斜沟矿井下断层防水煤柱设置宽度的优化研究

田渊辉

(山西西山晋兴能源有限责任公司斜沟煤矿，山西 吕梁 033602)

引 言

山西西山晋兴能源有限责任公司斜沟煤矿31024综采作业面在综采面南侧的边界断层线，总长度约为10.9 km，倾角约为45°～75°。该断层内多由泥岩和砂岩构成，结构稳定性差，在综采作业时受综采作业时的振动、冲击的影响极易导致在断层区域的岩体结构碎裂，而该处又紧邻着地层的含水区域，因此有极大的导水的概率[1]。

传统井下防水煤柱设置宽度计算方案仅考虑井下地质条件稳定时的影响，但斜沟矿井下由于存在着一个巨大的边界断层线，其与综采面过渡区域存在着大量的碎石带和裂隙，地质条件脆弱，易在矿压作用下产生塌方，加大导水概率，所以仅按传统的防水煤柱设置宽度条件进行考虑，无法满足井下安全防水的要求。因此本文在前人研究的基础上，结合斜沟矿井下实际地质条件，提出了一种新的适应于井下出现断层时的防水煤柱宽度计算方法，极大提升了井下综采作业的安全性，降低了出现透水事故的概率，按该方案设置的防水煤柱在斜沟矿经过近一年的应用，表现出了极高的稳定性，未再出现透水现象。

1 斜沟矿地质结构及理论防水煤柱宽度距离

31024综采作业面处在第二采区内，其地面的标高为42.3 m～47.6 m，井下综采作业面的标高为-876.6 m～-921.8 m，井下煤层的最大厚度约为4.6 m，最薄处的厚度约为3.1 m，煤层厚度分布较为均匀，整体呈现较为宽缓的微倾斜状，煤层的倾角约2.4°，井下综采面的地质结构总体上较为简单，但在井下开切眼处存在着一个约350 m落差的断层，其地质结构如图1所示。

图1 斜沟矿31024综采作业面断层位置示意图

该综采面属于极小倾角煤层，且其位于井下大断层的上侧，属于煤矿的边界区域，其煤层位于井下含水区域的上侧，此时应主要考虑煤层的下侧的隔水层的隔水能力能否承受来自下侧的水压，因此防水煤柱的设置宽度L可依据《煤矿防治水规定》附录三的公式计算[2]，见式(1)、式(2)：

(1)

Ha=TsP+10

(2)

式中：Ha为井下断层防水煤柱的宽度，m；P为表示煤矿井下的奥灰水头的压力，实际测量结果为7.8 MPa；Ts为表井下含水层突破时的临界突水系数，该综采面取0.05 MPa/m；α为井下断层的倾角，(°)。

由上式可得，防水煤柱的设置宽度和井下断层的倾角关系密切，倾角越小防水煤柱之间的宽度越大，因此当断层倾角为45°时，该综采面上具有最大的防水煤柱宽度，约为220.7 m，根据井下断层分布，其最小的防水煤柱设置宽度约为137.2 m，因此斜沟矿井下防水煤柱的理论平均宽度距离设置为176 m。

影响防水煤柱设置宽度的因素很多，针对斜沟矿井下断层的实际地质条件，其断层内多由泥岩和砂岩构成，泥岩的平均厚度约为4.3 m，砂岩的平均厚度约为2.6 m，地层结构稳定性差。该断层与井下含水区域相同，导水性好，在矿压波动作用下塌陷形成断层破碎带会更进一步加剧综采过程中导水的概率，而在塌陷时应力传递形成的煤岩屈服应带会产生大量的裂隙，对井下防水也会产生较大的影响。

2 断层破碎带宽度对防水煤柱设置的影响

根据分析，煤矿井下断层破碎带的宽度越大，防水煤柱的临界宽度会相应增加，煤矿井下的断层破碎带能够有效阻止综采作业过程中巷道围岩的应力冲击，可以起到阻止因井下爆破和综采振动而导致的二次应力的传播，因此井下断层的破碎带越大，围岩最大应力集中的范围就越广，并逐渐向着井下围岩断层的周围扩大，最终使围岩断层区域和综采区域的岩壁相互之间的剪切错动加剧，加大了巷道底板破碎面的面积，使该区域形成了有利于突水的通道，无法起到有效的放水作用，因此在设置防水煤柱的宽度时，需要将断层碎石带的宽度考虑进去。

根据斜沟矿井下综采面与大深度断层之间的地质特性，建立了工程地质模型，用于充分分析井下断层带的宽度和综采深度对防水稳定性的影响，其地质工程结构模型如图2所示。

图2 斜沟矿井下地质工程结构模型

对该地质工程结构模型进行分析，受力情况下的断层破碎带的宽度可表示为式(3)[3]：

Wb=λh

(3)

式中：Wb为断层破碎带的宽度，m；λ为井下碎石带的岩层坚硬系数，取1.12；h为井下断层的落差，取520 m；因此可计算出在该地质特性下的断层碎石带的宽度Wb=λh=1.12×520=47.7 m

3 断层屈服影响带宽度对防水煤柱宽度的影响

煤矿井下的断层屈服影响带主要位于综采面的采空区一侧，如图3所示，该处由于在综采作业时振动冲击和顶板矿压作用下产生了大量的裂缝，因此对于含水层来说，该位置极易出现涌水，无法起到阻水的作用，根据A.H威尔逊的研究结果，可将煤矿井下断层屈服影响带的宽度表示为式(4)[4]：

Lb=0.005MH

(4)

式中：M为井下综采面的煤层开采厚度，m；H为煤层的开采深度，m。

根据斜沟矿31024综采面的实际情况，其煤层开采平均厚度约为3.4 m，煤层的开采深度约为891 m，因此其井下矿压屈服强度影响作用下底板破断范围的增加值Lb=0.005MH=0.005×3.4×891=15.15 m。

图3 井下断层放水煤柱分带关系图

4 斜沟矿井下断层防水煤柱宽度的确定

根据以上分析，在对斜沟矿井下断层放水煤柱的宽度进行计算时，无论是在井下断层的水平方向上还是在井下断层的垂直方向上，都需要综合考虑井下断层破碎带的宽度和断层屈服影响带宽度对井下防水性能的影响。而斜沟矿的井下防水煤柱的宽度和井下断层破碎带、断层屈服影响带延展的方向一致，在井下实际综采振动和矿压作用下极易使以上区域的裂隙迅速扩张，进一步加大导水的概率。所以要使斜沟矿井下的放水煤柱起到应有的放水效果，就应该在井下理论煤柱宽度的基础上增加与之相邻的断层碎石带宽度和屈服影响带的宽度，即176+47.7+15.15=238.85 m。

5 结论

针对斜沟矿防水煤柱距离近，影响井下综采作业效率和综采作业经济性的问题，本文根据井下实际地质条件，通过对井下断层断裂区域破断范围的分析，提出了利用井下底板破断区域进行分段承压的方案，利用压实的岩层承担部分防水煤柱的作用，经过在斜沟矿井下的实际应用表明：

1) 在复杂地质条件下进行防水煤柱宽度计算时，应结合实际的地质条件，充分考虑断层破碎带宽度和断层屈服影响带宽度对井下防水的影响，提高计算的准确性。

2) 煤矿井下断层破碎带的宽度越大，防水煤柱的临界宽度会相应的增加。

3) 斜沟矿防水煤柱设置宽度由最初的176 m提升到了目前的238.85 m，经过斜沟矿近一年的应用，未出现井下导水、涌水事故，表现出了极高的稳定性。