缩小断层防水煤柱的研究与应用

缩小断层防水煤柱的研究与应用来源:《中小企业管理与科技》供稿文/杜忠江[导读]摘要：通过对石庄断层水文地质条件的分析，提出了缩小断层防水煤柱的可行性。经过计算确定的防水煤柱合理的宽度，为类似条件下断层煤柱的留设提供了参考。摘要：通过对石庄断层水文地质条件的分析，提出了缩小断层防水煤柱的可行性。经过计算确定的防水煤柱合理的宽度，为类似条件下断层煤柱的留设提供了参考。关键词：断层防水煤柱安全水头压力中图分类号：TD34文献标识码：B文章编号：1673-1069（2009）01-0000-000引言欢城煤矿主采3#煤层，该煤层位于山西组下部，煤层倾角130左右，直接顶为厚3.0m左右的砂质泥岩，老顶为灰白色中粒砂岩，底板为厚度5～7m的细砂岩。石庄断层为该矿八采区北部边界断层，走向约68～73o，倾向南东，倾角70～74o，为正断层。井田范围内，其走向长度约为3000m，落差大于200m。FA断层位于该井田西南翼，走向295～302°，倾向北东，倾角71°，为正断层，井田内走向长度约1500m，落差约50m左右。石庄断层和FA断层在本井田以往历次勘探及报告编制过程中，均留设了100、50m的防水煤柱，但没有做过具体的定量分析和研究。1石庄断层和FA断层的控制程度在井田范围内，石庄断层以B-13、C-15、C-18、D-1、D-4孔间接控制，以D-2、D-3、S-1孔直接揭露该断层，另有8条地震线通过，控制程度高，属已查明断层。FA断层以钻孔D－6、D－8孔直接揭露，D－7、B－12、D－9间接控制，另有9条二维地震线及三维物探控制了该断层，该断层也属已查明断层。2缩小断层煤柱可行性研究2.1石庄断层和FA断层的导水性及与之相关的奥灰和三灰含水性石庄断层上盘（井田内）煤系地层与下盘奥灰对口接触，2001年做的连通性实验表明，石庄断层的导水性较强。D-2、D-3、S-1号孔揭露石庄断层下盘奥灰系灰岩为白云质灰岩，岩石厚度分别为2.4、57.6和24.9m。岩石受风化影响严重，颜色从青灰～浅灰～浅黄色不一，裂隙溶洞发育，由方解石晶簇及粘土质充填或半充填，局部发育缝合线，水蚀现象明显。钻孔揭露时不漏水，D-3孔做抽水实验，其静止水位为-40m，第一次开机4min后断流，水位恢复后再开机，2min后又断流。这说明，石庄断层下盘奥灰在浅部富水性较弱，深部富水性强。FA断层的存在使3#煤和三灰的间距缩小至0～25m，在局部地段三灰与３#煤对口接触。D－6号孔揭露断层带时，出现循环液消耗量增大现象；D－7号孔揭露的断层带，由断层角砾岩和断层泥组成，裂隙发育，岩芯破碎。该断层的导水性因没有实验无法做出确切论断。1995年，31800轨道大巷揭露三灰时，曾发生突水事故，经过处理，水量基本稳定在18m3/h。因此，在此地段三灰对３#煤威胁严重，一定要留设足够的防水煤柱，保证安全开采。2.2缩小防水煤柱的依据如图1，缩小石庄断层防水煤柱，必须确保a值和b值以免奥灰水突破防水煤柱或底板隔水层而溃入工作面。2.2.1计算过程和结果。按照断层防水煤柱的留设公式计算：式中：a为防水煤柱的宽度，m；A为安全系数，一般取2～5；m为煤层厚度，m；k为断层附近煤层的抗张强度，MPa；p为奥陶系灰岩含水层的静水压力，MPa。对于p，按照石庄断层附近煤层的最低标高（-116m）与该断层对盘奥灰含水层的静止水位（-40m）之差来计算。计算结果如表1上表1说明，要防止奥灰水突破断层煤柱而溃入采面，水平方向必须留设不小于48×cos13°，即46.8m的防水煤柱。2.2.2验算。在保证留设48m断层防水煤柱前提下，还要考虑底板隔水层的留设距离是否足够，以防止在水压力和矿山压力作用下使采空区或巷道底板发生底鼓而突水，造成煤柱失效。因此，必须验证留设的煤柱是否合理。以下列公式计算A点的安全水头压力H安，如果计算出的水头压力H安大于A点实际的水头压力值，则说明留设的防水煤柱不会因顺层水压力造成破坏，满足底板不突水的条件。H安=2Kp·b2/L2+γ·b·cosα式中：b为采空区到断层面的最短距离，m；L为最大空顶距，m；Kp为底板隔水层之抗张强度，MPa；H安为在采空区到断层面的距离为b时所能承受的安全水头压力，MPa；γ为底板隔水层之相对密度，t/m3。计算结果如表2。通过计算，H安=358.7t/m2=3.5MPa，A点的实际水头压力p=1.1MPa＜H安=3.5MPa通过验算得知，石庄断层留设47m防水煤柱是可行的(47m为最大值)。根据上述计算方法，FA断层防水煤柱的最大值为37m。3实践应用及经济分析根据以上计算结果，考虑断层平面上的偏移，报经批准，最终确定石庄断层留设50m的防水煤柱，FA断层留设40m煤柱。目前，该矿已开采的31803、31805、31807和31806工作面，正是严格按照新留设的断层防水煤柱数据来设计的。开采实践证明，通过上述方法留设的煤柱是安全的。石庄断层和FA断层缩小煤柱后，累计可解放19.8万t永久防水煤柱。按照近3年的煤炭平均售价400元、成本150元计算，可以创造产值7920万元，利润4950万元。在摸清断层基本情况前提下，通过分析、计算、验算和正确施工，成功缩小了石庄断层和FA断层防水煤柱，不仅提高了煤炭资源的回收率，延长了矿井的服务年限，还创造了可观的经济效益。