断层煤柱(1)

构造复杂厚煤层断层煤柱综放开采配套技术研究摘要：在系统分析矿井与断层区域构造水文地质条件基础上，结合物探断层情况，通过钻探与巷探对YF8、YF20-3断层的赋水特性及周围区域的水文地质情况进行了验证，表明了YF8、YF20-3断层静力条件下，既不含水也不导水的状态；然后借助数值模拟分析了断层煤柱的动态破坏机理和断层充填带联通破坏规律，得出了YF8断层下盘保护煤柱与YF20-3断层上盘保护煤柱合理留设宽度为10m；设计了断层煤柱影响区域内顺槽锚索网支护方案；开发了以厚煤层断层煤柱综放工作面的巷道布置方案、综放采煤工艺为主的断层煤柱综放开采技术；分别在义桥煤矿YF8断层下盘保护煤柱13下05综放工作面和YF20-3断层上盘保护煤柱13下04综放工作面进行了试采，将原来保留的50m以上断层煤柱成功开采40m，获得巨大的社会经济效益。

关键词：构造复杂煤柱宽度巷道布置合理支护综放开采煤炭是我国的主要能源和重要工业原料，在一次能源生产和消费构成中煤炭一直占70%左右，2008年，煤炭在中国一次能源生产和消费结构中的比重分别占75.6%和68.7%（图1为2008年中国一次能源消费构成、图2为2008年煤炭在一次能源结构中的比例），而且煤炭消费持续快速增长，由2001年的13.81亿t 增长到2009年的29.6亿t，年均增加1.75亿t（图3全国煤炭产量增长趋势图），煤炭资源需求增长的无限性与资源的有限性这一矛盾日趋激烈。

然而我国许多煤田构造及水文地质条件十分复杂，大量统计结果表明，突水绝大多数与断层有直接关系，90%以上突水发生在断层带本身及邻近范围，其中断层突水占74%，断层影响突水占23%。

因此，煤矿为预防突水事故发生，留设了大量断层煤柱，不仅积压煤炭资源，浪费巷道工程，而且造成煤炭采出率低，服务年限缩短等问题。

与此同时，一些老矿区随着煤炭资源的枯竭，开采断层煤柱势在必行。

图1 2008年中国一次能源消费构成图2 2008年煤炭在一次能源结构中的比例图3 全国煤炭产量增长趋势图义桥煤矿井田范围内断层数量较多，其中H≥100m断层15条；100m>H≥50m断层7条；50m>H≥20m 断层15条；20m>H≥10m断层8条；H<10m断层21条。

可靠断层31条，较可靠断层29条，可靠～较可靠断层3条，较可靠～可靠性差断层3条。

按断层落差留设煤柱，两侧各留一定水平宽度断层煤柱，落差≥50m断层两侧各留50m；落差≥30～<50m断层两侧各留30m，断层煤柱留设造成煤炭资源浪费严重，井田总可采储量2412.7万t，因工业广场煤柱、断层煤柱、大巷煤柱、村庄下开采地段煤柱等，积压大量煤炭资源，可采储量仅为1188.2万t，煤炭采出率低，矿井生产接续紧张。

为此，义桥煤矿针对构造复杂厚煤层断层保护煤柱综放开采技术进行研究，分别在YF8断层下盘保护煤柱13下04综放工作面和YF20-3断层上盘保护煤柱13下05综放工作面进行了试采，将原来保留的50m 以上断层煤柱成功开采40m，取得巨大社会经济效益。

1 工程地质条件分析1.1 矿井概况义桥煤矿核定年产90万t，立井开拓，两个水平开采，一水平标高-335m，二水平标高分南区和北区，南区水平标高-540m，北区水平标高-480m。

主采煤层3煤，煤层厚度4m左右，直接顶泥岩，老顶粉砂岩，直接底砂质泥岩，老底为粉砂岩，煤层划分六个采区、一个后备区，按顺序接续开采。

井田处于汶泗向斜的南翼，区内主要有北东向、北西向、近东西向和近南北向四组正断层，根据地震勘探资料解释，勘探区总体为一向斜构造，区内断裂构造比较发育，共解释和实际揭露断层66条。

1.2 YF8及YF20-3断层情况通过地震勘探及地表钻孔资料揭示，YF8断层位于井田中部，为正断层，区内延展长度1400m，走向北西西，倾向南南西，倾角70º，落差0～210m，属可靠断层。

在开采范围内，落差80～120m。

断层带被泥岩充填，所采煤层对盘岩性为上石盒子组杂色泥岩地层，且到十下灰含水层之间的距离大于160m。

YF20-3断层为YF20支断层，属正断层，区内延展长度300m，走向近东西～北东，倾向北～北北西，倾角70º，落差0～70m，属可靠断层。

在开采范围内，落差40～70m。

断层带被泥岩充填，所采煤层对盘为太原组上部三灰附近地层，该区域三灰、十下灰为弱含水层。

1.3 YF8及YF20-3断层区域含水层情况区域内主要含水层自上而下为第四系及山西组3煤顶底板砂岩裂隙含水层、太原组三灰、十下灰及奥陶系灰岩岩溶裂隙含水层、岩浆岩地层及石盒子组砂岩弱含水地层。

三灰厚2.40～4.70m，有21个钻孔穿过三灰，仅在浅部汶20-2孔漏水(漏失量1.0m3/h)，漏水孔率4.76%，充水空间不发育，汶18-1孔抽水试验，岩芯完整，抽水40分钟后抽干，水位高程28.17m，富水性弱。

井下开拓巷道实际揭露太原组三灰弱含水，钻孔探放水小于5 m3/h；13下04工作面下顺槽揭露三灰无涌水。

十下灰岩厚3.55～5.55m，全矿井共有7个钻孔揭露十下灰，未发现漏水孔，充水空间不发育，十下灰固定孔抽水试验，岩芯完整，裂隙不发育，且被方解石充填，抽水试验5分钟即抽干，水位恢复极缓慢，富水性极弱。

2 断层含导水性探测与分析2.1 钻探与巷探方案设计在物探的基础上，为了进一步掌握YF8与YF20-3断层含导水性、充填物特征等基本特性，采用钻探与巷探相结合的方式对物探结果进行验证。

针对断层YF8，同时为了确保切眼掘进安全，采用TUX—150钻机，在13下03切眼迎头施工钻孔，钻孔方位角178°，俯角11°，钻孔深度80m左右，揭露断层不含水。

在13下03下顺对断层YF8钻探探测，共施工2个钻孔，钻孔1在下顺导线点K点，方位角178°，俯角8°，钻孔深度约82～91m；钻孔2在导线点下4点处，方位角178°，俯角7°，钻孔深度约83～92m。

探巷沿钻孔方向施工。

图4为断层YF8钻孔及探巷平面位置图。

在13下04下顺对断层YF20-3进行钻探及巷探，共施工2个钻孔，钻孔1位于下顺导线点L23点以里15m，方位角157°，俯角7°，钻孔深度约为67～77m；钻孔2位于导线点L23点以里15m处，方位角157°，俯角10°，钻孔深度约为62～72m，沿钻孔方向施工探巷。

图5断层YF20-3钻孔及探巷平面位置图。

图4 断层YF8钻孔及探巷平面位置图图5 断层YF20-3钻孔及探巷平面位置图2.2 探测结果分析13下03皮顺1#钻孔探明断层带宽度约0.3m，红色泥质砂岩充填，充填物胶结程度高，断层不含水，钻孔穿过断层后，为石盒子组地层杂色泥岩，进入该地层8m后，钻孔涌水量小于0.1m3/h。

2#钻孔探明断层带宽度约0.2m，红色泥质砂岩充填，断层不含水，钻孔穿过断层后，为石盒子组地层灰、灰绿色中、细砂岩，弱含水，进入该地层8m后，钻孔涌水量小于0.1m3/h。

1#探巷揭露对盘石盒子组地层杂色泥、灰绿色中、细砂岩，涌水量小于0.2m3/h；2#探巷揭露的对盘石盒子组地层灰、灰绿色中、细砂岩弱含水，涌水量小于0.5m3/h。

13下04皮带运输顺槽施工结束后，沿煤层对YF20-3断层进行了钻探。

1#钻孔探明断层带被泥岩充填，断层不含水，钻孔穿过断层后，为太原组地层灰、黑色泥岩、粉砂岩，不含水，进入该地层10m，钻孔为干空。

2#钻孔探明断层带被泥岩充填，断层不含水，钻孔穿过断层后，为太原组地层灰、黑色泥岩、粉砂岩，不含水，进入该地层9.4m后，钻孔仍为干空。

在13下04皮带运输顺槽沿两钻孔方向进行了巷探，2#探巷揭露的对盘太原组地层灰、黑色泥岩、粉砂岩，不含水；1#探巷揭露的对盘太原组地层灰、黑色泥岩、粉砂岩，不含水；两探巷揭露断层带均被泥岩充填，断层不导水。

结合物探断层情况，通过钻探与巷探实测，查明了断层YF8及YF20-3的形态、构造特征及其含导水性，断层内的充填物多为泥岩，且胶结程度较高，不易形成导水通道，静力条件下，认为YF8及YF20-3断层是既不含水也不易导水的断层。

3 断层煤柱优化设计YF8与YF20-3断层两侧保护煤柱根据相关规定初步设计留设50m，按含水或导水断层防隔水煤柱的裘布衣公式理论计算，YF8断层煤柱可留设21.8m，YF20-3断层煤柱可留设24.8m。

为了合理留设断层煤柱，提高煤炭采出率，根据义桥煤矿3下煤在所处区域的实际地质条件，建立了三维计算模型进行断层煤柱优化，模型大小为312m×600m×71m，共有43740个单元，51677个节点。

13下04工作面及13下05工作面的具体网格划分如图6所示。

模型的两侧面（水平方向）采用水平位移约束，模型底面采用垂直方向及水平方向位移约束，模型上部边界为应力边界，所施加荷载等效上覆岩重。

表1 计算岩（土）层组物理力学性质指标岩组编号岩（土）层组名称密度弹模泊松比粘结力内摩擦角抗拉强度1 粉砂岩 2.59 9800 0.21 6.25 29.4 0.972 泥岩 2.2 2500 0.21 0.95 25 0.33 煤层 1.4 1000 0.36 1.05 21 0.034 细砂岩 2.65 110000.29 3.224.5 1.25 中砂岩 2.65 11000 0.19 7.33 30.9 1.036 灰岩 2.59 100000.21 4.121.80.857 砂岩互层 2.55 100000.22 2.7330 1.1计算选取莫尔—库仑模型进行计算分析，依据现场地质调查和相关试验研究所提供的岩石力学试验结果，在考虑岩石尺度效应的基础上，模拟计算所需的部分岩层的岩体力学参数如表1所示。

为了正确模拟分析义桥煤矿13下04工作面及13下05工作面综放条件下周围岩体及断层所留设煤柱的应力演化及变形破坏规律，探求工作面综放条件下断层留设煤柱变形原因及破坏根源，为大断层综放面条件下煤柱留设提供理论基础及必要的科学依据，制定了三个计算方案，断层煤柱的留设宽度分别为5m、10m及15m。

（a）13下04工作面模型网格划分图（b）13下05工作面模型网格划分图图6 计算区域内模型网格划分随着工作面的向前推进，巷道及断层带周围岩体的破坏形态和破坏范围都发生相应的变化，本次计算模拟主要对巷道及断层带周围岩体的破坏状态进行分析，13下04煤柱为5m、10m、15m时顺槽周围岩体的破坏状态及范围如图7～图9所示，13下05煤柱为5m、10m、15m时顺槽周围岩体的破坏状态及范围如图10～图12所示，当断层煤柱留设尺寸为5m时，顺槽周围岩体的破坏范围相对较大，同时破坏区域与断层面相连通，当断层煤柱留设尺寸为15m时，顺槽底部和顶部岩体的破坏范围相对较小，但水平向破坏程度较大，破坏区域与断层面相连通且引起了断层面的破坏，而当断层煤柱留设尺寸为10m时，顺槽周围岩体的破坏程度图7 13下04工作面5m煤柱时顺槽周围岩体破坏区域图图8 13下04工作面10m煤柱顺槽周围岩体破坏区域图图9 13下04工作面15m煤柱时顺槽周围岩体破坏区域图图10 13下05工作面5m煤柱时顺槽周围岩体破坏区域图图11 13下05工作面10m煤柱时顺槽周围岩体破坏区域图图12 13下05工作面15m煤柱时顺槽周围岩体破坏区域图及范围与断层煤柱尺寸为5m及15m相比较小，且与断层面连通的区域也较小，采动不会引起断层充填带活化。