2-208工作面断层破碎带底板突水危险性分析

（霍州煤电集团辛置煤矿，山西 霍州 031412）

1 工程概况

山西焦煤霍州煤电集团辛置煤矿2-208综采工作面位于310水平二采区轨道巷左侧，为二采区系统巷道煤柱回收工作面，工作面走向长度175m，倾斜长度579.5m，开采2#煤层，煤层厚度为3.8～4.3m，煤层平均倾角为4°，煤层顶底板岩层特征见表1。

2-208工作面的主要充水水源为2#煤层上覆的各砂岩裂隙水，工作面底板标高+261～+306 m。根据矿井地质报告，显示井田范围内太灰水的水位平均标高为+497m，工作面为带压开采，带压1.91～2.36MPa。2#煤层底板距太灰顶面平均间距为80 m。在工作面范围内发育F1162断层，断层为正断层，倾角为60°，落差较大，在工作面内延伸约320m，为保证工作面回采的安全，需对断层破碎带底板突水危险性进行分析。

表1 2#煤层顶底板岩层特征

2 底板阻渗性评价方法

目前评价底板突水的主要方法为突水系数法。该种方法反应的主要为充水岩层与底板岩层阻水能力之间的关系。针对断层破碎区域，将破碎带岩体的阻渗强度作为临界突水系数的组成要素，故以阻渗强度参数作为断层区域底板突水系数评价的基本依据。

以煤层与底板充水含水层间隔岩层的阻水抗压能力，即岩体的抗渗性能Pm作为阻渗能力的评价参数，其表达式为：

式中：P0i为底板第i岩层单位厚度所具备的抗渗强度；hi为第i段岩层的厚度；αi为结构效应的折减系数；Mi为第i分层的厚度；Hi为第i分层覆岩的厚度；Pwi为第i分层的最大导渗水压力；为第i分层的平均重度；λi为第i分层的侧压力系数。

公式（1）中的λi和Pwi通过实验室测试或现场原位测试得出，Mi的划分主要依据底板岩层的结构。现根据华北煤田底板的结构特征，参考岩体结构的划分标准，将断层破碎带底板岩层具体划分为采动破坏带和原始状态不导水的破碎带。基于裂隙发育程度进行岩层阻渗能力的结构折损系数αi，见表2。

表2 岩层阻渗能力结构效应折减系数αi

根据辛置煤矿2-208工作面F1162断层破碎带底板岩层阻渗强度的实测结果，结合表1的取值范围，工作面底板不同结构类型平均抗渗强度进行确定，具体参数见表3。

表3 底板平均阻渗强度

为有效分析底板隔水岩层的阻渗能力，应首先确定底板有效隔水层的厚度，随后在基于地质钻孔统计分析各个分层的厚度，结合表3抗渗强度的取值，最后确定出底板阻渗能力的数值，其评价流程见图1。

根据上区段工作面太灰水的水头压力，大致估计出断层破碎带的阻渗强度在0.07～0.103MPa/m，其数值大于断层带阻渗评价方法中给出的平均阻渗强度的建议值（建议值为0.07MPa/m）。据此可知，基于该评价方法，F1162断层破碎带在2-208工作面回采期间不会出现突水。

图1 底板岩层阻渗性能评价流程

3 突水危险性实测分析

3.1 回采期间断层区域监测

在2-208工作面回采期间，为充分防止断层区域出现突水现象，在F1162断层区域布置水压测点。进行水压的持续监测。分别在底板垂直向下11 m和30m的位置设置水压监测设备。根据监测结果，得出工作面回采过程中断层破碎带水压的变化曲线，见图2。

图2 工作面回采过程中断层面水压曲线

据图2可知，在工作面回采过程中，断层在垂直深度11 m和30m处的两个监测点的水压值均在底板采动影响下产生波动，但其整体波动程度较小，幅度均小于0.1MPa。在工作面超前测点35 m到推进过测点35m的范围内，1#监测孔断层面底板垂直深度11m处超静孔隙水压出现明显的升高，2#测试孔底板垂直深度30 m孔隙水在该范围内具体表现为：工作面回采推过测点前，孔隙水表现为整体稳定的状态，当工作面回采推过测点后，孔隙水压便消散。

另外在工作面回采期间对断层面底板垂深15m处的附加应力进行监测，监测数据得出其在回采期间的变形曲线，见图3。

图3 工作面回采过程中断层面底板附加应力变化曲线

图4 断层破碎带阻渗透

据图3可知，断层破碎带内的附加应力值在采动影响下出现较大程度的波动，且断层破碎带处出现了明显的塑性变形，工作面迎头的超前测点在采动影响下塑性变形荷载在0.2MPa以下。当迎头推过测点后，此时底板岩层处于卸压状态，岩层会逐渐膨胀，使得塑性变形应力逐渐升高，最大达到1.1MPa。可知回采动压对断层区域的影响是较为剧烈的，根据上区段工作面底板采动变形实测可知，正常区域煤层底板的破坏深度小于10m，结合本次断层破碎带垂深15m的应力观测结果，推测F1162断层在回采动压影响下的破坏深度大于15 m。

综合断层破碎带区域探测2#孔附加应力和水压曲线可知，在工作面超前测点35 m到推进过测点35m的范围内，测点的采动矿压逐渐增大。在工作面推进过测点后，其矿压显现现象较为剧烈，但此时其对应的超静孔隙水压力却消散，这在一定程度上反映出，在断层区域该深度的采动活化较弱。

3.2 断层破碎带阻渗特性评价

（1）底板带压开采条件

采用突水系数的形式对工作面底板的水害程度进行评价。突水系数计算公式如下：

式中：Ts为突水系数；M为底板隔水层的厚度；P为底板隔水层承受的水头压力。2#煤层底板距下覆太灰顶面平均间距为80m，太灰水的水压平均为1.91～2.36MPa，代入式（2），计算出突水系数为0.024～0.030MPa/m，小于0.06MPa/m。根据《煤矿防治水细则》，工作面属安全开采区。

（2）断层破碎带阻渗评价

根据2-208工作面2#煤层与下伏太灰水含水层间的平均距离，并据埋设的最下部探头垂直为30m的位置，可大致确定出22#探头沿着F1162断层面与太灰水的平均间距约在43m，见图4。

基于2-208工作面回采过程中垂直深度30 m位置水压探头的监测数据可知，采动影响下该处水压值的变化幅度相对较小，表明下覆太灰水的补给并未达到该处，由此可确定F1162断层与太灰水之间并未发生联系，断层具有较强的阻渗性能，回采动压扰动下并未出现活化现象。

4 结语

根据2-208工作面带压开采的具体情况，结合F1162断层特征，基于建立底板隔水层阻渗评价方法，具体计算底板阻渗强度，并在工作面回采期间分析断层区域水压及附加应力，确定出工作面采动影响下F1162断层并未连通底板太灰水含水层，即断层破碎带回采期间不会活化导水。