷層導(dǎo)水性及滲流變化規(guī)律和優(yōu)化控制，提出合理有效的防隔水煤（巖）柱留設(shè)寬度計(jì)算方式，科學(xué)留設(shè)斷層煤柱寬度68～75m，有效地防止斷層水害事故的發(fā)生，提高了煤礦安全生產(chǎn)的理論和技術(shù)水平，優(yōu)化了工作面布置，解放受斷層威脅的煤炭?jī)?chǔ)量約12 萬(wàn)噸，具有十分顯著的社會(huì)效益。