坪上煤业2302工作面断层对防治水工作的影响研究

张慕宇

(晋城市沁水县端氏镇曲堤村坪上煤业有限公司，山西 晋城 048203)

1 工程概况

山西晋煤集团坪上煤业有限公司位于沁水县端氏镇坪上村，西距沁水县城约40 km。井田位于沁水盆地之南缘，太行山南端西侧，地貌划分属为侵蚀山地，以低山丘陵为主，沟谷发育，地形高低起伏不平，较为复杂。坪上煤业于2012年12月开始试生产，2013年6月正式投入生产。目前开采的3号煤层，采用单水平分东、西两个盘区开采，走向长臂采煤法，全部垮落法管理顶板，分层开采，上分层采高一般2.65 m。瓦斯等级为煤与瓦斯突出矿井，水文地质类型中等。

本井田位于沁水复式向斜轴部南端、晋-获褶断带西部，受区域构造影响，井田内构造总体为一倾向北西西的单斜，地层倾角3°～7°，根据地表基岩露头和钻孔的控制资料，井田内还发育有北东向的几组次一级宽缓褶曲，在井田西北部边界处发育一大型断裂构造——寺头正断层(见图1)。该断层井田内有ZK4-1钻孔揭露和控制，破碎带宽度2.5 m，破碎带厚度37.47 m，落差200 m；在井田西侧潘庄二号井田有两个钻孔控制，破碎带厚度10 m～30 m，断距190 m；该断层为区域性大断裂，延伸较远，规模较大。该井田主要构造特征总结为表1所示。

坪上煤业受奥灰突水的影响，井田范围内所开采的3、9、15号煤层均属带压开采。目前矿井开采

图1 坪山煤业寺头正断层

表1 井田断层统计表

3号煤层，属带压开采相对安全区。通常情况下发生底板奥陶系岩溶水突水的可能性较小，但在断裂构造附近存在发生突水的可能，采掘工程受底板奥陶系岩溶水影响相对较小，一般不危害矿井安全，其防范重点是井田西北边界处的寺头断层及其他隐伏断裂构造导水。

2 2302工作面回采数值模拟

根据过往经验及现场实践认为，由于断层、裂隙和褶皱均是诱发矿压增大、瓦斯涌出异常、顶板稳定性破坏的关键因素，因此，通常将这三者认为是构成矿井隐蔽致灾的地质因素，对矿井安全有较大影响[1-3]。本文依据矿井实际生产布局及开拓、掘进和回采计划，为保障坪上煤业2302工作面的采掘安全和留设防隔水煤柱需要，将使用岩土工程三维分析工具FLAC3D 3.0对2302工作面进行仿真建模分析，模型如图2所示。

图2 2302工作面含75°断层回采数值模型

此次仿真建模的2302工作面共包含有11个煤(岩、水)层，主要针对工作面内的断层，结构建造方案设计如下：回采间隔设置为30 m，即，首采长度30 m，第二次与第三次回采距离分别为60 m和90 m。边界条件设置方面：根据表2所示，工作面寺头正断层为区域性大断裂，延伸较远，取其平均值为75°，上覆岩层容重取pg=26 000 N/m3进行分析模拟。为便于计算，建模尺寸(长、宽、高)分别设置为：L=500 m，B=300 m，H=100 m，整个模型共由108 516个网格节点组成，划分为110 086个网络单元。另外，将四周边界条件与模型中心位置同时施加最大水平主应力为-30 MPa，自重应力为10 MPa，上部主应力施加为-15 MPa。

如图3所示，随着2302工作面与断层之间距离的缩进，工作面与断层之间应力的集中化程度也随矿井正常的回采而逐步提高，峰值将接近30 MPa。图3a)为首采至30 m时的模拟情况，与断层间的距离为75 m，此时应力主要集中在2302工作面前部方向和断层上部区域；当图3b)回采继续进行至60 m时，与断层相距为45 m，断层四周的应力分布较图3a)更加集中，工作面前方与采空区应力也随之趋于上升；当工作面回采至90 m时，此时仅与断层相距15 m的距离，如图3c)所示，应力集中程度再一次升高，并且远超于图3a、b)的数据。从数值计算结果可以看出，断层左侧水平应力峰值接近30 MPa。分析认为，随着工作面的回采，回采面与断层的距离逐渐变小，工作面以及断层四周应力集中程度越高，其中最大值达到了30 MPa，这是因为断层的存在导致了工作面回采期间应力梯度的加大，另外，断层也隔绝了工作面前方的应力范围，使之都积聚在工作面与断层周围，当其超出了煤体的承载能力时，就会产生煤体以及岩体的裂隙，形成导水通道。

图3 回采期间工作面最大主应力云图

如第81页图4所示，2302工作面在回采时，塑性区的破坏程度随着回采进行而趋于严重。1) 图4a)为当工作面首采30 m时，底板塑性区受破坏程度最小，在3 m以内；2) 图4b)为工作面回采至第二位置60 m时，断层活化性得到小幅提高，底板塑性范围介于8 m～10 m，同时，回采面的采动导致断层出现裂隙；3) 图4c)为当回采至第三位置90 m时，底板塑性区破化程度显著增大，破坏范围达到13 m以上，同时，一条位于底板采空区的裂隙在距离断层仅15 m处基本形成，由于已经位于断层活化带范围，极有可能与其连通，最终形成导水裂隙。另外，在回采过程中不可避免地发生断层破碎带受到含水层中承压水对其冲刷、腐蚀、侵蚀的作用，从而加剧了对断层的破坏范围和破坏程度的影响。

图4 底板塑性破坏程度分布图

2.1 3号煤层钻孔突水系数[3]

根据《坪上煤业水文地质报告》可知，本区奥陶系中统岩溶水水位标高542 m～570 m，井田内各可采煤层底板标高均低于岩溶水水位标高，属带压开采矿床。根据煤矿水文地质资料带入公式(1)中，得到如表2的结果。

根据《煤矿防治水规定》有关要求，本次突水系数计算采用公式(1)进行计算。

(1)

式中，T为突水系数，MPa/m；P为底板隔水层承受的水头压力，MPa；M为底板隔水层的厚度，m。

表2 3号煤层钻孔突水系数计算表

本井田3号煤层最大突水系数为0.040 MPa/m，小于底板受构造破坏块段临界突水系数(0.06 MPa/m)，正常情况下，发生突水的可能性小，但在断裂构造附近存在发生突水的可能。

3 矿井防治水措施

为防范北部边界寺头断层对2302、2304、2306工作面的采掘影响，坪上煤业正在开展《坪上矿寺头断层导水性研究》项目，通过在井下2302、2304、2306工作面巷道内进行物探(地震反射法探测、瞬变电磁探测)、钻探手段，以探明寺头断层(F13)及其派生地质构造的准确位置、产状要素、含导水性情况，并制定防隔水煤柱留设方案及基本参数。

由于煤层顶底板含水层富水性差，断层、裂隙和褶皱对矿井充水影响不大。但可诱发局部矿压增大、局部瓦斯富集、煤层顶底板稳定性降低，构成矿井隐蔽致灾的地质因素。在采掘过程中，在采用超前物探、钻探探测措施，准确确定断层位置、落差的同时，加大煤层瓦斯抽采力度及煤层顶板稳定性的观测，以确保矿井安全生产。

4 结论

山西晋煤集团坪上煤业有限公司水文地质类型属中等，由于奥灰突水的影响，目前矿井开采3号煤层属于带压开采，其最大突水系数为0.040 MPa/m。为了保障2302工作面的安全生产，矿方通过FLAC3D对此进行了模拟分析，结果发现，工作面距断层间距离与应力集中化程度成反比关系，即相距越远，应力集中化程度越小，但随着工作面的推进，应力集中程度显著增大，将导致底板裂隙带的产生，矿方对此制定了防隔水煤柱留设方案及基本参数等防治水措施，开采过程中并未出现异常突水等情况，从而保证了2302工作面的安全生产。