构造复杂区水害致灾因素探查及防治关键技术研究与应用

构造复杂区水害致灾因素探查及防治关键技术研究与应用

马勇 ,马如庆 ,聂井会

枣庄矿业（集团）公司柴里煤矿环保科技中心，山东 枣庄 277519

柴里煤矿1964年正式投产，经过多年的开采，可采储量越来越少，资源枯竭，剩余块段大部分为村下压煤、火区、地质及水文地质条件相对比较复杂的区域，23上632综放工作面为一独立的地质、水文地质单元体，为村庄搬迁后解放的煤炭资源。西为徐庄断层、东为高庙断层，北部为373、374、375工作面采空区、南部隔井田边界保护煤柱与蒋庄煤矿相邻；工作面及周边断裂构造比较发育，工作面安全开采的隐蔽致灾地质因素复杂，为确保矿井采掘生产接续，急需列入计划进行开采，需对构造复杂区进行进一步探查。

由于区域地质构造复杂，结合现有地质及水文地质资料，应采用瞬变电磁探测法、三维地震勘探等先进的综合探查技术，分析23上632综采工作面工作面煤层赋存、断裂构造发育、顶底板含水层及周边地质构造含（富）水性；运用数值模拟方法和相似材料试验，研究工作面回采过程中覆岩及底板破坏规律，以及对375-2断层及高庙断层防隔水煤（岩）柱留设试验研究并对工作面涌水量进行预测；组织开展23上632综采工作面防治水安全开采综合评价，提出工作面灾害防治关键技术意见和建议，为工作面开采提供可靠的安全技术保障。

1 实施时间节点

根据23上632综放工作面瞬变电磁探测、三维地震勘探物探成果，对该面进行开采导致顶底板及邻近断层破坏特征模拟研究，数值计算、理论分析和项目报告的编写。项目的进度安排为：

1.1 2021.07.01～2021.7.15：项目前期资料收集准备、现场调研；

现场调查研究区域的工程地质条件，工作面构造发育特点及水文地质条件。统计钻孔情况，了解工作面的位置，煤层情况及煤层顶底板情况，检索及查阅近煤层开采覆岩运移规律、分析工作面顶底板含水层及周边断裂构造对工作面开采的致灾因素和威胁程度及安全防水煤柱合理留设分析研究。

1.2 2021.7.16～2021.7.31：针对工作面及周边地质、水文地质情况进行理论研究分析；

1.3 2021.8.01～2021.8.31：运用数值模拟软件开展特定条件下综放工作面回采对断层的活化规律、应力应变变化规律进行试验分析研究，提出安全开采建议和对策，形成安全开采论证报告；

1.4 2021.9.01～2021.9.15：根据模拟试验体系，进行工作面现场试验、应用；

1.5 2021.9.16～2021.9.30：项目成果报告编写、总结结题。

2 研究过程

（一）、水害隐蔽致灾因素探查方法

1瞬变电磁探测情况

探测目的：探测对23上632综采工作面生产产生影响的主要补给水源，查明顶板、面内及断层水平方向、顶板方向的富水性，为23上632综采工作面防治水工作提供技术依据。

探测方法：由瞬变电磁“烟圈效应”可知，其电磁场等效电流环既“烟圈”将沿47度倾斜锥面地下扩散，因此，一次电磁场向远处传播范围为一个锥体（图（a）、（b）），其中箭头所指方向为探查方向。

（a）                           （b）

               探查锥体示意图

测线布设：根据井下的实际情况，瞬变电磁的现场测量工作沿轨道、运输巷、切眼各布置了1条测线。

沿23上632综采工作面轨道巷起点位于停采线处，探测终点位于切眼，探测长度为380米，运输巷探测起点位于切眼处，探测终点位于停采线位置，总探测长度330米，切眼总长度210米，每10米布置一个测点，探测每个测点布置5个探测方向分别范围90°、顶板60°、顶板30°。顺层、底板45°，探测工作面水平及顶、底板方向赋水性。

          瞬变电磁法探查方向示意图

探测结论：

（1）煤层顺层瞬变电磁探测电阻率为中高阻，未发现低阻异常区，证明整体富水性较弱。

（2）运输巷外侧整体为瞬变电磁中高阻区，对应于高庙断层位置有一明显条带状分布的中阻区，证明断层富水性较弱。

2三维地震勘探情况

勘探任务

1、查明、控制勘探区内落差大于5m的断层，解释出落差大于3m的断点，查明断层在主要煤层中性质、落差、延展方向和范围。要求断层平面摆动误差不大于15m。

2、查明、控制勘探区内主要煤层的底板起伏变化，绘制出基本等高距为5m的煤层底板等高线图，标高相对误差不大于1.5%。

3、圈定勘探区内的地质异常区，并对异常区域做出定性解释。如陷落柱、煤层冲刷变薄、缺失、火成岩侵入等。要求平面误差不大于15m。

4、对主要煤层要绘制出煤厚等值线图、煤层底板等高线图，对冲刷变薄区、煤层缺失要绘制出边界线。

5、236采区东部重点探测周边高庙断层、徐庄断层、F23631-1、375-2断层位置、落差及走向等要素。

工程方案

根据地震束线施工设计的原则，我们把采区东部施工束线方向布置为近南北方向。

236采区东部共布设7束测线，每束由12条检波线和4条炮线组成，其中检波线线号以“R”开头，炮线线号以“S”开头，相邻两束测线重叠6条检波线。

施工方法：施工第一束线时，检波线为R10～R32，线距20m，每条检波线布置48道检波器，道距40m。正常的4条炮线为S19、S21、S23、S25，炮线距为20m，依次放完一排炮后，即完成第一排炮，然后炮点前移40m为第二排炮，同时每条线上的检波点相应往前搬动4道，直至第1束线施工结束，第二束线与第一束线重合6条检波线，其施工方法依次类推。符合《煤田地震勘探规范》（DZ/T0300-2017）要求。

勘探成果

本次三维地震勘探野外数据采集后经人机交互解释，控制了测区内主要可采煤层的起伏形态；控制了勘探区内断层的落差、性质和分布规律。

1 煤系地层的构造形态

柴里煤矿236采区东部3煤层发育走向为近南北，倾向为西的近似单斜构造，发育有次一级的背斜构造，地层倾角变化较小，一般为3～10°。在勘探区的西南部，2014-2孔以南地层倾角较小，约为3°；在勘探区的东北部地层倾角较大，约为10°。纵观全区，煤系地层东浅西深。

2 断裂构造

本次构造解释以3煤层为主，根据性质、落差及空间展布规律，共解释断层13条，全部为正断层，以中小落差断层为主。其中解释断层落差H≥50m的3条，5≤H＜50m的3条，H＜5m的7条

3 断层特征

以3煤层为主，现对落差≥5m的断层（总计6条，其中有2条为可靠断层，4条为较可靠断层）

4 采空区的控制

通过对本区地震资料的解释，控制了3煤层采空区的范围，共圈定了一个采空区，采空区位于测区的北部，为一长条状，面积约为15480m2。

（二）、工作面开采导致顶底板及邻近断层破坏特征模拟研究

1模型建立

计算循环示意图

2模型及网格划分

确定合理的计算范围是保证数值计算精度的一个重要方面。计算区域的大小，就理论上讲越大越好，但实际计算中受到计算机内存、计算速度、计算精度等多因素限制。根据断层各个影响因素的作用范围和计算机模拟计算的特点，本次模拟确定了如下的计算范围：计算模型选取工作面的推进方向为X轴，工作面的倾斜方向为Y轴，模型的竖直方向为Z轴，具体网格划分如图所示。

模型网格划分

3.计算分析

在两个不同横截面下，工作面留设不同宽度煤柱时，采动过程中围岩应力场特征图。随之断层保护煤柱的不断增大，围岩应力集中区范围逐渐缩减，高应力影响范围以及对围岩破坏程度逐渐减小。高庙断层保护煤柱分别为15m，20m，25m，30m时，工作面对应的正应力分别为59.0 MPa、57.4 MPa、52.6 MPa、48.3 MPa，对应的最大主应力为30.9 MPa、27.9 MPa、26.5 MPa、29.9 MPa，可以看出正应力以及最大主应力随煤柱增大过程中逐渐减小，对于剖面，当高庙断层保护煤柱为15m，20m，25m，30m时，工作面对应的正应力分别为44.9 MPa、38.8 MPa、47.1 MPa、45.5 MPa，对应的最大主应力为20.1 MPa、17.3 MPa、22.4 MPa、22.3 MPa。综合正应力和最大主应力的变化趋势可知断层煤柱越大断层带活化突水的危险性越小。

4.研究结论

基于FLAC3D软件在采矿工程领域的应用优势，运用FLAC3D软件，分析工作面回采对高庙断层及375-2断层的影响进行了数值模拟研究，在高庙断层及375-2断层煤柱过程中覆岩、断层、底板的应力特征，从剖面变化云图中可以看出，随断层煤柱宽度的增大，应力集中区范围缩小，应力值明显降低；支承压力传递到两断层后均被断层阻隔，断层对应力传递有阻隔作用。

高庙断层及375-2断层留设不同煤柱宽度时，23上632工作面回采导致的围岩塑性区分布情况，随高庙断层下盘留设煤柱宽度的增加，23上632工作面回采对高庙断层影响程度减弱，在23上632工作面底板处，因工作面回采导致底板塑性区及断层界面破坏区相互连通到逐渐隔离，同时因工作面回采引发的覆岩破坏范围也逐渐减少，从与断层界面连通到逐渐隔离。经计算分析可知，工作面回采不能引起断层带附近岩体破坏，因此23上632工作面开采引发高庙断层活化突水的风险较小，能实现工作面安全回采。

（三）、断层防隔水煤（岩）柱留设试验研究及理论分析

1.奥灰水影响下375-2断层及高庙断层不导水时的煤柱留设宽度

分析地面奥灰水文W3、水2009-1、水2009-2及水2014-2长观孔观测的数据及矿井水文地质报告综合分析，其最高水位为-119.914m，结合23上632工作面与F375-2断层及高庙断层的空间层位关系，根据《煤矿防治水细则》，构造破坏地段取0.06MPa/m，分别计算获得F375-2断层及高庙断层为不含（导）水时的安全防隔水煤（岩）柱宽度如表所示。

375-2断层的防隔水煤柱宽度

由375-2断层及高庙断层的安全防隔水煤（岩）柱宽度，画图得到F375-2断层及高庙断层的防隔水煤（岩）柱宽度，如图所示。

位于含水层上方且断层不导水时防隔水煤柱留设图

由图可知，当375-2断层及高庙断层不导水时，在奥灰水的影响下，375-2断层及高庙断层无需留设煤柱。

2 .375-2断层导水时的煤柱留设宽度研究

（1）奥灰水影响下375-2断层及高庙断层导水时的煤柱留设宽度

根据《煤矿防治水细则》，构造破坏地段取0.06MPa/m，计算获得375-2断层及高庙断层因采动活化变为含水或导水断层时的防隔水煤柱宽度如表所示。

① 考虑断层在顺煤层方向上的压力时

表375-2断层及高庙断层的防隔水煤柱宽度

当375-2断层及高庙断层因采动活化变为含水或导水断层时，在奥灰水影响下，F375-2断层需留设28.53m煤柱，才能确保安全生产。

② 考虑煤层底部隔水层承受下部含水层水的压力时

当考虑底部压力时，应当使煤层底板到断层之间的最小距离（垂距），大于安全防隔水煤（岩）柱宽度Ha的计算值，但不得小于20m。

表 375-2断层及高庙断层的防隔水煤柱宽度

由375-2断层及高庙断层的安全防隔水煤（岩）柱宽度，画图得到375-2断层及高庙断层的防隔水煤（岩）柱宽度，如图所示。

位于含水层上方且断层不导水时防隔水煤柱留设图

由图可知，当375-2断层及高庙断层因采动活化变为含水或导水断层时，在奥灰水影响下，无需留设煤柱。

当375-2断层及高庙断层因采动活化变为含水或导水断层时，取顺煤层方向上压力及煤层底板隔水层承受下部含水层水的压力所得计算结果的最大值，在奥灰水的影响下防隔水煤（岩）柱留设宽度为29m。

3.研究结论

（1） 阐述了断层活化的研究现状，分析了断层活化的影响因素及力学判据；

（2） 依据《煤矿防治水细则》，分别考虑375-2断层及高庙断层不导水及采动影响下375-2断层及高庙断层活化导水等情况，对奥灰水影响下375-2断层及高庙断层的防隔水煤（岩）柱宽度进行了计算，确定了375-2断层及高庙断层所需留设的防隔水煤（岩）柱宽度；

（3） 运用FLAC3D数值模拟软件，分析了375-2断层留设不同防隔水煤（岩）柱宽度时，23上632工作面回采所造成的断层带附近岩体的塑性区分布情况，结果表明，工作面回采能引起断层带附近岩体破坏，但其破坏区域尚不连通，因此工作面开采引发断层活化突水的风险小，能实现工作面安全回采；

（4）实际地质资料揭露375-2断层及高庙断层为不含（导）水断层，依据《煤矿防治水细则》，计算奥灰影响下375-2断层及高庙断层所留设的防隔水煤（岩）柱宽度，375-2断层及高庙断层对23上632工作面安全开采没有影响。

（四）、 23上632工作面涌水量预计

虽然研究区域内无顶板砂岩水文资料，与其相邻的工作面的水文地质条件相对本矿井其它工作面的水文地质条件有一定程度的差异，但仍有一定程度的相似，尤其是距离较近的3上373工作面、3上375工作面，因此可利用水文地质比拟法，对23上632工作面顶板砂岩含水层的涌水量进行预计，具体工作面情况及工作面顶板砂岩实际涌水量，如表

已采工作面涌水量情况

回采面积比拟法公式为：

式中：Q—23上632工作面涌水量，m3/h；Q0—参考工作面涌水量，m3/h；

S—23上632工作面开采面积，m2；S0—参考工作面开采面积，m2。

计算结果如表所示。

表23上632工作面涌水量

根据回采面积比拟法预计的23上632工作面回采期间的涌水量，同时考虑工作面正常生产用水8m3/h，综合确定23上632工作面回采期间正常涌水量为20m

3/h。根据经验，本次预计取最大涌水量可为正常涌水量的2倍，23上632工作面最大涌水量40m3/h。

综合分析，从防治水安全角度评价，在做好工作面回采过程中监测、监控、排水及应急措施的前提下，符合《煤矿防治水细则》的有关要求，23上632工作面的回采是安全可靠的。

五、创新点

1.应用瞬变电磁法和三维地震勘探两种先进的探查方法，查明工作面顶、底板含水层及周边断裂构造含（富）水性较弱，对工作面开采期间的防治水安全影响较小，查明断层在主要煤层中性质、落差、延展方向和范围；查明、控制勘探区内主要煤层的底板起伏变化；圈定勘探区内的地质异常区，并对异常区域做出定性解释。

2.采用FLAC3D数值模拟软件深入分析工作面回采引发的覆岩及底板岩体的应力、位移及塑性破坏特征；工作面回采引发的断层破碎带及断层周围岩体的塑性破坏程度及范围；以及在不同断层防隔水煤柱宽度条件下工作面回采引发的煤柱及周围岩体的应力、位移及塑性破坏特征。

3.采用相似材料模拟试验手段揭示了煤层开采过程中覆岩及顶板的破坏规律，3上煤开采断层煤柱留设宽度研究及工作面过断层试验研究。

六、经济效益和社会效益

此项技术的实施全面系统的查清了工作面水害因素及影响程度，合理分析断层煤柱留设，在保证安全的前提下最大限度回收了煤炭资源；提出的高庙断层防隔水煤（岩）柱宽度等进行理论分析，比预留保护煤柱多回收煤炭资源约2.5万吨，经济效益巨大。

应用该项目技术研究成果指导了柴里煤矿23上632综采工作面水害的有效治理，充分挖掘了煤炭资源，缓解煤炭需求紧张的局面，多回收了煤炭资源，增加了职工的收入，增强了职工的幸福指数，为社会创造了经济利润，改善人民物质生活。由于减少了安全事故的发生，消除了一些不安全因素，保持了社会和谐、稳定。

七、推广前景

通过采取多项技术措施，即掌握了23上632综采工作面顶底板岩层性质及高庙断层级周边的支断层等的产状及含（导）水性；组织开展23上632综采工作面防 治水安全开采综合评价，提出工作面灾害防治关键技术意见和建议，为工作面开采提供可靠的安全技术保障。

结语

为我矿下一步在复杂构造区域类似条件下的布置工作面、水害管控分析研判提供了宝贵的技术资料和经验。目前采用的主要方法有理论研究、数值模拟、现场探测、相似材料模拟等，除了做宏观的分析和展示外，也可以用来做具体的范例分析，因此本课题的研究具有前瞻性、科学性和广泛性，根据市场需求分析充分说明研发技术的商业价值极高，社会推广应用前景。