九鑫煤业水文条件复杂区域防隔水煤柱留设研究

王利强

（山西沁和能源集团 九鑫煤业有限公司，山西 晋城 048200）

1 概 况

防隔水煤柱是为确保近水体安全采煤而留设的煤层开采上限至水体之间的煤岩层区段，是煤矿预防发生透水事故的一种重要设施。防水煤柱的留设可以防止地表水、老空水和断层裂隙水等渗入回采工作面，也可以在水文条件复杂的矿井配合防水闸门实现分采区、分水平回采，有利于突水时控制水势，减少灾情，保证矿井生产安全。

防隔水煤柱的种类有很多，主要分为横向防隔水煤柱和纵向防隔水煤柱两类。在断层附近留设的一般是横向煤柱，而在水体下采煤所留设的主要是纵向煤柱。《煤矿防治水细则》第九十一条规定：相邻矿井的分界处，应当预留防隔水煤柱。矿井以断层分界的，应当在断层两侧留有防隔水煤柱。《煤矿防治水细则》附录六第八条第一点规定：水文地质简单型到中等类型的矿井可采用垂直法留设，但总宽度不得小于40 m。

山西沁和能源集团九鑫煤业有限公司井田主采煤层为2 号煤，井田内主要含水层有奥陶系马家沟组碳酸盐岩岩溶裂隙含水层、石炭系太原组碎屑岩夹碳酸盐岩裂隙含水层、二叠系山西组与下石盒子组碎屑岩裂隙含水层及第四系松散岩孔隙含水层。2 号煤层矿井水文地质类型为中等。因此采用垂直法留设，设计井田边界留设20 m 的防水煤柱，但相邻矿井之间的井田边界煤总宽度不得小于40 m。但该矿存在一些水文条件复杂区域，主要集中在断层、裂隙带、陷落柱和采空区等，因此对这些水文条件复杂区域进行防隔水煤柱留设尺寸研究。

2 水文条件复杂区域防隔水煤柱的留设计算

2.1 断层、裂隙带防隔水煤柱的留设

断层破坏了地层的完整性，在富水性强的地层中会成为导水通道，使矿井涌水量增加，甚至引起突水事故。煤矿工作面内部隐伏导含水构造，尤其是隐伏导含水断层，是煤矿回采中的主要危险因素，因此断层防隔水煤柱的留设十分重要。

受区域构造影响，九鑫煤业井田总体呈向北倾斜的单斜构造，地层走向近东西，倾角4°～12°。井田内断裂构造较发育，结合三维地震勘探成果，2 号煤层解释17 条断层和1 个疑似陷落柱，三维地震未勘查区域断层5 条，三维地震未探测到但实际揭露断层1 条，井田内共发育23 条正断层，断层具体情况见表1、图1。

图1 九鑫煤业井田断裂构造纲要图Fig.1 The outline of fault structure in Jiuxin Coal Industry field

表1 九鑫煤业断层控制程度一览Table 1 The list of fault control degree of Jiuxin Coal Industry

根据矿井三维地震报告显示，井田内断层较多，按含水或导水断层的防隔水煤柱的留设方法进行留设。《煤矿防治水细则》附录六第六条规定：含水或导水断层防隔水煤柱的留设，可参照下列经验公式计算：

式中：L为煤柱留设的宽度，一般要≥20 m；K为安全系数，一般取2～5，因相邻矿井堡子煤业发生过奥灰突水事故，且部分地段突水系数邻近临界突水值，因此此次设计安全系数取5；M为煤层厚度或采高，m；p为水头压力，MPa；Kp为煤的抗拉强度，MPa。

根据九鑫煤业相关生产资料，2 号煤层的抗拉强度Kp=0.98～1.098 MPa，平均值为1.016 MPa，此次设计取其平均值，则结合表1 数据计算，九鑫煤业断层防隔水煤柱计算成果见表2。

表2 九鑫煤业断层防隔水煤柱计算成果Table 2 Calculation results of fault waterproof coal pillar in Jiuxin Coal Industry

除此之外，根据三维地震和地面电法勘探成果，结合已有地质资料，综合分析断层的发育特征，采用钻探方法进行验证，查明采掘范围内隐伏构造的特征和导（富） 水性，并严格按照相关要求，留设断层防隔水煤柱。在采掘过程中，由于地质条件影响留设防隔水煤柱长度不足的，要采用注浆加固断裂带等方式。对于严重影响工作面布置的，需要穿过断层时要进行超前探测，如果断层导水，则采用超前预注浆的方法进行加固，以满足带压开采安全的要求。

2.2 陷落柱防隔水煤柱的留设

根据三维地震报告显示，DX1 疑似陷落柱位于井田中部，与正断层F39 相邻，该陷落柱同时在2 号与15 号煤层陷落，长轴走向为NEE 向，平面形态为椭圆形。在2 号煤层中，长轴直径为118 m，短轴直径约为28 m；在15 号煤层中，长轴直径大于124 m，短轴直径约为35 m。根据九鑫煤业实际钻探验证，该陷落柱不导水，因此此次不进行隔水煤柱设计，将来采掘过程中如水文地质情况发生变化，要及时进行补充设计。

2.3 老空积水区域防隔水煤柱的留设计算

依据九鑫煤业已有水文地质资料，井田内采空区积水3 处，其中JS-1（井田南部采空区） 积水面积约14 117 m2，积水总量约13 300 m3，积水标高932 m；JS-3（201 采空区） 积水面积约200 m2，积水总量约40 m3，积水标高867 m；JS-4（207 采空区） 积水面积约23 758 m2，积水总量约115 435 m3，积水标高891 m；另外井田边界处存在相邻矿井的采空区积水1 处（JS-2），该积水面积约920 m2，积水总量约200 m3。

采空区的防隔水煤柱的留设同样按照式（1）进行计算，并遵循“采空区积水设计防隔水煤柱不低于20 m，相邻矿井防隔水煤柱总宽度不小于40 m”的原则，结果见表3。

表3 九鑫煤业采空区防隔水煤柱计算成果Table 3 Calculation results of goaf waterproof coal pillar in Jiuxin Coal Industry

鉴于井田内JS-1 和JS-4 采空区积水面积大，积水总量多，有必要对采空区的积水范围进行验证，以对采空区有个全方位的了解。为此，采用瞬变电磁物探的方法对采空区进行探测。在采空区附近现场条件好的巷道对采空区施工瞬变电磁探测，并绘制瞬变电磁视电阻率等值线断面图，如图2、图3 所示。

图3 JS-4 积水区瞬变电磁探测视电阻率等值线断面图Fig.3 The section of transient electromagnetic detection apparent resistivity contour in JS-4 water accumulation area

以物探为先导，后期再进行钻探验证，这样就能准确圈定老空积水边界线，对防隔水煤柱的留设具有指导意义。

3 结 语

水害是影响煤矿工作面安全回采的主要因素之一，水文地质条件复杂区域防隔水煤柱的留设是对煤矿安全生产影响重大。本文对九鑫煤业水文条件复杂区域防隔水煤柱进行了研究和设计，对断层、裂隙带，陷落柱，老空积水区防隔水煤柱留设尺寸进行了计算，并对两个积水量较大的采空区进行瞬变电磁探测，保障了工作面安全开采。矿井在实际生产过程中，要加强水文地质观测，收集相关资料，水文地质情况发生变化时，要及时补充完善设计，把水文地质条件复杂区域防隔水煤柱的留设作为防治水工作的重要方面。