开滦林西矿深部断层防水煤柱留设研究及应用

李洪恩

(河北能源职业技术学院，河北 唐山 063004)

开滦林西矿深部断层防水煤柱留设研究及应用

李洪恩

(河北能源职业技术学院，河北 唐山 063004)

为解决开滦林西矿深部断层防水煤柱留设问题，通过分析深部突水机理及开采理论，采用断层勘查工程、水压致裂测试抗拉强度、断层防水煤柱留设计算及数值模拟，确定了7煤、8煤、9煤、11煤、12煤上盘、下盘的断层防水煤柱宽度。模拟结果表明断层上盘煤层开采时底板破坏区和应力区对断层煤柱影响比顶板对其影响大，上组煤开采对下层煤的煤柱留设有影响。

深部断层；防水煤柱；抗拉强度；数值模拟

0 引言

为了保障安全生产，按照有关规程规定，在断层等构造与采掘区域之间留设一定宽度防水煤岩柱，防止承压水突入采掘空间形成灾害。林西矿井开采初期，地质勘探程度较低，参数来源主要依靠经验而无实际测量值，为了确保安全，煤柱留设宽度保守是必要的。

林西井田位于开平向斜东北隅，地层倾角较平缓，但走向变化较大，由矿井东北端的N20°E到矿井中部的N45°E，矿井西南端的N45°W，形成了由于构造引起的岩层走向变化以褶皱为主体的构造形态，在井田内形成了以开平向斜端部构造块形态为主格局的次一级褶皱。煤系地层基底为奥陶系石灰岩岩溶裂隙含水层，为煤层间接充水含水层。由于存在较厚隔水层，在正常情况下，煤系地层与奥陶系灰岩之间，不会发生直接联系。根据钻孔资料，下部可采煤层(煤12)与奥陶系灰岩相距约150 m，特别是下部40～70 m段距内，几乎全由隔水的泥岩、粉砂岩和薄层灰岩组成，阻隔了奥陶系灰岩与煤系地层之间的水力联系。因此，正常情况下，奥陶系灰岩的水对煤层开采直接影响不大。但如果有断层或其它地质构造导通煤系地层和奥灰时，奥灰岩溶水会对采煤构成很大威胁。

随着矿井开发揭露，对地质条件认识的不断深化，对F1断层附近区域的水文地质条件及其本身含水、导水性的认识也不断深入。为了确保安全，在矿井延深前，实施了物探钻探等探测工程，进一步查明了F1断层情况，为矿井储量挖潜、F1断层煤柱留设奠定了基础[1-4]。

1 F1断层含、导水性探测分析

在以往F1断层勘探、探查基础上，布置必要工程探测F1断层性质及其含水、导水性，实施煤层水力压裂试验获取有关参数，论证缩小煤柱挖掘资源的可行性。

在井田勘探、建设、生产过程中，F1断层由4条地质剖面控制。F1断层为正断层，错断7、9、11、12煤层，倾向NNW,倾角50～70°，落差10～50 m。

(1)揭露断层情况

F1断层在10水平电车道0500石门实见落差为28 m，在11水平1500石门揭露落差为25～30 m，倾角65～75°，断层带宽度0.8 m。

(2)F1断层含、导水性探测分析

根据三维地震补充勘探，F1断层向下延深落差有渐大的趋势。根据11水平以上实见F1断层不导水也不富水，断层面多呈锯齿状，有明显擦痕，并有方解石脉充填。在断层旁侧多出现派生褶皱牵引和羽状分枝断裂与主断裂呈锐角相交并伴有网状方解石脉充填。瞬变电磁勘探各测线穿越解释断层位置，F1断层表现为含水性较弱，本次勘探未能解释断层导水性问题，仍需对断层导水性做进一步勘探研究，确保煤矿安全生产。

2 深部特征及参数测定选取

一般认为，我国煤矿的深部资源开采的深度定为：700～1500 m，在工程应用中具有很大的局限性，深部是由地应力水平、采动应力状态和围岩属性共同决定的力学状态。深部开采与浅部开采的主要区别在于深部岩石所处的“三高一扰动”的复杂力学环境，浅部原岩体多数处于弹性应力状态，但进入深部以后，在高地应力以及开采扰动的作用下，浅部表现为普通坚硬的岩石，在深部可能表现出大变形、难支护的软岩特征，即矿井由浅部的硬岩矿井转化为软岩矿井。

实践表明，现有针对浅部开采的预测评价理论、探测方法、监测手段和治理技术难以实现深部重特大突水灾害的有效控制。为此，从矿井水文地质角度提出煤矿深部开采概念，以力学判据形式划定深部与浅部的界面，总结区别于浅部集中通道水害特征的以平面上面状散流垂向压裂导升的深部水害特征(当然还有深部水化学特征，Na+、SO42-离子含量相对升高，Ca2+、HCO3-含量相对减少，区别于浅部以Ca2+、HCO3-离子为主的特征)，提出有别于“突水系数”的底板灾害评价方法[5-6]。

2.1 参数测定选取

表1 林西矿实测地应力值

林西矿3个测点中1号和3号测点最大主应力倾角近水平(14.24°和10.27°)，中间主应力倾角接近于垂直(75.74°、73.07°)，而最小主应力倾角也近于水平(0.70°和-13.31°)，即最大、最小主应力为水平主应力，中间主应力为垂直应力。2号测点最大主应力、中间主应力和最小主应力倾角分别为-26.46°、-21.05°和55.09°。分析计算结果的数据质量，可看出2号测点的可信度较低。因此以1号和3号测点的测量结果为依据，林西矿的应力场类型为大地动力型(压缩区)。

2.2 抗拉强度

对于煤层防水煤柱宽度具有决定意义的参数是煤层破裂强度和抗拉强度。抗拉强度是有关规程用以计算断层防水煤柱宽度的重要参数，它的大小影响了煤柱的尺寸。结合其它矿区数据及附近矿井实测抗张试验，并根据对林西矿现场调研顶底板抗涨强度分析，取煤层抗拉强度为0.30 MPa。

3 深部断层煤柱留设研究

3.1 断层防水煤柱留设计算

为了缩减煤柱宽度挖掘煤炭资源潜能，如前所述，针对F1断层做了大量工作，研究了煤层抗拉强度，基本具备了核实选择煤柱宽度的条件。但为安全起见，矿井应当根据矿井的地质构造、水文地质条件、煤层赋存条件、围岩物理力学性质、开采方法及岩层移动规律等因素确定相应的防隔水煤(岩)柱的尺寸。选择《规定》中导水断层防水煤柱留设计算公式，含水或导水断层防隔水煤(岩)柱的留设，可参照经验公式计算。探查工程显示F1断层在天然状态下不导水，但实际操作过程中已经按导水断层考虑，为此，安全系数K分别选择为2.5和3.0[7-8]。

含水或导水断层防隔水煤(岩)柱的留设可参照下列经验公式计算：

(3-1)

式L——煤柱留设的宽度，m；

K——安全系数，一般取2-5；

M——煤层厚度或采高，m；

p——水头压力，MPa；

Kp——煤的抗拉强度，MPa。

表2 防隔水煤(岩)柱不同深度(-850 m～-1150 m)留设宽度一览表

3.2 断层防水煤柱数值模拟

(1)建立数值模型

各煤层顶板一般为泥岩、粉砂岩、细砂岩和中砂岩，基本为中硬岩层。区域西部为煤层隐伏露头。本次数值模拟目的是分析5个煤层开采时覆岩破坏情况，建立数值模型如图1所示。

(2)模拟结果分析

模拟建立了林西矿断层数值模型。根据开采顺序，分别模拟了依次开采7煤、8煤、9煤、11煤和12煤时围岩的塑性应力场变化情况，分析了各煤层开采时留设煤柱破坏情况。

围岩塑性破坏区分析各煤层依次开采时围岩应力分布云图如图2～6所示。

图1 数值模型

图2 7煤开采应力云图

图3 8煤开采应力云图

图4 9煤开采应力云图

图5 11煤开采应力云图

图6 12煤开采应力云图

分析围岩应力场可以看出，与围岩破坏区相对应，以留设煤柱为中心，应力场分为三部分，开采空间卸压区、完整煤柱高应力区和断层附近低应力区。

考虑断层与煤层的几何位置关系，断层上盘煤层开采与下盘相比较，断层上盘煤层开采时各煤层底板形成的拉应力区距离断层比顶板近，下组煤层开采时受到上组煤层的底板拉应力区影响大；断层下盘煤层开采时相比较底板的拉应力区，顶板形成的拉应力区距离断层近，下组煤层开采位于上组煤层底板拉应力区。断层上下盘煤层开采时，断层倾角与煤层倾角对煤柱留设影响大。

4 结论

(1) 本区现代原岩应力场的宏观类型表现为大地动力场型，原岩应力除自重应力场外，存在高构造应力作用。正常情况下奥灰水垂向突破巨厚的地层向采掘工作面充水的可能性较小，采掘活动奥灰突水风险较小，但若区域内褶皱、断裂构造作用使得岩体裂隙发育程度比较好，伴随陷落柱的导通作用，为深部开采过程中的厚板递进导升突水创造了良好的通道，加大了突水的危险性。

(2) 采用煤层的抗拉强度及岩层移动角及煤层间距等参数，用导水断层防水煤柱宽度计算公式计算防水煤柱宽度；综合考虑，最后确定的断层防水煤柱宽度：7煤上盘为32 m、下盘为31 m，8煤上盘为37 m、下盘为36 m，9煤上盘为44 m、下盘为42 m，11煤上盘为48 m、下盘为46 m，12煤上盘为51 m、下盘为49 m。

(3) 通过断层防水煤柱数值模拟，分析围岩应力场可以得出：与围岩破坏区相对应，以留设煤柱为中心，应力场分为三部分，开采空间卸压区、完整煤柱高应力区和断层附近低应力区。断层下盘煤层开采时，顶板围岩破坏区对煤柱影响比底板围岩破坏区对其影响大，煤层间有相互干扰；断层上盘煤层开采时底板破坏区和应力区对断层煤柱影响比顶板对其影响大，上组煤开采对下层煤的煤柱留设有影响。断层倾角与煤层倾角对煤柱留设影响大。

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ResearchandApplicationofWaterproofCoalPillarinDeepFaultinLinxiMineofKailuan

LI Hong-en

(HebeiEnergyCollegeofVocationandTechnology,Tangshan, 063004,China)

To solve the problem of deep fault waterproof pillar design problem in Linxi Mine of Kailuan, by analyzing the deep mining water bursting mechanism and theory, the fault exploration engineering, hydraulic fracturing testing tensile strength, the setting of waterproof coal pillar in fault and numerical simulation are used to determine the width of waterproof coal pillar in fault of No.7, No.8, No.9, No.11 and No.12 coal seam. Simulation results show that the influence of the failure zone and the stress zone of the floor on the fault pillars is greater than that of the roof, the upper coal seam's mining will affect the set of the coal pillar in the lower coal seam, when the upper coal seam in fault is mined.

deep fault structure; waterproof coal pillar; tensile strength; numerical simulation

2017-07-21

河北省高等学校科学技术研究项目资助(202015212)

李洪恩(1965-)，男，河北唐山人，河北能源职业技术学院硕士,高级工程师，主要从事矿井地质与水害防治教学与科研工作。E-mail:lihongents@163.com

TD824.6

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1672-7169(2017)04-0034-05