浅谈断层保护煤柱合理留设及水害治理技术应用

浅谈断层保护煤柱合理留设及水害治理技术应用

胡伟,胡乃凤

安徽恒源煤电股份有限公司五沟煤矿  安徽 宿州 235000

【摘要】随着多年来的持续开采，矿井煤炭资源匮乏情况日益显现，而断层附近煤柱压煤量大，若能将断层附近积压的煤炭资源采出，不仅可以创造巨大的经济效益，还可以延长矿井服务年限，但因为断层的存在，留设小煤柱或者无煤柱开采时，容易诱发断层突水，影响安全生产。如何安全高效的采出断层附近积压的煤量，是五沟煤矿亟待解决的重大创新工程技术问题。

【关键词】煤炭资源回采、断层留设、保护煤柱

一、断层保护煤柱尺寸优化依据

断层保护煤柱尺寸优化及水害防控技术应用与研究是在充分掌握地质情况及水文地质情况的基础上，综合运用构造地质学、水文地质学、采矿学、弹塑性力学、断裂力学等学科理论，结合地面钻探及物探工程、井下实揭地质条件等，利用数值模拟、相似材料实验、理论分析等方法，分析断层煤柱尺寸优化的可行性与安全性，为提高断层附近煤炭资源采出率提供基础理论和技术的一项研究。基于国内外关于断层突水的研究现状，结合弹塑性力学等相关知识，建立采动影响下断层受力情况的力学简化模型，分析断层活化的力学机理，计算断层保护煤柱的理论留设宽度；同时采用室内相似材料实验及数值模拟计算，分析不同影响因素下，采动影响导致的断层带附近煤柱及岩体破坏情况的时空演化规律，以此为依据，确定工作面底板注浆加固范围，结合实际地质情况，设计经济上合理、效果上安全的注浆方案对其进行注浆加固改造，将其由含水层变为等效隔水层，改变含水层的补、径、排条件，注浆结束后通过实施井下并行电法、瞬变电磁等物探方法及钻探验证方法对注浆加固效果进行评价，分析断层留设小煤柱或者无煤柱开采的可行性与安全性，从而实现断层留设小煤柱甚至无煤柱开采，解放受断层水害的煤柱，实现提高资源回采率与水资源保护的和谐安全开采。通过该项研究，实现断层水害防治由过程治理为主向源头预防为主转变，由措施治理为主向工程治理为主转变，创新出一条底板含水层注浆改造、断层煤柱优化的绿色安全高效可持续开采新路。

二、断层保护煤柱尺寸优化及水害防控技术应用方法

综合运用构造地质学、水文地质学、采矿学、弹塑性力学、断裂力学等学科理论，结合地面钻探及物探工程、井下实揭资料等，利用数值模拟、相似材料实验、理论分析等方法，分析断层煤柱尺寸优化的可行性与安全性，为提高断层附近煤炭资源采出率提供基础理论和技术方法。首先，基于国内外关于断层突水的研究现状，结合弹塑性力学等相关知识，建立采动影响下断层受力情况的力学简化模型，分析断层活化的力学机理，计算断层保护煤柱的理论留设宽度；同时采用室内相似材料实验及数值模拟计算，分析断层倾角、工作面埋深、煤层厚度、煤柱留设宽度、推进速度、断层上下盘煤层开采顺序等不同时，采动影响与“水-岩”耦合作用下断层带附近煤柱及岩体破坏情况的时空演化规律，以此为依据，确定工作面底板注浆加固范围，结合实际地质情况，设计最佳注浆方案，通过实施井下并行电法、瞬变电磁等物探方法及钻探验证方法对注浆加固效果进行评价，分析断层留设小煤柱或者无煤柱开采的可行性与安全性，最后，分析注浆加固与断层煤柱优化后的经济效益情况，综合评价该项目的合理性。

三、断层保护煤柱尺寸优化及水害防控技术应用技术

（-）、井田水文地质条件研究

调研收集国内外断层留设小煤柱、无煤柱开采的研究现状及成果，研究其地质条件与五沟煤矿待研究区域的相似之处与不同之处，从中吸取其成功的经验，以利于本项目研究工作的顺利开展；以两淮矿区五沟煤矿断层附近灰岩承压水上煤层开采受水害威胁严重为背景，调研五沟煤矿待研区域顶底板范围内的含（隔）水层与断层分布的空间层位关系，通过钻探对底板隔水层取芯，利用超声实验、电镜扫描和渗透率测定等试验，揭示底板隔水层的阻隔水性能和渗透稳定性。

（二）、采动影响下断层活化的相似材料实验及数值模拟等

综合运用采煤学、岩体力学、“岩－水－应力”相互作用学说等，采用室内相似材料实验及FLAC3D大型计算软件，研究不同工况下的断层带附近岩体的破坏程度及断层的活化特征，评价断层影响下采动过程中的突水危险性。研究内容如下：

1.工作面回采过程中，煤层顶、底板以及工作面前方煤柱的塑性破坏情况；

2.工作面采动对底板灰岩含水层的影响程度，分析其渗流场的变化情况；

3.断层倾角及阻渗性能、开采方式、开采顺序、煤层埋深及厚度、承压水水压等不同时，工作面回采对断层活化及断层带附近岩体破坏情况的影响程度；

（三）、断层保护煤柱合理留设宽度的理论计算

结合实际地质资料与水文地质资料，依据《矿井防治水细则》等国家规范中，针对断层煤柱留设的相关规定，对五沟煤矿待研究区域内断层的和合理煤柱留设宽度进行计算，为后续设计合理的注浆方案奠定基础。

（四）、注浆方案设计及注浆工艺选择

根据相似材料试验结果及数值模拟计算结果，分析确定底板破坏带的范围，结合两淮矿区五沟煤矿底板注浆改造等承压水上煤层开采水害防治工程实践，分析浆液扩散半径，设计合理的注浆方案，优化注浆钻孔。在破碎严重地段，采取分段注浆、反复透孔注浆的方法，二者配合，以保证注浆加固效果。

（五）、底板注浆加固效果检验

在注浆加固完成以后，分别采用瞬变电磁及并行电法等物探方法，对注浆加固区域的富水性进行探测，并采取钻探验证方式，分析钻探过程中钻孔的出水量情况，评价注浆加固效果，同时在钻探验证孔施工中对注浆区域岩层取芯，利用电镜扫描分析其微观变化，综合以上方法评价注浆效果是否达到要求。

（六）、断层保护煤柱尺寸优化的可行性与安全性

分析总结断层活化突水的临界条件，并对注浆加固后的底板，利用突水系数、底板理论安全值、底板极限水压承载力、底板最大破坏深度等指标，评价断层留设小煤柱或无煤柱开采时的突水危险性。

（七）、经济效益分析

综合分析底板注浆加固的成本与注浆加固后断层煤柱尺寸优化后所提高的经济效益，评价项目实施的经济可行性。

结束语：

成果揭示了采动影响下断层活化突水机理及断层带附近岩体破坏的时空演化规律、断层带附近破碎严重区域注浆改造后的含水层径、补、排条件及隔水层的阻隔水能力变化情况，分析注浆改造后断层缩小保护煤柱的可行性与安全性，达到从开采源头出发，变被动治水为主动治理，实现水害防治由过程治理为主向源头预防为主转变，由措施治理向工程治理转变，最终形成优化断层保护煤柱尺寸的绿色开采体系。通过本项目的实施，有效地减少矿井突水事故的发生，并且提高煤炭资源采出率。

参考文献：

[1]丁立,姜启彬,范备战,邵明士,王德富,刘飞,孙稳.深井综放工作面小煤柱合理宽度留设及工程应用[J].煤炭技术,2022,41(05):28-30.

[2]褚永红.倾斜煤层煤柱合理留设宽度及支护研究[J].机械管理开发,2022,37(04):104-106.

[3]邹永德.深井大倾角工作面合理煤柱留设及支护技术实践[J].煤炭科技,2021,42(05):13-17+42.

[4]左文强,郭光裕.大采高综采面双巷掘进巷间煤柱合理留设研究[J].西部探矿工程,2022,34(05):150-153.

个人简介：胡伟（1984.12—），男，汉族，皖淮南人，本科，工程师，研究方向：地质防治水。