首阳煤业15202工作面断层破碎带底板突水危险性评价分析

薛江峰

（山西省煤炭工业厅煤炭资源地质局，山西 太原030045）

1 概 况

山西煤炭运销集团首阳煤业有限公司位于山西省高平市神农镇东沙院村，年产90万t，属沁水煤田。15202工作面井下工作面位于二采区东部，东部为尚未布置的15203工作面，西邻为尚未布置的15201工作面，南与二采区辅助运输巷相接，北至井田可采边界，边界附近被小窑破坏。工作面开采15号煤层，煤层厚度为4.2～4.6 m，平均厚度为4.4 m，平均倾角8°，顶板岩层为泥岩和灰岩，底板岩层为泥岩和细砂岩。根据矿井地质资料可知，工作面煤层底板等高线高度为824.62～854 m，奥灰水等水位线最高值为865 m，工作面属于带压开采。奥灰水含水层单位涌水量为0.002 2～0.005 6 L/s·m，渗透系数0.006 3～0.043 7 m/d，工作面回采过程中揭露F20断层，断层倾角为70°，落差为5 m。为防止工作面推进通过断层期间底板出现突水现象，进行断层破碎带区域底板突水危险性的评价分析。

2 断层破碎带底板突水机理

根据首阳煤业15202工作面具体情况，采用FLAC3D数值模拟软件建立数值模型，模型长×宽×高=400 m×200 m×200 m，模型中设置工作面的倾斜长度为100 m，模型侧边作固定处理，顶部施加等效均布载荷12.6 MPa，模型底部固定位移，并在模型三灰层中施加水压力，设置水压力为4.2 MPa，具体建立数值模型如图1所示。

图1 数值模型Fig.1 Numerical model

在工作面回采距断层90、60、30、0 m时分别进行围岩垂直应力和孔隙水压力的分析。

（1）围岩垂直应力。工作面在距断层破碎带不同距离下，围岩垂直应力分布如图2所示。

图2 工作面距断层不同距离时垂直应力分布云图Fig.2 Cloud map of vertical stress distribution at different distances between working face and fault

分析图2可知，随着工作面回采作业的进行，工作面与断层破碎带的距离逐渐减小，根据断层破碎带特征可知，断层破碎带内的岩性较弱，在采动影响下易出现塑性破坏，工作面回采距断层不同距离时断层破碎带的最大垂直应力分别为17.5、19.81、20.90、21.32 MPa。根据数值模拟，煤层底板的剪应力集中区域主要位于工作面的前方，剪应力集中的范围包括工作面前方30 m的范围内，在该区域内煤层垂直应力与剪应力为集中重合区域，当工作面回采推进距断层30 m时，此时剪应力集中区域已波及20 m以下的断层破碎带，此时采动影响下断层活化突水的风险会大幅增大。

（2）孔隙水压力分析。工作面回采推进距断层破碎带不同距离时，围岩孔隙水压力的分布如图3所示。

分析图3可知，随着工作面回采作业的进行，工作面底板的破坏深度会逐渐增大，同时底板承压水的导升高度也会进一步增大。

图3 工作面距断层不同距离时孔隙水压力分布云图Fig.3 Cloud map of pore water pressure distribution at different distances between working face and fault

根据地质资料可知，F20断层的落差为5 m，断层破碎带区域底板隔水层的厚度仅为52 m，存在着一定的突水危险性。当工作面回采推进至断层破碎带区域时，工作面底板破碎带的最大深度已与底板的承压水间相导通，断层破碎带区域出现了大范围的活化破坏现象，发生活化突水。

3 突水危险性评价分析

3.1 底板破碎深度现场实测

采用漏失量法进行工作面底板破碎深度的现场监测分析，观测巷道与运输顺槽之间平行布置，观测硐室与运输顺槽之间留设8 m的保护煤柱，观测硐室布置于距离断层破碎带15 m位置处，在工作面观测硐室底板布置4个观测孔，具体观测孔的各项参数见表1。

表1 观测钻孔参数Table 1 Observed borehole parameters

具体观测钻孔的布置如图4所示。钻孔分段漏失量变化如图5所示。

图4 观测钻孔布置剖面Fig.4 Section of observed borehole arrangement

图5 钻孔分段漏失量柱状图Fig.5 Histogram of subsection loss of borehole

1号采前钻孔在监测段内基本无明显漏水现象出现，个别区段存在漏水情况，但该区域的漏失量均小于1.2 L/min，说明此时工作面煤层底板的原生裂隙并不发育；2号采后钻孔从11 m的深度处漏失量开始不断增大，且随着钻孔深度的增大，漏失量在不断增大，其中最大漏失量可达到9.1 L/min，最小漏失量也大于2.5 L/min，且在监测结束时间段内钻孔漏失量无明显减小的趋势，说明底板的最大破坏深度大于29.5 m；3号观测钻孔在11～47 m区段内的钻孔漏失量大量增大，表明该段已处于底板破坏范围内，在底板49 m以后，3号钻孔的漏失量基本与1号采前孔相似，3号钻孔底板最大破坏深度为33.23 m；4号观测钻孔在29～39 m的范围内钻孔漏失量大，最大破坏深度为33.77 m。

综合上述分析能够得出，1301工作面断层破碎带区域最大破坏深度为33.77 m。

3.2 突水危险性分析

工作面回采作用下断层面上的剪应力公式和断层活化的判断依据如下：

式中：τ为煤层底板断层的抗剪强度；σz为断层破碎带区域Z方向的正应力；σx为断层破碎带区域x方向的正应力；τzx为断层破碎带区域在ZX方向的剪应力。根据矿井地质资料，计算得出工作面在回采不同距离下断层面上的剪应力τn的分布曲线，如图6所示。

图6 工作面不同推进距离下断层面剪应力曲线Fig.6 Shear stress curves of fault plane under different advancing distances of working face

断层破碎带的最大破坏深度为33.77 m，基本与理论分析和数值模拟结果相近，断层破碎带区域承压水的最大导升高度为19.65 m，断层破碎带落差为5 m，承压水与断层破碎带的最大发育深度间的距离仅为1.2 m，因此工作面回采推进F20断层时突水风险较大。

根据奥陶系含水层的特征可知，含水层中的水量相对较小，底板阻隔层的岩性也相对较好，因此建议在工作面回采推进至距断层破碎带30 m前，对断层破碎带区域前后30 m的范围采区疏水降压和注浆封堵的措施。

4 结 语

根据首阳煤业15202工作面的地质条件及F20断层的特征，基于数值模拟分析得出了断层破碎带底板突水机理，并得出工作面距断层不同距离时，底板破碎带的深度，确定了该工作面过F20断层时突水危险性较大，需在工作面回采至距断层30 m前，对断层破碎带前后30 m区域采取疏水降压和注浆封堵措施。