大型正断层下盘厚煤层开采断层渗透性演变规律与煤柱优化研究

罗鹏 LUO Peng；赵炎 ZHAO Yan；张超 ZHANG Chao

（①枣庄矿业（集团）有限责任公司地质测量部，枣庄 277000；②枣庄矿业（集团）有限责任公司柴里煤矿，枣庄 277519）

1 研究背景及意义

123上02 工作面位于东十二采区北部，东为123上06工作面，西侧105m 为尹家洼断层，南为东十二准备巷道，北为姚桥断层。受尹家洼断层影响，断层上盘侏罗系砾岩含水层与下盘3上煤层对口接触。侏罗系砾岩含水层富水性较强，据东十二采区回风巷侏罗系砾岩水文探查孔资料，钻孔涌水量为49.5～98m3/h，水量较大。目前，断层上盘侏罗系砾岩含水层水位为-134.79m（2013-1 侏罗水位孔），研究区3上煤层位侏罗水压为1.62～2.65MPa，存在断层上盘侏罗系砾岩含水层侧向补给下盘3 煤顶板砂岩含水层的可能。通过进一步认识侧向含水层影响下大型正断层下盘开采断层渗透性演变规律以及煤柱尺寸合理优化，从而有效指导东十二采区的防治水工作，解放更多的煤炭资源，防治断层水害，保障生产的安全顺利进行，具有重要的理论和现实意义。

2 尹家洼断层含（导）水性分析

尹家洼断层为正断层，在研究区内其走向近南北，倾向西，倾角70°，落差220～280m，区内延伸1.7km。尹家洼断层在研究区内发育两个分支断层，分别为尹家洼支4 断层（走向近南北，倾向西，倾角70°，落差0～25m）及ZF12-3断层（走向北东东，倾向北北西，倾角70°，落差0～20m）。尹家洼断层受多个地面钻孔、井下钻孔及三维地震勘探控制，属于查明断层。

2.1 尹家洼断层含水性探查

尹家洼断层的含水性对研究区近尹家洼断层区域3上煤层安全开采具有重要影响。付村煤业有限公司采用井下物探、井下钻探等多种技术及方法对研究区尹家洼断层的含水性进行了探查，并有了较为准确的认识。现依据井下物探、井下钻探资料，对研究区尹家洼断层含水性进行详细分析。

2.1.1 三维直流电法与瞬变电磁超前探查

对尹家洼断层含水性情况进行三维直流电法[1]与瞬变电磁超前探查，为下一步钻孔探查断层附近岩层富水性提供依据。

2.1.1.1 三维直流电法探底板解释

本次井下超前探测数据采集使用的是WJDJ-6 三维高密度电阻率系统，沿巷道两侧对称布设电极，电极间距10m，采用三极装置观测巷道内的电场分布。得到以下结论：

巷道前方底板探查中，推测巷道前方30~90m、深度0m、20～40m 范围内含水性好，导电性强，呈现低阻异常响应。

巷道前方顶板探查中，推测巷道前方30~90m、深度0m、20~40m 范围内地层富水性强，导电性好，呈现低阻异常响应。

2.1.1.2 瞬变电磁超前探解释

利用瞬变电磁法[2]对巷道迎头分布进行了60°、30°、0°、-30°、-60°等五个角度探测，每个角度采用30°、-150°方位角进行探测，得到以下结论：

可推测在巷道前方30～90m、顶板上方20～70m 地层含水性好，导电性强，呈现低阻异常响应。巷道前方20～80m、底板20～70m 地层含水性好，导电性强，呈现低阻异常响应。巷道正前方30～90m 地层富水性好，导电性强，呈现低阻异常响应。

2.1.2 尹家洼断层含水性井下钻探

为查明尹家洼断层含水性，付村煤业有限公司先后在东十二采区总回风巷导24 点以西5m 正迎头、123上02 切眼等2 处钻场共施工8 个井下钻孔对尹家洼断层的含水性进行探查，有6 个钻孔直接揭露尹家洼断层。探查结论见表1。

表1 尹家洼断层含水性探测工作汇总表

2.1.3 含水性综合评价

经过一系列探查工作，对尹家洼断层含水性有了较为明确的认识。于东十二采区总回风巷导24 点以西5m 正迎施工的5 个钻孔中发现有一个钻孔通过断层带时发生涌水现象（2#孔，涌水量6m3/h），表明在该钻孔控制范围内断层带含水。在123上02 工作面切眼处进行的三维直流电法和瞬变电磁法超前探测发现多处低阻异常区，后经钻探验证无水，证明123上02 工作面切眼附近尹家洼断层不含水。综合认为尹家洼断层仍存在含水可能，为局部含水断层。（图1）

图1 各钻孔见断层深度、出水位置及水量示意图

2.2 尹家洼断层导水性评价

由于第四系中部存在一层稳定的隔水层，第四系含水层下段连续性差，且-50～-150 m 区域内断层导水性[3]一般，因此第四系上组水不会通过断层对侏罗系含水层、下石盒子组砂岩、3 煤顶板砂岩等含水层产生补给；由于-150～-450m 区域内断层导水性[4]好，因此，断层上盘侏罗系含水层会对3上煤层及其顶底板含水层产生侧向补给；由于-450～-550m 区域内断层导水性差，天然状态下或开采不导致断层活化条件下奥灰水不会通过断层与3上煤层产生水力联系。（图2）

图2 研究区尹家洼断层导水性分区图

3 尹家洼断层防隔水煤（岩）柱留设与数值模拟验证

3.1 尹家洼断层防隔水煤（岩）柱留设

为确保123上02 工作面的安全生产，依据各计算地点尹家洼断层两盘对接关系，采用多种方法对尹家洼断层煤（岩）柱进行计算：按含水或导水断层防隔水煤（岩）柱[5]留设时为27.31～31.00m，按煤层与强含水层或者导水断层接触时防隔水煤（岩）柱留设宽度为62.47～69.39m。

由于尹家洼断层影响，位于尹家洼断层下盘的123上02 工作面与上盘侏罗系砾岩含水层为近对口接触。因此，按煤层与强含水层或者导水断层[6]接触时的煤（岩）柱留设方式更符合123上02 工作面的实际水文地质条件，即取62.47～69.39m 较为合理。为保证工作面的安全生产，在按煤层与强含水层或者导水断层接触时防隔水煤（岩）柱留设方法计算结果的基础上取整数再加5m，因此，综合确定尹家洼断层防隔水煤（岩）柱留设宽度为68～75m。

3.2 工作面开采流固耦合数值模拟验证

本次研究采用FLAC3D6.0 数值模拟软件[7]，对123上02工作面开采过程中地下水渗流场与应力场流-固耦合进行深入的研究。

3.2.1 模型边界及边界条件的确定

123上02 工作面呈近南北走向，矩形布置，推采长度826m，面宽长度147~226m，面积154298m2，煤厚2.0～3.5m，平均3.0m。地面标高+34.7～+35.4m，工作面煤层底板-303.5（切眼）～-399.9m（采区轨道巷），最大埋藏深度约为435.3m。以123上02 工作面实际地质和开采条件为依据，建立数值计算模型。本次数值计算模型边界如下：

模型各边界均留有一定的边界影响区域，在开采区的两侧各留有50m 的边界。煤层为近水平煤层，厚度3m，采全厚，模拟采深430m；最终确定模型尺寸为380m×500m×130m，其中，垂直于煤层推进方向（即x 方向）为380m，沿煤层推进方向（即y 方向）为500m，竖直方向（即z 方向）为130m。模型构建尹家洼断层断层，断层倾角为70°，按实际走向相对关系建立。

模型四周及底面施加法向约束，顶面施加法向荷载6.0MPa，模拟上覆岩层的自重应力。侏罗系砾岩含水层施加梯度水压，3上煤层位水压为2.06MPa。力学模型选用mohr-coulomb 模型，流体模型各向同性。于3上煤层位高度断层内设置监测点。模拟开挖长度400m，预留68m 煤（岩）柱，平行断层带方向推进，模拟工作面回采共分8 个开挖步，每步各开挖50m，模拟开挖的范围x 方向为50～290m，y 方向为50～450m，z 方向为30～33m。

3.2.2 模拟结果

123上02 工作面开采100m 时，顶板塑性破坏区整体成拱形，最大破坏高度为3.5m，底板破坏带最大深度为4.5m，断层产生了一定破坏，但断层保护煤（岩）柱并未发生破坏，仍具有足够的阻水能力；工作面推进150m 时，顶板塑性区最大破坏高度为23m，底板破坏带最大深度为11m；工作面推进200m 时，顶板塑性区继续发育，大致形成“马鞍型”，最大高度为31m，底板破坏带最大深度为17m；工作面推进300m 时，顶板塑性区最大破坏高度为37m，底板破坏带最大深度为20m；工作面推进350m 时，塑性区最大发育高度为39m，顶板塑性区向上发育速度减缓，但其范围仍在扩大，底板破坏带最大深度为21m。工作面推进400m 时，顶板塑性区最大破坏高度为43m，底板破坏带最大深度为24m，计算得出3上煤层裂采比为14.3。此时123上02 工作面开采产生的导水裂缝带及底板破坏带并未与断层贯通，断层保护煤（岩）柱仍具有足够的阻水能力。证明留设的68～75m 尹家洼断层防隔水煤（岩）柱[8]可以保证123上02 工作面的安全开采。

4 结论

通过对研究区地质及水文地质资料进行系统总结、详细分析，对尹家洼断层的发育特征及含（导）水性进行了分析，进一步运用侧向补给条件下付村煤业有限公司尹家洼断层导水性及渗流变化规律和优化控制，提出合理有效的防隔水煤（岩）柱留设宽度计算方式，科学留设断层煤柱宽度68～75m，有效地防止断层水害事故的发生，提高了煤矿安全生产的理论和技术水平，优化了工作面布置，解放受断层威胁的煤炭储量约12 万吨，具有十分显著的社会效益。