石港煤业F14 断层15 号煤层防水煤柱留设宽度研究

岳建武

（山西晋中市左权县石港煤业公司，山西 晋中 036700）

1 概 况

山西石港煤业有限责任公司（以下简称“石港煤业”） 属华阳集团的控股子公司，位于左权县城北13 km 处，行政区划隶属于左权县寒王乡，石港煤业15212 工作面北为实煤体，东部为F14 断层，已按规定留有保安煤柱，西为15 号煤层辅助运输下山，南部为15213 回风顺槽，对掘进巷道无影响。邻近15213 备采工作面，按采掘计划暂不进行开采，对相邻工作面掘进巷道无影响。15212 工作面井上位于工业广场以北，汾西瑞泰煤矿以南，娘娘庙以东，红卫村以西，工作面地表为荒地、荒坡，没有其它建筑物。该工作面煤层为太原组下部，15 号煤层赋存稳定，结构复杂，发育有两层夹石。顶板向下2.47 m 处有一层0.25 m 厚度的夹石，底板向上1.81 m 处有一层0.18 m 厚的泥岩，煤层节理发育。工作面煤层总厚6.5～7.2 m，平均厚度6.85 m。15 号煤层顶板砂岩含水层为主要充水水源，遇裂隙带发育及锚索穿至砂岩含水层时，可导致顶板淋水增大，涌水量将大于正常涌水量。井下工作面煤层底板标高为+886—+922 m，本井田太灰等水位线标高为+1 094—+1 112 m，低于太灰等水位线，15212 工作面邻近的F14 断层落差50～120 m，错断层位在P 到O2之间，为确保工作面安全开采同时提高经济效益，对断层防水煤柱合理留设宽度展开研究。

2 断层探测及分析

石港煤业15212 工作面全长1 100 m 左右，具体位置为南五采区东翼，切眼长度约135 m，工作面东侧与F14 断层相连，需留设断层防水保护煤柱。根据矿井巷道揭露F14 断层的相关资料表明，-360 m 水平南翼回风大巷G22 点前34 m 揭露F14断层，断层上盘岩性主要为泥岩，结构极为脆弱，局部存在反倾现象，下盘主要为粉砂岩，结构较为破碎，断层带断面较光滑，断层带宽度在11.5 m左右，断层带内存在较多的角砾岩，直径为0.05～0.1 m，掘进迎头附近无淋水现象。

F14 断层附近有较多中型断层，且局部会存在裂隙、水文地质异常发育区的存在，为更加详细的掌握其发育情况，需在井下巷道实施钻探工程，以-360 m 南翼回风大巷里程830 m 处的FZ7 号钻场为例，共布置1 号（孔深200 m）、2 号（孔深110 m）、3 号（孔深70 m） 钻孔，方位角均为312°，倾角分布为-13°、-30°、15°，如图1 所示。

图1 钻探结果示意Fig.1 Drilling results

1 号钻孔钻进38～40 m 期间揭露断层破碎带，在钻进41.5～60 m 揭露15 号煤层，在钻进195～197 m 时见灰岩水，涌水量为3～5 m3/h；2 号钻孔在钻进34.5～41 m 期间揭露10 号煤层，在钻进52.0～58.6 m 期间揭露断层破碎带，在钻进107～109 m 期间出现灰岩水，涌水量10～15 m3/h；3 号在钻进29～30 m 期间揭露断层破碎带，出现部分断层泥，无涌水。根据钻孔揭露情况分析可知，15212 工作面附近区域，F14 断层落差约为19 m，倾角53°，断层基本不导水。根据2 号钻孔在单纯破碎带内进行抽水试验，q=0.006 122 L/s·m，k=0.010 21 m/d，根据水化学类型表明水源不是太灰，q小于0.1，判断F14 断层的富水性是极弱的。

3 防水煤柱留设综合分析

根据石港煤业巷探、物探等地质资料，确定F14 断层属于不导水断层，结合作图法建立F14 断层防水煤柱宽度的理论计算模型。由于断层不导水，仅需考虑回采工作面一侧下方的含水层，设置防水煤柱防止承压水由底板涌入工作面或采空区，将含水层与断层的交点作为圆心，以Ha为直径进行画圆，当圆形与工作面底板破坏带存在交点时，所对应的Ha即为安全防水岩柱宽度，此时回采工作面与断层间煤柱的宽度即为防水煤柱宽度，如图2 所示，其中Ha理论计算公式为：

图2 不导水断层工作面防水煤柱计算模型Fig.2 Calculation model of waterproof coal pillar in non-water-conducting fault working face

式中：Ha为承压含水层与底板破碎带间防水岩柱宽度，m；P为防水岩柱下部承压水压力，MPa；Ts为临界突水系数，在断层构造影响地段取0.06 MPa/m。15212 工作面位于F14 断层下盘，下部太灰水静水压力为2.12 MPa，由此计算得到安全防水岩柱宽度Ha=45.3 m，此时对应的防水煤柱宽度为28.5 m。

4 断层带内承压水水压衰减特征及防水煤柱分析

石港煤业15212 工作面位于F14 正断层下盘，工作面开采期间是否会引起断层活化需展开进一步研究。结合前文理论分析研究结果，借助数值模拟手段分别进行防水煤柱30 m、50 m 工况下15212工作面的开采模拟，对工作面开采期间上覆岩层及底板变形情况进行分析。

采用FLAC3D 软件进行模拟计算，根据石港煤业15212 工作面相关地质资料，设定巷道各层围岩的岩性及岩石力学参数，见表1。模型为工作面倾向模型，采用空间直角坐标系，模型规格250 m×200 m×100 m，如图3 所示，限制其水平、垂直方向位移，断层倾角为52°，在模型上边界施加7.5 MPa 的均布载荷，替代300 m 埋深时巷道上覆围岩载荷，15 号煤层采厚6.8 m。

表1 工作面顶底板岩层力学性质统计Table 1 Statistics of mechanical properties of roof and floor strata in working face

图3 三维数值模型Fig.3 Three-dimensional numerical model

设计15212 工作面沿断层走向方向布置，留设50 m 防水煤柱时，工作面由X=150 m 处开始采动，共推进60 m；留设30 m 煤柱时，由X=120 m 处开采采动，共推进80 m，模型计算平衡后沿工作面中部取竖直剖面，得到垂直位移云图，如图4 所示。

图4 采动后工作面顶底板垂直位移Fig.4 Vertical displacement of roof and floor of working face after mining

分析可知，工作面回采之后，随着工作面推进距离的增大，采空区范围逐渐增大，顶底板形变范围也同步增大，采空区顶板表现为中部下沉量最大，随与采空区边缘距离的减小而逐渐减小，底板表现为整体隆起。断层间防水煤柱为50 m 时，煤层顶板最大下沉量为561.1 mm，底板隆起12.4 mm，变形量沿工作面推进方向中线位置对称分布；断层间防水煤柱为30 m 时，煤层顶板最大下沉量为2 303.8 mm，底板隆起13.5 mm，变形量沿工作面推进方向中线位置对称分布。两种条件下，断层区域围岩均为出现局部异常位移，总体变形情况符合实际情形，断层无活化现象，由此可说明，留设50 m、30 m 防水煤柱均是可行的。

5 经济效益分析

当初进行石港煤业设计时，由于技术水平所限，设计F14 断层防水煤柱留设宽度为100 m，在石港煤业建设及生产过程中，陆续对F14 断层进行探测和研究，表明F14 断层是弱富水和弱导水性的断层。因此，结合上文理论计算和数值模拟结果，本着安全与经济的原则，在太灰水水位降至安全位置后，对F14 断层15 号煤层防水煤柱进行重新设计，将煤柱宽度由原始的100 m 优化设计为30 m，可多开采煤炭约45.5 万t，经济效益显著。

6 结 语

以石港煤业15212 综采工作面开采为工程背景，进行F14 断层防水煤柱留设宽度研究，结合矿井所处的实际水文地质条件，结合井下钻探、调研等手段，对F14 断层的位置、断层带等相关地质信息进行研究，综合分析判断F14 断层属于弱富水性和弱导水性断层，建立断层防水煤柱理论分析计算模型，理论计算得到15212 工作面断层防水煤柱宽度为28.5 m；使用FLAC 软件模拟研究，表明留设30 m、50 m 断层防水煤柱均可行，最终得出15212工作面F14 断层防水煤柱留设宽度应为30 m，目前工作面已安全回采完毕，取得较好经济社会效益。