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[摘 要]新集一矿150801工作面位于阜凤下夹片断层下,8#煤顶板距离上覆下夹片断层46~88m,在局部地段,采动后的导水裂隙带有可能波及下夹片断层带,导致夹片断层带水及夹片灰岩水涌人矿坑,严重危及150801工作面的安全回采,因此需要合理留设导水断层边界防水煤柱。根据淮南矿区经验,留设防水煤柱一般取经验值80~100m,这个取值会在一定程度上造成压煤,本文通过计算,得出防水煤柱宽度应取值为70m,这样既能提供矿井安全回采的科学依据,又能减少压煤量,提高回采量。并可为今后其他采煤工作面留设防水煤柱提供参考。
[关键词]新集一矿;导水断层;防水煤柱;150801工作面
中图分类号:TD32 文献标识码:A 文章编号:1009-914X(2014)31-0357-01
防水煤柱留设是矿井防治水工作的重要内容之一,对较大断层留设合理的防水煤岩柱是我国各矿区最普遍应用的方法,亦是防止断层突水最有效的方法之一。对与强含水层连通的导水断层,必须按规定留设合理防隔水煤柱。在同一矿区内,一般采用一个既定的经验值。但由于个别矿井地质条件的特殊性,导致矿井防水煤柱留设宽度过大,造成严重的压煤。本文根据新集一矿的构造特征及富水性分析,探讨了以阜凤逆冲断层面为边界的150801工作面的防水煤柱宽度的留设情况。
1 150801工作面构造条件分析
新集一矿150801工作面位于井田南东翼采区的南部,设计走向长2080m,倾斜宽108m。150801工作面主采8#煤层,该煤层稳定,结构简单,倾角3°~8°,煤厚1.90~4.73m,平均厚度为3.34m。8#煤顶板距离上覆阜凤下夹片断层46~8m,阜凤逆冲断层面走向近东西~北西西,倾向北,倾角浅部缓(5°~10°),深部较陡(20°~30°),总体为一单斜构造,次一级的褶曲比较发育。该断层面是一个宽缓圆滑的曲面,在本区总的趋势向南倾,沿倾向倾角变化大,北部倾角缓,一般5°左右,局部近水平或倾向北,向南倾角逐渐增大,一般为20°左右。沿走向方向也呈现出波状起伏的曲面特征,由5线向东,推覆面逐渐下凹。阜凤逆冲断层上、下均存在分支断层,上分支为主动分支,以叠瓦式出现,,下分支为被动分支,以透镜状夹片出现。F02逆冲断层为阜凤逆冲断层之上的叠瓦式分支之一, 位于311、201、102孔附近。在井田南部发育阜凤下夹片断层(逆冲),在倾向剖面上呈透镜状或勺状,夹片有部分奥陶系及石炭一二叠系地层组成,地层倒转、层位紊乱,岩层产状变化大岩石破碎,煤岩层对比困难。
2 150801工作面上覆夹片地层富水性分析
2.1 夹片灰岩分布规律
从整个矿区来看,夹片灰岩约占20%,主要为石炭系太原组薄层灰岩, 仅在1线见奥灰。灰岩厚度为0.54~154.15m,平均26.13m。其厚度和埋深变化较大,总的特征是:倾向方向南厚北薄,与夹片地层厚度的倾向方向变化趋势一致。灰岩分布在夹片地层的上部, 至夹片底界面的垂距为23.82~150.85m,1线和5灰岩自夹片顶部分布至底面,8线灰岩分布在夹片底部。
2.2 夹片富水性分析
灰岩为夹片中的主要含水岩体, 含承压岩溶裂隙水。但从揭露钻孔资料分析, 灰岩岩溶不发育, 夹片地层富水性弱, 这可从以下几个方面得到证实:
第一,揭露夹片的钻孔中,仅0103、103、106 、313等少数几个钻孔漏水,而且漏水量较小。其中103孔耗漏水量0.2~0.24m3/h,漏水深度为232~272m。106孔耗漏水量1.06~3.2 m3/h, 漏水深度为348~387.6m。
第二,新集矿区曾在313孔做过抽水实验,计算得q =0.00593L/(s.m),K= 00034m/d。新集二矿主井探水注浆孔揭露时单孔最大涌水量20 .06m3/h.
第三,阜凤下夹片断层带宽度0~8.45m,主要为破碎的砂泥岩等隔水岩性组成,仅在709孔灰岩段漏水(但距工作面较远),而在北部的108孔(工作面设计切眼附近)未见灰岩且不漏水。因而,可以认为阜凤下夹片断层带导水性和含水性较弱且不均匀。
3 F02断层上盘防水煤柱的计算
3.1 防水煤柱宽度的确定
煤柱宽度的留设受煤层埋藏深度、煤层厚度、煤层倾角、巷道断面面积、支护阻力等众多因素的影响,煤柱留设需要满足两个条件:(1)防水煤柱有足够宽度的弹性核区抵抗老空水侧向静水压力。煤柱两侧塑性变形区域称为屈服区,中部未发生塑性变形的区域成为弹性核区。屈服区内煤体采动裂隙充分发育,煤层渗透能力剧增,基本丧失隔水能力。煤柱真正发挥隔水作用的是未发生塑性破坏的中部弹性核区,该区域煤体因受采动影响较小,仍有较强隔水能力。(2)防水煤柱宽度要保证覆岩最大导水裂隙带不贯通。在矿山压力作用下,煤柱两侧采动将引起上覆岩层的运动,两侧采空区导水裂隙带各自发育,导水裂隙带一旦贯通将可能发生透水危险。
3.2 考虑断层水在顺煤层方向上压力煤柱留设计算
计算公式如下:
式中:L为煤柱留设的宽度(m),L≥20m为安全系数,一般取2~5;M为煤层厚度或采高(m);P为水头压力(kg/cm2);Kp为煤的抗张强度(kg/cm2)。
新集一矿150801工作面开采主煤层为8#煤层,煤厚1.90~4.73m,平均厚度为3.34m,采高为4.0m,m,故取M=3.5m。计算防水煤柱宽度时取高水头值,P约为9MPa(90kg /cm2 )。Kp为煤的抗张强度,根据实验数据取0.65MPa;K值取5。带入式中得L=56.4m。考虑断层破碎带宽度为8~15m,故在回采F02断层上盘煤层时,留设70m宽的防水煤柱。
3.3 考虑煤层底部隔水层能否抗住下部含水层时煤柱留设计算
计算公式如下:
式中:a为断层倾角(°),取值20°;L为为断层防水煤柱宽度(m),L≥20m。
+10
式中:P为防水煤柱所承受的静水压力(MPa),取值3MPa;V为突水系数,取0.08MPa/m;
保护带厚度一般取10m。
求得=47.5m,L=67.8m
根据以上两种方法计算的结果,综合考虑F02断层的构造特征和水文地质特性,断层上盘150801工作面防水煤柱应留设70m。
4 结论
(1)新集一矿150801工作面靠近F02断层需留设防水煤柱,经计算的防水煤柱为70m,实际生产中留设的100m煤柱,虽能确保矿井安全,但是严重压煤。
(2)采用计算的70m断层边界防水煤柱,既能确保了安全生产,又可取得较好的经济效益,并为以后的工作面开采提供参考。
(3)以其他大型导水断层为边界的采煤工作面,可采用相同的计算方法计算防水煤柱宽度,但其公式中参数应当根据具体情况而定。
参考文献
[1] 袁中帮.巷道过断层及断层防水煤柱留设方法初探[J].中国煤炭,2009(03).
[2] 刘洋,柴学周,李竞生.巷道过断层及断层防水煤柱留设方法初探[J]. 煤炭学报,2009(03).
[3] 刘衍高. 深部开采区导水断层防水煤柱合理留设探析[J]. 煤矿开采,2008(01).
[4] 李阳,刘春平,孙明聪,王景丽,陶威.朱集煤矿导水断层边界防水煤柱合理留设研究[J].地下水,2012(03).
作者简介:凡鹏(1976—— ),安徽淮南人,助理工程师,1996年毕业于淮南工业学校煤矿开采技术专业,2009年毕业于安徽理工大学采矿工程专业,现供职于国投新集能源股份有限公司新集一矿地测科,
[关键词]新集一矿;导水断层;防水煤柱;150801工作面
中图分类号:TD32 文献标识码:A 文章编号:1009-914X(2014)31-0357-01
防水煤柱留设是矿井防治水工作的重要内容之一,对较大断层留设合理的防水煤岩柱是我国各矿区最普遍应用的方法,亦是防止断层突水最有效的方法之一。对与强含水层连通的导水断层,必须按规定留设合理防隔水煤柱。在同一矿区内,一般采用一个既定的经验值。但由于个别矿井地质条件的特殊性,导致矿井防水煤柱留设宽度过大,造成严重的压煤。本文根据新集一矿的构造特征及富水性分析,探讨了以阜凤逆冲断层面为边界的150801工作面的防水煤柱宽度的留设情况。
1 150801工作面构造条件分析
新集一矿150801工作面位于井田南东翼采区的南部,设计走向长2080m,倾斜宽108m。150801工作面主采8#煤层,该煤层稳定,结构简单,倾角3°~8°,煤厚1.90~4.73m,平均厚度为3.34m。8#煤顶板距离上覆阜凤下夹片断层46~8m,阜凤逆冲断层面走向近东西~北西西,倾向北,倾角浅部缓(5°~10°),深部较陡(20°~30°),总体为一单斜构造,次一级的褶曲比较发育。该断层面是一个宽缓圆滑的曲面,在本区总的趋势向南倾,沿倾向倾角变化大,北部倾角缓,一般5°左右,局部近水平或倾向北,向南倾角逐渐增大,一般为20°左右。沿走向方向也呈现出波状起伏的曲面特征,由5线向东,推覆面逐渐下凹。阜凤逆冲断层上、下均存在分支断层,上分支为主动分支,以叠瓦式出现,,下分支为被动分支,以透镜状夹片出现。F02逆冲断层为阜凤逆冲断层之上的叠瓦式分支之一, 位于311、201、102孔附近。在井田南部发育阜凤下夹片断层(逆冲),在倾向剖面上呈透镜状或勺状,夹片有部分奥陶系及石炭一二叠系地层组成,地层倒转、层位紊乱,岩层产状变化大岩石破碎,煤岩层对比困难。
2 150801工作面上覆夹片地层富水性分析
2.1 夹片灰岩分布规律
从整个矿区来看,夹片灰岩约占20%,主要为石炭系太原组薄层灰岩, 仅在1线见奥灰。灰岩厚度为0.54~154.15m,平均26.13m。其厚度和埋深变化较大,总的特征是:倾向方向南厚北薄,与夹片地层厚度的倾向方向变化趋势一致。灰岩分布在夹片地层的上部, 至夹片底界面的垂距为23.82~150.85m,1线和5灰岩自夹片顶部分布至底面,8线灰岩分布在夹片底部。
2.2 夹片富水性分析
灰岩为夹片中的主要含水岩体, 含承压岩溶裂隙水。但从揭露钻孔资料分析, 灰岩岩溶不发育, 夹片地层富水性弱, 这可从以下几个方面得到证实:
第一,揭露夹片的钻孔中,仅0103、103、106 、313等少数几个钻孔漏水,而且漏水量较小。其中103孔耗漏水量0.2~0.24m3/h,漏水深度为232~272m。106孔耗漏水量1.06~3.2 m3/h, 漏水深度为348~387.6m。
第二,新集矿区曾在313孔做过抽水实验,计算得q =0.00593L/(s.m),K= 00034m/d。新集二矿主井探水注浆孔揭露时单孔最大涌水量20 .06m3/h.
第三,阜凤下夹片断层带宽度0~8.45m,主要为破碎的砂泥岩等隔水岩性组成,仅在709孔灰岩段漏水(但距工作面较远),而在北部的108孔(工作面设计切眼附近)未见灰岩且不漏水。因而,可以认为阜凤下夹片断层带导水性和含水性较弱且不均匀。
3 F02断层上盘防水煤柱的计算
3.1 防水煤柱宽度的确定
煤柱宽度的留设受煤层埋藏深度、煤层厚度、煤层倾角、巷道断面面积、支护阻力等众多因素的影响,煤柱留设需要满足两个条件:(1)防水煤柱有足够宽度的弹性核区抵抗老空水侧向静水压力。煤柱两侧塑性变形区域称为屈服区,中部未发生塑性变形的区域成为弹性核区。屈服区内煤体采动裂隙充分发育,煤层渗透能力剧增,基本丧失隔水能力。煤柱真正发挥隔水作用的是未发生塑性破坏的中部弹性核区,该区域煤体因受采动影响较小,仍有较强隔水能力。(2)防水煤柱宽度要保证覆岩最大导水裂隙带不贯通。在矿山压力作用下,煤柱两侧采动将引起上覆岩层的运动,两侧采空区导水裂隙带各自发育,导水裂隙带一旦贯通将可能发生透水危险。
3.2 考虑断层水在顺煤层方向上压力煤柱留设计算
计算公式如下:
式中:L为煤柱留设的宽度(m),L≥20m为安全系数,一般取2~5;M为煤层厚度或采高(m);P为水头压力(kg/cm2);Kp为煤的抗张强度(kg/cm2)。
新集一矿150801工作面开采主煤层为8#煤层,煤厚1.90~4.73m,平均厚度为3.34m,采高为4.0m,m,故取M=3.5m。计算防水煤柱宽度时取高水头值,P约为9MPa(90kg /cm2 )。Kp为煤的抗张强度,根据实验数据取0.65MPa;K值取5。带入式中得L=56.4m。考虑断层破碎带宽度为8~15m,故在回采F02断层上盘煤层时,留设70m宽的防水煤柱。
3.3 考虑煤层底部隔水层能否抗住下部含水层时煤柱留设计算
计算公式如下:
式中:a为断层倾角(°),取值20°;L为为断层防水煤柱宽度(m),L≥20m。
+10
式中:P为防水煤柱所承受的静水压力(MPa),取值3MPa;V为突水系数,取0.08MPa/m;
保护带厚度一般取10m。
求得=47.5m,L=67.8m
根据以上两种方法计算的结果,综合考虑F02断层的构造特征和水文地质特性,断层上盘150801工作面防水煤柱应留设70m。
4 结论
(1)新集一矿150801工作面靠近F02断层需留设防水煤柱,经计算的防水煤柱为70m,实际生产中留设的100m煤柱,虽能确保矿井安全,但是严重压煤。
(2)采用计算的70m断层边界防水煤柱,既能确保了安全生产,又可取得较好的经济效益,并为以后的工作面开采提供参考。
(3)以其他大型导水断层为边界的采煤工作面,可采用相同的计算方法计算防水煤柱宽度,但其公式中参数应当根据具体情况而定。
参考文献
[1] 袁中帮.巷道过断层及断层防水煤柱留设方法初探[J].中国煤炭,2009(03).
[2] 刘洋,柴学周,李竞生.巷道过断层及断层防水煤柱留设方法初探[J]. 煤炭学报,2009(03).
[3] 刘衍高. 深部开采区导水断层防水煤柱合理留设探析[J]. 煤矿开采,2008(01).
[4] 李阳,刘春平,孙明聪,王景丽,陶威.朱集煤矿导水断层边界防水煤柱合理留设研究[J].地下水,2012(03).
作者简介:凡鹏(1976—— ),安徽淮南人,助理工程师,1996年毕业于淮南工业学校煤矿开采技术专业,2009年毕业于安徽理工大学采矿工程专业,现供职于国投新集能源股份有限公司新集一矿地测科,