九鑫煤業(yè)水文條件復(fù)雜區(qū)域防隔水煤柱留設(shè)研究

王利強(qiáng)

（山西沁和能源集團(tuán) 九鑫煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048200）

1 概 況

防隔水煤柱是為確保近水體安全采煤而留設(shè)的煤層開采上限至水體之間的煤巖層區(qū)段，是煤礦預(yù)防發(fā)生透水事故的一種重要設(shè)施。防水煤柱的留設(shè)可以防止地表水、老空水和斷層裂隙水等滲入回采工作面，也可以在水文條件復(fù)雜的礦井配合防水閘門實(shí)現(xiàn)分采區(qū)、分水平回采，有利于突水時控制水勢，減少災(zāi)情，保證礦井生產(chǎn)安全。

防隔水煤柱的種類有很多，主要分為橫向防隔水煤柱和縱向防隔水煤柱兩類。在斷層附近留設(shè)的一般是橫向煤柱，而在水體下采煤所留設(shè)的主要是縱向煤柱。《煤礦防治水細(xì)則》第九十一條規(guī)定：相鄰礦井的分界處，應(yīng)當(dāng)預(yù)留防隔水煤柱。礦井以斷層分界的，應(yīng)當(dāng)在斷層兩側(cè)留有防隔水煤柱。《煤礦防治水細(xì)則》附錄六第八條第一點(diǎn)規(guī)定：水文地質(zhì)簡單型到中等類型的礦井可采用垂直法留設(shè)，但總寬度不得小于40 m。

山西沁和能源集團(tuán)九鑫煤業(yè)有限公司井田主采煤層為2 號煤，井田內(nèi)主要含水層有奧陶系馬家溝組碳酸鹽巖巖溶裂隙含水層、石炭系太原組碎屑巖夾碳酸鹽巖裂隙含水層、二疊系山西組與下石盒子組碎屑巖裂隙含水層及第四系松散巖孔隙含水層。2 號煤層礦井水文地質(zhì)類型為中等。因此采用垂直法留設(shè)，設(shè)計(jì)井田邊界留設(shè)20 m 的防水煤柱，但相鄰礦井之間的井田邊界煤總寬度不得小于40 m。但該礦存在一些水文條件復(fù)雜區(qū)域，主要集中在斷層、裂隙帶、陷落柱和采空區(qū)等，因此對這些水文條件復(fù)雜區(qū)域進(jìn)行防隔水煤柱留設(shè)尺寸研究。

2 水文條件復(fù)雜區(qū)域防隔水煤柱的留設(shè)計(jì)算

2.1 斷層、裂隙帶防隔水煤柱的留設(shè)

斷層破壞了地層的完整性，在富水性強(qiáng)的地層中會成為導(dǎo)水通道，使礦井涌水量增加，甚至引起突水事故。煤礦工作面內(nèi)部隱伏導(dǎo)含水構(gòu)造，尤其是隱伏導(dǎo)含水?dāng)鄬樱敲旱V回采中的主要危險因素，因此斷層防隔水煤柱的留設(shè)十分重要。

受區(qū)域構(gòu)造影響，九鑫煤業(yè)井田總體呈向北傾斜的單斜構(gòu)造，地層走向近東西，傾角4°～12°。井田內(nèi)斷裂構(gòu)造較發(fā)育，結(jié)合三維地震勘探成果，2 號煤層解釋17 條斷層和1 個疑似陷落柱，三維地震未勘查區(qū)域斷層5 條，三維地震未探測到但實(shí)際揭露斷層1 條，井田內(nèi)共發(fā)育23 條正斷層，斷層具體情況見表1、圖1。

圖1 九鑫煤業(yè)井田斷裂構(gòu)造綱要圖Fig.1 The outline of fault structure in Jiuxin Coal Industry field

表1 九鑫煤業(yè)斷層控制程度一覽Table 1 The list of fault control degree of Jiuxin Coal Industry

根據(jù)礦井三維地震報告顯示，井田內(nèi)斷層較多，按含水或?qū)當(dāng)鄬拥姆栏羲褐牧粼O(shè)方法進(jìn)行留設(shè)。《煤礦防治水細(xì)則》附錄六第六條規(guī)定：含水或?qū)當(dāng)鄬臃栏羲褐牧粼O(shè)，可參照下列經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：

式中：L為煤柱留設(shè)的寬度，一般要≥20 m；K為安全系數(shù)，一般取2～5，因相鄰礦井堡子煤業(yè)發(fā)生過奧灰突水事故，且部分地段突水系數(shù)鄰近臨界突水值，因此此次設(shè)計(jì)安全系數(shù)取5；M為煤層厚度或采高，m；p為水頭壓力，MPa；Kp為煤的抗拉強(qiáng)度，MPa。

根據(jù)九鑫煤業(yè)相關(guān)生產(chǎn)資料，2 號煤層的抗拉強(qiáng)度Kp=0.98～1.098 MPa，平均值為1.016 MPa，此次設(shè)計(jì)取其平均值，則結(jié)合表1 數(shù)據(jù)計(jì)算，九鑫煤業(yè)斷層防隔水煤柱計(jì)算成果見表2。

表2 九鑫煤業(yè)斷層防隔水煤柱計(jì)算成果Table 2 Calculation results of fault waterproof coal pillar in Jiuxin Coal Industry

除此之外，根據(jù)三維地震和地面電法勘探成果，結(jié)合已有地質(zhì)資料，綜合分析斷層的發(fā)育特征，采用鉆探方法進(jìn)行驗(yàn)證，查明采掘范圍內(nèi)隱伏構(gòu)造的特征和導(dǎo)（富） 水性，并嚴(yán)格按照相關(guān)要求，留設(shè)斷層防隔水煤柱。在采掘過程中，由于地質(zhì)條件影響留設(shè)防隔水煤柱長度不足的，要采用注漿加固斷裂帶等方式。對于嚴(yán)重影響工作面布置的，需要穿過斷層時要進(jìn)行超前探測，如果斷層導(dǎo)水，則采用超前預(yù)注漿的方法進(jìn)行加固，以滿足帶壓開采安全的要求。

2.2 陷落柱防隔水煤柱的留設(shè)

根據(jù)三維地震報告顯示，DX1 疑似陷落柱位于井田中部，與正斷層F39 相鄰，該陷落柱同時在2 號與15 號煤層陷落，長軸走向?yàn)镹EE 向，平面形態(tài)為橢圓形。在2 號煤層中，長軸直徑為118 m，短軸直徑約為28 m；在15 號煤層中，長軸直徑大于124 m，短軸直徑約為35 m。根據(jù)九鑫煤業(yè)實(shí)際鉆探驗(yàn)證，該陷落柱不導(dǎo)水，因此此次不進(jìn)行隔水煤柱設(shè)計(jì)，將來采掘過程中如水文地質(zhì)情況發(fā)生變化，要及時進(jìn)行補(bǔ)充設(shè)計(jì)。

2.3 老空積水區(qū)域防隔水煤柱的留設(shè)計(jì)算

依據(jù)九鑫煤業(yè)已有水文地質(zhì)資料，井田內(nèi)采空區(qū)積水3 處，其中JS-1（井田南部采空區(qū)） 積水面積約14 117 m2，積水總量約13 300 m3，積水標(biāo)高932 m；JS-3（201 采空區(qū)） 積水面積約200 m2，積水總量約40 m3，積水標(biāo)高867 m；JS-4（207 采空區(qū)） 積水面積約23 758 m2，積水總量約115 435 m3，積水標(biāo)高891 m；另外井田邊界處存在相鄰礦井的采空區(qū)積水1 處（JS-2），該積水面積約920 m2，積水總量約200 m3。

采空區(qū)的防隔水煤柱的留設(shè)同樣按照式（1）進(jìn)行計(jì)算，并遵循“采空區(qū)積水設(shè)計(jì)防隔水煤柱不低于20 m，相鄰礦井防隔水煤柱總寬度不小于40 m”的原則，結(jié)果見表3。

表3 九鑫煤業(yè)采空區(qū)防隔水煤柱計(jì)算成果Table 3 Calculation results of goaf waterproof coal pillar in Jiuxin Coal Industry

鑒于井田內(nèi)JS-1 和JS-4 采空區(qū)積水面積大，積水總量多，有必要對采空區(qū)的積水范圍進(jìn)行驗(yàn)證，以對采空區(qū)有個全方位的了解。為此，采用瞬變電磁物探的方法對采空區(qū)進(jìn)行探測。在采空區(qū)附近現(xiàn)場條件好的巷道對采空區(qū)施工瞬變電磁探測，并繪制瞬變電磁視電阻率等值線斷面圖，如圖2、圖3 所示。

圖3 JS-4 積水區(qū)瞬變電磁探測視電阻率等值線斷面圖Fig.3 The section of transient electromagnetic detection apparent resistivity contour in JS-4 water accumulation area

以物探為先導(dǎo)，后期再進(jìn)行鉆探驗(yàn)證，這樣就能準(zhǔn)確圈定老空積水邊界線，對防隔水煤柱的留設(shè)具有指導(dǎo)意義。

3 結(jié) 語

水害是影響煤礦工作面安全回采的主要因素之一，水文地質(zhì)條件復(fù)雜區(qū)域防隔水煤柱的留設(shè)是對煤礦安全生產(chǎn)影響重大。本文對九鑫煤業(yè)水文條件復(fù)雜區(qū)域防隔水煤柱進(jìn)行了研究和設(shè)計(jì)，對斷層、裂隙帶，陷落柱，老空積水區(qū)防隔水煤柱留設(shè)尺寸進(jìn)行了計(jì)算，并對兩個積水量較大的采空區(qū)進(jìn)行瞬變電磁探測，保障了工作面安全開采。礦井在實(shí)際生產(chǎn)過程中，要加強(qiáng)水文地質(zhì)觀測，收集相關(guān)資料，水文地質(zhì)情況發(fā)生變化時，要及時補(bǔ)充完善設(shè)計(jì)，把水文地質(zhì)條件復(fù)雜區(qū)域防隔水煤柱的留設(shè)作為防治水工作的重要方面。