考虑导水裂隙带影响的导水断层防隔水煤柱优化计算.pdf
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1、2023 年 10 月Oct.,2023doi:10.3969/j.issn.1672-9943.2023.05.031考虑导水裂隙带影响的导水断层防隔水煤柱优化计算(焦作煤业(集团)有限责任公司,河南 焦作 454000)摘要 大部分煤层底板突水都与断层有关,留设断层防隔水煤(岩)柱是防止断层突水的重要措施。通过综合分析 煤矿防治水细则 有关防隔水煤(岩)柱计算原则,认为导水防隔水煤(岩)柱留设除考虑煤层底部隔水层能否承受下部含水层水(断层水)的压力和断层水在顺煤层方向上的压力外,还应当考虑顶板导水裂隙带到断层之间岩柱能否承受断层水的压力,同时考虑煤层产状及与断层面的空间关系,从而推导出了顶
2、板导水裂隙影响的导水断层防隔水煤(岩)柱计算公式。通过实际计算对比发现,优化后公式计算结果准确,能够为矿井在断层附近安全开采提供更科学的依据。关键词 导水断层;导水裂隙带;防隔水煤柱中图分类号 TD745文献标识码 B文章编号 1672蛳9943(2023)05蛳0096蛳040引言煤矿水害事故是仅次于瓦斯事故的第二大杀手咱员暂。据统计,20012021 年全国煤矿发生水害事故 1 097 起,死亡 4 474 人咱圆暂,其中 2021 年煤矿水害事故死亡人数占全国煤矿事故死亡人数的 27%咱猿暂。煤矿突水必须同时具备突水水源和导水通道 2 个基本条件,其中断层是重要的导水通道。断层缩短了煤层
3、与含水层之间的距离,降低岩层强度,增强含水层的补给。部分断层本身导水贮水,增加了煤层突水的可能性和危险性。据相关资料统计,约80%的煤层底板突水都与断层有关咱源暂,特别是大型突水,断层往往是直接导水通道。防治断层突水是煤矿防治水的重要组成部分。1防隔水煤(岩)柱留设研究现状在煤矿生产中,留设断层防隔水煤(岩)柱是防止断层突水的重要措施。防隔水煤(岩)柱留设过大,会降低资源回收率,造成煤炭资源的浪费;防隔水煤(岩)柱留设过小,则不能起到防隔水作用,容易引发水害事故。因此,科学合理地计算、留设断层防隔水煤(岩)柱十分重要。目前,理论计算、多元回归分析、BP 和 RBF 方法、相似模拟技术、数值模拟
4、技术等方法逐步应用于断层防隔水煤(岩)柱的计算留设。施龙青等咱缘暂基于多元回归分析法,以水头压力、煤层厚度、安全系数、煤体抗拉强度为主要影响因子,得到了煤柱留设宽度的非线性预测公式;刘兵咱远暂从应力分析角度结合 LMBP 神经网络评价模型和数值模拟,对防水煤柱留设宽度进行分析;毕尧山等咱苑暂通过相似模拟试验,对煤层开采过程中的断层带岩体变形破坏特征进行监测分析,确定了相应的断层防隔水煤(岩)柱尺寸;魏久传等咱愿暂应用 FLAC 软件,对采区边界断层活化机制及煤柱合理尺寸进行了模拟,并结合经验公式,提出了合理的煤柱留设尺寸。煤矿防治水细则(以下简称 细则)附录中给出了断层防隔水煤(岩)柱的计算公
5、式,是目前应用最广泛、最直接的方法。但在实际应用 细则 计算留设防隔水煤(岩)柱时,发现 细则 将煤岩层简化为水平,而实际上绝大部分煤层都是倾斜煤层,仅考虑导水裂隙带与对盘含水层的位置关系,忽略了断层本身的含(导)水性等问题。本文以 细则 中断层防隔水煤(岩)柱计算原则为依据,结合地层产状及其与断层的关系、断层参数、岩层塌陷角等参数,对断层防隔水煤(岩)柱计算公式及其参数选取进行优化,以期提高断层防隔水(岩)煤柱的计算精度,提高断层防隔水煤(岩)柱的可靠性,为矿井在断层附近安全生产提供重要保障。2矿区概况焦作矿区位于河南省西北部,太行山东南麓,面积 1 350 km2,查明资源储量 50.07
6、 亿 t。矿区北部山区碳酸盐岩广泛出露,面积约 1 395 km2,接受大气降水补给,富水性极强。矿区整体为一走向北东、倾向南东的单斜构造形态,地层倾角5毅耀15毅,局部能 源 技 术 与 管 理Energy Technology and Management2023 年第 48 卷第 5 期Vol.48 No.5962023 年 10 月Oct.,2023王震考虑导水裂隙带影响的导水断层防隔水煤柱优化计算25毅耀30毅。矿区太原组上、下段岩溶裂隙含水层、奥陶系溶裂隙含水层是矿井主要充水含水层,由于其水压高、富水性强、补给量大,矿井底板易发生突水事故。矿区构造复杂,多以高角度正断层为主,其中北
7、东向压扭性断层最为发育,次为近东西向和北西向张扭性断层,3 组断层相互切割,使整个矿区构成大小不等的断块。这些断层不仅破坏了各含水层自身的完整性,作为地下水的赋存空间和含水廊道,成为地下水强径流带,而且使不同的含水层相互接触发生水力联系,造成该区矿井复杂的水文地质条件,在断层附近更易发生突水事故。据统计,焦作矿区自 1949 年后的 17 次突水淹井事故中,14 起为断层突水导致淹井;而 7 次突水量大于 6 000 m3/h的突水事故中,6 次为断层引起。3导水断层防隔水煤(岩)柱计算原则细则 附录六中断层防隔水煤岩柱尺寸计算公式将煤层简化为水平,实际上绝大部分煤层都是倾斜煤层,且其与断层面
8、的位置关系存在多种组合,不同组合对煤(岩)柱计算都会产生影响。细则 附录六之三(1)在对盘含水层顶界面高于本盘导水裂隙带发育高度时,按导水裂隙带到对盘含水层最短距离留设防隔水煤(岩)柱;附录六之三(2)在对盘含水层顶界面低于本盘导水裂隙带发育高度时,则是按对盘含水层距导水裂隙带最短距离留设留设防隔水煤(岩)柱,均忽略了断层本身的含水层。附录六之四描述煤层位于含水层上方且断层导水的情况下,防隔水的煤(岩)柱的留设应当考虑煤层底板和顺煤层 2 个方向上的压力,同样也未考虑在断层导水情况下顶板导水裂隙带与断层之间岩柱能否承受断层水压力,而在计算底板方向岩柱时却考虑了断层水压力的影响,标准不一致。煤矿
9、防治水手册 中将附录六之三(2)情况调整为导水裂隙带上限高于对盘含水层且断层不导水,但未给出断层导水时的计算公式,同时在煤层位于含水层上方且断层导水的情况下,仍然只考虑了煤层底板和顺煤层 2 个方向上的压力影响。细则 附录六之八相邻矿井人为边界防隔水煤(岩)柱也是依据两侧导水裂隙带上限岩柱宽度确定。综合分析 细则 中防隔水煤(岩)柱的计算原则,对于导水断层,可将其视为含水层,其防隔水煤(岩)柱留设应当同时考虑 3 个方向上的水压力:一是顶板导水裂隙带到断层之间岩柱能否承受底板水沿断层面导升形成的断层水的压力;二是煤层底部隔水层能否承受下部含水层水(断层水)的压力;三是断层水在顺煤层方向上的压力
10、。实际生产中确定每一条断层的导水性难度太大。基于焦作矿区复杂的水文地质条件和构造发育条件,为保证安全,先按断层均为导水断层留设防隔水煤(岩)柱,当采掘活动接近防隔水煤(岩)柱时,再对断层富水性进一步探查。4导水裂隙带方向煤柱计算公式优化计算导水裂隙带方向煤柱时,应首先确定本盘导水裂隙带到断层面之间最小安全岩柱,而与对盘无关,即与断层是正断层还是逆断层无关,只与导水裂隙带发育方向和断层面倾斜方向有关。文中计算图统一按正断层进行示意。4.1导水裂隙带发育方向和断层面倾斜方向相反当导水裂隙带发育方向和断层面倾斜方向相反时,随着采动顶板导水裂隙带向上发育,其与断层面之间垂向距离(岩柱)越来越小,如图
11、1 所示。(a)煤层倾斜方向与断层面倾斜方向相同(b)煤层倾斜方向与断层面倾斜方向相反图 1导水裂隙带发育方向和断层面倾斜方向相反时防隔水煤岩柱计算当煤层倾斜方向与断层面倾斜方向相同时,煤(岩)柱分析计算如图 1(a)所示。由图 1(a)分析可知:L3L2L1L忆兹琢L3L2L1L忆兹琢酌茁972023 年 10 月Oct.,2023L忆=L1+L2+L3=Hacsc兹+Hdcsc(琢+茁)sin茁cot兹+Hdcsc(琢+茁)cos茁(1)L=L4+L5+L6=L忆cos琢+L忆sin琢cot(兹-琢)+酝cot(兹-琢)(2)式中:L为煤(岩)柱留设的宽度,m;L4、L5、L6分别为煤(岩
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