东滩煤矿滋阳断层保护煤（岩）柱设计可行性研究

刘峰建

（兖州煤业股份有限公司东滩煤矿，山东 邹城 273500）

0 引言

根据东滩煤矿三采区开采设计，三采区行人巷、运输巷、轨道巷沿东部采区边界南北向布置，北部直至滋阳断层保护煤柱线。滋阳断层为矿井北部倾向北东的边界附近正断层，对盘为星村煤矿，东滩煤矿位于下盘位置，滋阳断层为区域性正断层，断层走向北西，倾向北东，倾角约70°。西北段断层落差大于350 m，东南端断层落差减小到80 m，至宣村断层终止。东滩煤矿在三采区行人巷掘进距物探滋阳断层面115 m时，迎头提前揭露滋阳断层带，经钻孔探查断层实际平面位置较物探解释位置向井田内发生摆动。为保证今后矿井生产安全，需对滋阳断层煤（岩）柱留设进行计算并进行可行性研究。

1 断层概况

滋阳断层为区域性正断层，位于东滩井田北部边界。断层走向北西，倾向北东，倾角约70°。西北段断层落差大于350 m，东南端断层落差减小到80 m，至宣村断层终止。根据《东滩煤矿三采区（北区）三维地震勘探报告》（江苏省煤田地质物探测量队，2002），井田内滋阳断层延展长度3 873 m，地震勘探评级断点106个，其中A级断点77个，B级27个，C级2个，17-3号钻孔穿过；17-2号钻孔控制；三采行人巷实际揭露该断层落差大于350 m，断层面向南摆动74 m，通过钻探验证，属查明断层。三采行人巷对接相邻星村井田上侏罗统含水层。根据地质资料，上侏罗统砂砾岩孔隙、裂隙承压含水层厚度393.27～735.20 m，平均500.56 m，采区内东厚西薄。

2 断层探查情况

2019年，中煤科工集团西安研究院有限公司对东滩煤矿滋阳断层进行了直流电法超前探测和瞬变电磁法超前物探工程，主要任务是探测三采行人巷、轨道巷前方区域滋阳断层的富水异常区。共圈定了3个%相对低阻异常区（见图1），①号异常位于轨道巷迎头前20～60 m，该异常不在滋阳断层附近，异常范围较大，异常幅值较强；②号异常位于行人巷迎头右前100～110 m，该异常在滋阳断层内，异常范围较小，异常幅值较弱；③号异常位于行人巷迎头后侧帮前70～100 m，该异常在滋阳断层内，异常范围较小，异常幅值较弱。

图1 超前物探探测结果分析图

综合分析次次综合物探成果，3处异常范围较小，上下联通较差，异常范围相互独立，①号异常位于轨道巷前方，主要发育在待掘巷道顶板附近，异常幅值相对较强，但该异常不在滋阳断层内，推测是顶板砂岩局部弱富水引起，富水性较弱；②、③号异常位于滋阳断层内，异常幅值弱，结合直流电法超前成果在滋阳断层内的部分视电阻率相对较高，对比瞬变电磁法视电阻率值，综合推测这2处异常是由于岩层内部裂隙局部发育导致，富水性较弱。

三采区行人巷揭露及钻孔探查证实，滋阳断层揭露处断层带宽约8.5 m，孔内干燥无水，不存在含水、导水现象。

3 三采行人巷滋阳断层煤柱留设计算

根据东滩煤矿三采行人巷揭露、钻孔探查，地面钻孔揭露断层时冲洗液消耗量资料分析，三采行人巷揭露滋阳断层点不含水、不导水，为确保安全，本次对滋阳断层按导水断层和不导水断层分别进行断层煤（岩）柱留设计算。

3.1 掘进工作面安全隔水层厚度计算公式计算断层煤柱

根据东滩煤矿采掘工程接续布置，三采行人巷附近均为三采区巷道煤柱，三采行人巷掘进至滋阳断层煤柱内，设计3309工作面停采线位于三采轨道巷西60 m，今后三采行人巷两侧130 m范围内无采煤工作面布置（见图2）。因此，本次三采行人巷断层煤柱留设按照《煤矿防治水细则》（2018）中掘进工作面安全隔水层厚度计算公式，以及含水或者导水断层防隔水煤（岩）柱的留设分别进行计算。

图2 三采行人巷附近工作面接续及煤柱留设示意图

图2 按照含水或者导水断层防隔水煤（岩）柱的留设计算示意图

掘进工作面安全隔水层厚度按以下公式计算：

式中：t为安全隔水层厚度，m；L为巷道底板宽度，m，考虑到断层水对掘进工作面的侧向压力，宽度应为巷道的高度值，三采行人巷高度为3.6 m；r为底板隔水层的平均重度，MN/m3，结合巷道的高度选取，隔水层平均重度取3煤层容重，1.32 MN/m3；Kp为底板隔水层的平均抗拉强度，MPa，煤的平均抗拉强度为1 MPa；p为底板隔水层承受的实际水头值，MPa。本次计算利用东滩井田红层水位观测资料。本井田共有红层水位观测孔9个，2020年底红层水位标高为-375.36～+3.13 m（见表1）。为安全考虑，本次计算红层取井田最高水位+3.13 m。三采行人巷垂向滋阳断层煤层标高约为-576 m，那么阻水煤层所承受的侧向压力水头值约为5.8 MPa。

表1 东滩煤矿侏罗系红层水位观测表

2）掘进工作面安全隔水层厚度

3.2 按照含水或者导水断层防隔水煤（岩）柱的留设计算公式计算断层煤柱

根据《煤矿防治水细则》（2018），含水或者导水断层防隔水煤（岩）柱的留设可按下式计算：

式中：L为煤柱留设的宽度，m。≥20 m；K为安全系数，一般取2～5，考虑到三采行人巷宽度4.5 m，高度3.6 m，影响范围较小，本次安全系数取3；M为煤层厚度或者采高，m，取附近钻孔揭露3煤层厚度为7.51 m；p为实际水头值，MPa，本次同前取5.8 MPa；Kp为煤的抗拉强度，MPa，本次取1.02 MPa。得出：L=0.5×3×7.51×（3×5.8/1.02）^0.5=46.5 m。

3.3 非采动情况下（巷道）断层煤柱宽度

断层不含水、不导水，原则上只考虑巷道岩层松动圈（5～7 m）对断层的影响。为安全起见，按照《煤矿防治水细则》（2018）安全煤（岩）柱宽度不得小于20 m的要求，断层煤柱取值20 m。

3.4 三采行人巷附近滋阳断层煤柱留设

根据以上分析计算，获得断层在断层导水、断层不导水2种条件下断层煤柱宽度计算值（见表2）。

表2 三采行人巷滋阳断层煤柱计算汇总表

综合上述分析计算，为安全考虑，三采行人巷附近巷道滋阳断层煤柱取计算值的大值，即46.5 m，作为三采行人巷附近断层煤柱宽度值。在大巷两侧保护煤柱（宽度40 m）至断层防水煤柱交点设定A、B点，两点之间断层防水煤柱按计算的数值46.5 m留设，A B点以外维持100 m不变（见图1）。

因三采区行人巷与滋阳断层断面呈斜交状（α角度约48°），煤柱宽度为47.0 m为垂直宽度，那么求得三采区行人巷需要填充的宽度应为（见图1）：

L'=L/sin(α)=46.5 m/sin48°=62.6 m

对照采掘工程平面图中巷道的具体位置，行人巷进入断层煤柱内62.6 m范围，需进行填充处理。

4 巷道充填

充填注浆选用采购及制浆方便的水泥-水玻璃浆液，水泥浆水灰比1∶1或0.8∶1，水泥浆与水玻璃体积比10∶1。巷道内充填矸石及碎石后，空隙率初步按35%计算所需的浆液用量，但具体用量以墙体套管出浆为准。整体注浆充填加固处理后，巷道内碎石+浆液形成类似混凝土的结构，强度类似岩石。

充填步骤如下：

步骤1：巷道内62.6 m充填段先预埋2根钢管，钢管沿着巷道底板铺设，钢管直径不小于65 mm为宜，其中1根长度不小于62.5 m，钢管出口端至巷道底端；另1根长度不小于32 m，出口端至巷道中间位置；2根管路主要用于后期的充填注浆加固。

步骤2：巷道内堆积充填矸石、碎石，尽可能密实推积，堆积的长度为巷道全充填处理段。

步骤3：在充填巷道口施工密闭墙，密闭墙采用挂网喷射混凝土，厚度不小于1.5 m。密闭墙施工时钢管从墙体引出。另外密闭墙的上部埋设2～3根直径不小108 m的套管，主要用于注浆充填时的放气及检验。

步骤4：利用2根预埋的钢管进行注浆，充填加固内部推积矸石的空隙，对矸石起到胶结作用，提高其整体强度。先注出口端在巷道底端的长钢管，注浆时密闭墙上套管处于敞开状态。待达到预设注浆的50%时，换用出口端至巷道中间的短钢管进行注浆，当发现密闭墙上的套管有出浆现象时，则说明墙后巷道已充填密实。则关闭墙上的套管阀门，巷道充填处理工作结束。

5 结论及建议

5.1 结论

1）滋阳断层发育特征。滋阳断层为区域性正断层，为东滩井田北部边界断层。断层走向北西，倾向北东，倾角约70°，落差80～大于350 m，井田内延展长度3 873 m，三采区行人巷实际揭露该断层落差大于350 m，勘探报告等评价认为属查明断层。

2）滋阳断层导水性。以往报告分析认为滋阳断层属于弱透水断层，但勘探钻孔穿过断层时冲洗液消耗量无异常变化，本矿及兴隆庄煤矿巷道揭露点证实其不含水、不导水。2014年9月20日，三采区行人巷掘进迎头揭露滋阳断层，断层破碎带干燥无水，没有含水和导水现象；迎头施工钻孔5个，其中探放水孔1个，钻孔揭露对盘侏罗系红层不含水，则说明三采区行人巷断层揭露点不含水也不导水。2019年物探探查结果显示，三采行人巷、轨道巷前方区域滋阳断层的富水性较弱。

3）按照断层导水条件下，按照掘进工作面安全隔水层厚度计算公式和含水或者导水断层防隔水煤（岩）柱的留设计算公式分别进行了断层煤柱据算。断层煤柱留设宽度分别不小于6.3 m和46.5 m，确定断层导水条件下煤柱留设宽度不小于46.5 m。断层不导水条件下非采动情况煤柱留设宽度分别不小于20 m。

4）三采行人巷附近巷道滋阳断层煤柱取断层导水与不导水条件下2个计算值的大值，即46.5 m，作为断层煤柱留设宽度值。对照采掘工程平面图中巷道的具体位置，三采区行人巷进入断层煤柱内62.6 m范围，需要进行充填处理。

5.2 建议

1）三采区行人巷等目前位置已进入滋阳断层煤柱内，应按重新核实的断层煤柱尺寸，填实、注浆封堵进入煤柱内的巷道。

2）采用三维地震勘探手段，进一步查明滋阳断层位置、产状，为采掘工程布置提供可靠的基础技术资料。

3）以往报告评述滋阳断层属于弱导水断层，采掘工程接近滋阳断层，应采用物探钻探手段加强对断层的探查，进一步核实断层位置及其含、导水性。

4）建立健全近滋阳断层采掘工作面排水系统，并加强维护管理，确保系统正常运行，及时排放工作面涌水。