煤峪口矿断层防水煤柱留设研究

（同煤集团煤峪口矿地测科，山西 大同 037001）

煤峪口矿410盘区的81022工作面位于11、12号合并层断层上覆，底板岩层主要是细砂岩，煤层厚度7.6～8.4m，平均厚度8.0 m。断层是一个大型的正断层，落差较大、距离较长，断层破损带比较紧密，断层中含有风化的裂隙水和层状的裂隙水，且导水性较弱，而在矿口向斜轴部的导水性会变大，当煤层被冲刷后，导致煤层与中、细砂岩直接接触，使断层的隔水性能降低，影响开采的安全性。因此，为了更好地解决断层突水问题，一般采用留设煤柱的方法[1]，但如果不能对防水煤柱的宽度进行控制，不仅会浪费资源，而且会给后期的回采带来很多危险，影响生产的持续。

1 断层特性及导水性分析

在对410盘区81022工作面进行开采时，顶板出现了裂隙，有大量的断层面，会大大增加顶板的破碎程度，累计断层约有27条，断层的落差在0.1～4.0m，其中断层大于1.0m的约有10条，涉及到的工作面大约有350 m[2]。

在对410盘区81022工作面的断层导水性进行判断时，采用钻探技术来验证，根据钻孔试验，结果表明，在断层带内有一些泥岩，且导水层的导水性能较弱，在钻孔经过断层后，为大同组伪顶灰、黑色泥岩、粉砂岩，含少量的水，在进行钻孔284 m后，出现少量的水，沿着钻孔的方向继续对断层进行巷探，发现断层含有粗粒砂岩和砾岩，粘结性比较差，且有较高的孔隙度，有一定的渗水性，所以断层含有弱导水性。通过对开采工作面断层的钻探和巷探验证，可知断层有一定的导水性，且正断层是带状分布，有一定的透水性，容易形成导水通道。因此，认为81022工作面有含水且容易导水的断层，会影响工作面的正常回采工作。

2 防水煤柱留设计算

根据煤矿的采动效应，如果先进行上盘开采，则对断层的影响较小，对下盘的煤柱留设影响也就几乎没有，上盘的开采煤柱留设宽度通常是15m，相对稳定，因此对下盘的开采煤柱留设宽度进行研究。

由于410盘区81022工作面的断层较多，且断层的导水性较弱。因此，在对防水煤柱留设宽度进行计算时，要尽可能使导水层到底板与断层面交点的距离最小，分别采用简支梁模型和底板突水模型对防水煤柱留设宽度进行分析。

2.1 简支梁模型

根据材料力学，将煤柱简化成一弹性简支梁[3]，其模型见图1，设简支梁的厚度为L，跨度为M，煤柱宽度为L0，不计简支梁自身的重力，梁的两端分别给予不同的约束，在顶端进行单向约束，在底部进行双向约束，且梁上有垂直的均匀载荷，也就是静水压力P，存在一定的抗拉强度Kp，得到简支梁的厚度为

为了确保开采的安全，给简支梁模型添加安全系数作为防水煤柱留设宽度，且安全系数一般取2～5，则断层煤柱留设宽度为：

图1 简支梁模型

2.2 底板突水模型

采场底板突水模型见图2[4]，设煤壁与断层面之间的距离为a，断层倾角为α，高峰应力线传播角为θ，α与θ的交点为A，交点A到煤层底部的深度为z，得到

图2 底板突水模型

沿θ倾向方向，支承压力从峰值转变为原始应力，煤层底板也相应从压缩转变为原始岩石，底板在受到支承压力的压缩后，会出现破损而向下移动，使支承压力从峰值向更深的地方移动，与煤壁的距离越来越远，高峰应力线也随之向下移动，而底板在没有受支承压力压缩时，底板仍然保存得比较完整，因此在底板高峰应力线和岩层之间仍然有隔水能力。沿θ倾向相反的方向，也就是采空区的方向，支承压力从峰值转变为低应力，煤层底板也相应从压缩转变为膨胀，由于煤层底板被支承压力压破，导致底板的隔水能力变弱，从而变成了导水通道。

因此，如果底板的破坏深度h大于等于断层交点到煤层底部的深度z，则会造成底板突水，如果底板的破坏深度h小于断层交点到煤层底板的深度z，则底板不会突水。因此，采场断层留设煤柱的宽度为

由上式可以看出，压力对底板的破坏深度是随着岩层倾角、开采深度、和工作面的长度增加而增加，随坚固系数的增加而减少。

3 应用效果分析

81022工作面的煤层倾角在1°～4°左右，走向长730m，断层累计27条，断层破碎带紧密，回采到284m，出现断层，且有渗水现象，表明该断层带有导水特性，存在断层突水的可能性。对81022工作面进行现场测量，采高1.6m，断层倾角为70°，采高比为2，高峰应力线的传播角为23°，底板的破坏深度为10m，取安全系数取最大5，煤层的跨度为7.6m，静水压力为0.4MPa，抗拉强度为0.98MPa。

通过计算在简支梁模型下，煤柱的留设宽度为20.02m，留设宽度远大于煤层厚度，这是由于简支梁模型是理想状态下的，且简支梁模型下，煤柱留设宽度仅考虑了断层导水性特性，对断层本身的特性和底板破坏情况没有考虑，因此采用底板突水模型，将上述参数带入防水煤柱留设宽度公式中，计算得出煤柱留设宽度为13.33 m。

按照此煤柱留设宽度方案，对81022回采工作面的巷道变形量进行监测，见图3，从图中可以看出，当巷道变形量在距离工作面大约50m时，巷道变形量增加明显，但相对的变化量很小，整体的变形量较小。

图3 巷道变形量

对81022工作面的断层留设煤柱宽度进行验证，将断层的留设煤柱宽度设为13.33m，可以看出，顺槽周围的岩体破坏程度和范围都较小，且与断层面的连通区域也较小。因此煤柱留设宽度13.33 m是合理的，截止目前，81022工作面已开采完毕，在开采的过程中，煤柱没有发生大规模的破坏，巷道的变形量也较小。

4 结语

以煤峪口矿410盘区81022工作面的断层为研究对象，根据其地质概况，具体分析工作面的断层结构以及工作面的断层导水特性，在此基础上提出采用简支梁模型和底板突水模型对防水煤柱的留设宽度进行计算，结果如下：

1）通过分析81022工作面的断层结构和导水性，可知工作面的断层、顶板的裂隙较多，严重影响矿井的正常回采，根据钻探和巷探结果，验证断层含有弱导水性，且容易形成导水通道，而产生底板突水现象。

2）在底板突水模型中，采场底板受压力影响，会有一定程度的破坏，破坏后的底板没有隔水能力。

3）采用简支梁模型和底板突水模型对防水煤柱留设宽度进行计算，根据81022工作面实际开采情况，由于简支梁模型是在一种理想的情况下设定的。因此，采用底板突水模型，计算防水煤柱留设宽度为13.33m，通过实际试验，可以看出顺槽周围的岩体破坏程度和范围都比较小，且与断层面连通的区域也比较小，因此煤柱留设宽度13.33 m是合理的。