單家村煤礦八采區(qū)奧灰突水機(jī)理研究

彭敬琛，蘇雁軍

（山東裕隆礦業(yè)集團(tuán)有限公司，山東 曲阜273100）

0 引 言

煤礦水文地質(zhì)災(zāi)害一直是制約煤礦安全發(fā)展的關(guān)鍵性問(wèn)題之一，國(guó)內(nèi)外很多煤礦開(kāi)采中都不同程度地受到底板巖溶水的影響[1]。在我國(guó)華北型石炭二疊紀(jì)煤田，最為典型的就是奧陶系石灰?guī)r溶水，其煤系基底為奧陶系石灰?guī)r含水層（以下簡(jiǎn)稱奧灰含水層），奧灰?guī)r溶水以其分布廣，補(bǔ)給暢通，水量充沛，水壓高成為煤田開(kāi)發(fā)過(guò)程中的重要水害。

國(guó)內(nèi)外對(duì)煤礦底板巖溶水的研究己有100 多年的歷史，在底板巖體結(jié)構(gòu)的研究、探測(cè)技術(shù)及防治水措施等方面，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。雖然許多專家與學(xué)者在煤礦底板突水方面在近些年也進(jìn)行了很深的研究，并且取得了巨大的成就，但小斷層誘發(fā)的突水機(jī)理和斷層的滯后突水機(jī)理的仍值得加強(qiáng)研究[2]。因此，開(kāi)展煤礦奧灰突水機(jī)理研究具有重要的理論意義與實(shí)際價(jià)值。

本文采用實(shí)證研究和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)兩種方法分析八采區(qū)奧灰滯后突水原因、結(jié)合奧灰水文觀測(cè)孔數(shù)據(jù)，研究八采區(qū)奧灰含水層特征和突水機(jī)理。

1 八采區(qū)水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)述

山東裕隆礦業(yè)集團(tuán)有限公司單家村煤礦位于山東省曲阜市西約10km，隸屬兗州煤田。八采區(qū)位于井田東北部，北至F32 斷層，東F33 斷層，南至礦井邊界，西到SDF17-1 斷層、西北到SDF13 斷層。采區(qū)正常涌水量為16m3/h，最大涌水量為24m3/h。

采區(qū)內(nèi)對(duì)生產(chǎn)有影響的主要含水層有：第四系砂層含水層、二疊系山西組3 煤頂?shù)装迳皫r水、石炭紀(jì)太原組第三、十下灰?guī)r裂隙水、第十四層灰?guī)r水和奧陶系灰?guī)r溶隙水。上述各含水層除第四系砂層含水層、奧陶系灰?guī)r水外，均以靜儲(chǔ)量為主。其中3 煤頂板砂巖水一般以淋水為主，對(duì)采掘活動(dòng)影響較?。徊蓞^(qū)內(nèi)三灰水已探放，對(duì)生產(chǎn)無(wú)影響；十下灰?guī)r裂隙水對(duì)采掘活動(dòng)無(wú)影響；奧灰水受采區(qū)斷層構(gòu)造發(fā)育影響，與3 煤發(fā)生對(duì)接，可能成為3 煤的直接充水含水層，威脅3 煤的開(kāi)采。

2 八采區(qū)奧灰水文地質(zhì)情況分析

單家村煤礦八采區(qū)曾發(fā)生過(guò)奧灰滯后突水事故，本章節(jié)以此為例，結(jié)合礦奧灰水文觀測(cè)孔觀測(cè)數(shù)據(jù)，綜合分析八采區(qū)奧灰突水機(jī)理。

2.1 八采區(qū)奧灰滯后突水及封堵情況說(shuō)明

2.1.1 突水經(jīng)過(guò)

單家村煤礦八采區(qū)皮帶巷掘進(jìn)過(guò)程中，后方巷道P5 點(diǎn)前147.6m 處底板發(fā)生突水，水量逐漸增大至70m3/h，最大達(dá)到160m3/h，后逐漸穩(wěn)定在108m3/h。突水點(diǎn)位置及附近地質(zhì)構(gòu)造見(jiàn)圖1 及圖2。

圖1 原突水點(diǎn)附近地質(zhì)構(gòu)造示意圖

圖2 實(shí)際突水點(diǎn)附近地質(zhì)構(gòu)造示意圖

2.1.2 封堵工程總結(jié)及效果

封堵工程共施工鉆孔33 個(gè)，實(shí)際完成鉆探工程量2803.71m，共注入水泥7133.65t，注入速凝劑12t噸及裂隙填充物，施工井下瞬變電磁超前探測(cè)1 次。

經(jīng)最終驗(yàn)證孔鉆進(jìn)驗(yàn)證，鉆進(jìn)過(guò)程中孔內(nèi)無(wú)水，未出現(xiàn)漏漿和大規(guī)模注漿情況，加壓后仍無(wú)法注漿，表明斷層破碎帶及巷道附近奧灰富水區(qū)已被有效封堵和加固，本次封堵工程達(dá)到預(yù)期效果。堵水結(jié)束后，巷道涌水量4m3/h，取水樣化驗(yàn)分析結(jié)果為3 煤底板砂巖水或上部灰?guī)r水（見(jiàn)表1），分析認(rèn)為剩余涌水量應(yīng)為原來(lái)巷道內(nèi)的自然淋水，至此注漿堵水工程施工結(jié)束，達(dá)到了設(shè)計(jì)目的及要求。

表1 封堵后水質(zhì)化驗(yàn)結(jié)果

2.2 奧灰滯后突水原因分析

發(fā)生突水時(shí)，八采軌道大巷和皮帶大巷均已掘進(jìn)至突水點(diǎn)前240m 外，且?guī)r石層位已正常。八采軌道、皮帶大巷掘進(jìn)及出水之前兩巷道均以淋水為主，未發(fā)現(xiàn)明顯突水點(diǎn)。期間多次取水樣化驗(yàn)（表2），對(duì)比水質(zhì)化驗(yàn)臺(tái)賬中相同或相近層位化驗(yàn)單，結(jié)果均判斷為上部灰?guī)r水（因處斷層破碎帶中，地質(zhì)情況不明確，無(wú)法判斷具體層位）。根據(jù)上述所有資料，可判斷為兩巷道淋水為斷層破碎帶導(dǎo)通的上部某層灰?guī)r水，水量穩(wěn)定，約為1～2m3/h。皮帶巷底板發(fā)生突水后，又多次取水樣進(jìn)行化驗(yàn)（見(jiàn)表3），發(fā)現(xiàn)水樣中硫酸根離子、碳酸根離子以及鈣、鎂離子含量明顯升高，通過(guò)比對(duì)，確定為奧灰水。

表2 突水前水質(zhì)化驗(yàn)結(jié)果

八采巷道從淋水到突水相隔近一年，為典型的斷層滯后突水。

八采區(qū)皮帶巷在P7 號(hào)導(dǎo)線點(diǎn)附近揭露奧灰約20m，出水位置為奧灰尖滅即SDF17-1 斷層與DF15斷層交差位置。通過(guò)構(gòu)造分析、地層對(duì)比，認(rèn)為八采皮帶巷P7 號(hào)導(dǎo)線點(diǎn)以北的局部區(qū)域有地壘（奧灰頂高出巷道底板），該地壘是由SDF17-1、DF14、DF15 三條斷層形成。突水原因可歸納為：原SDF17斷層在巷道掘進(jìn)范圍內(nèi)并不存在，取而代之的為DF14（傾角75°，落差70m）、DF15（傾角75°，落差45m）兩條傾向相反的斷層，兩斷層中間形成地壘，造成了下部奧灰上臺(tái)，直至出露至巷道內(nèi)。巷道掘進(jìn)通過(guò)后，受動(dòng)壓影響，斷層活化，由不導(dǎo)水?dāng)鄬幼優(yōu)閷?dǎo)水?dāng)鄬?，奧灰水通過(guò)斷層破碎帶涌入到巷道內(nèi)，最終形成奧灰滯后突水。

表3 突水后水質(zhì)化驗(yàn)結(jié)果

該地壘在巷道標(biāo)高-440 水平切面上呈梯形，走向南北，南部（巷道揭露位置）最窄，由南向北逐漸加寬，向北延伸至F32 斷層（H＞250m）處，寬度大于20m。奧灰頂界面傾向正南，靠近八采皮帶巷位置最低標(biāo)高為-425m，高出巷道底板標(biāo)高約15m。巷道揭露的奧灰位置為SDF17-1 斷層面，奧灰突水位置分析見(jiàn)圖3。

圖3 奧灰突水位置平面圖

2.3 八采區(qū)奧灰水文地質(zhì)情況分析

2.3.1 采區(qū)周邊斷層賦存情況及富、導(dǎo)水性

八采區(qū)周圍共存在三個(gè)大斷層，其中SDF17 斷層深入至采區(qū)內(nèi)部。F32、F33 兩斷層落差很大，均超過(guò)250m，使奧灰含水層大幅度抬升，即八采區(qū)東部和北部被奧灰含水層包圍，采區(qū)3 煤層通過(guò)斷層直接和奧灰連接。根據(jù)單家村煤礦所做物探資料顯示，F(xiàn)32、F33 斷層均具有一定富水性，富水性不均一，但由于其落差太大，將奧灰強(qiáng)富水性層位抬升至與3 煤層對(duì)接。因此，在八采區(qū)采掘活動(dòng)時(shí)應(yīng)判斷兩個(gè)斷層為導(dǎo)水?dāng)鄬?，且?jì)算、留設(shè)防隔水煤巖柱時(shí)應(yīng)采用“煤層位于含水層上方且斷層導(dǎo)水時(shí)防隔水煤巖柱的留設(shè)”的方法。

圖4 八采區(qū)地質(zhì)構(gòu)造綱要圖

2.3.2 采區(qū)內(nèi)部斷層賦存情況及富、導(dǎo)水性

八采區(qū)內(nèi)部斷層發(fā)育，除SDF17 大斷層外，還有DF14、DF15 兩條較大斷層，另有數(shù)條F32、F30 斷層分支斷層及許多小斷層。

八采區(qū)發(fā)生奧灰滯后突水后，在封堵過(guò)程中對(duì)SDF17、DF14、DF15 斷層及下部奧灰都進(jìn)行了注漿加固，改造了巷道圍巖和下部巖層，使其變?yōu)榱擞行У母羲畬?。因此，八采區(qū)軌道、皮帶大巷范圍內(nèi)三條斷層應(yīng)判斷為不含水、不導(dǎo)水，但其他區(qū)域至今未進(jìn)行有效探查，斷層富、導(dǎo)水性不明。

采 區(qū) 內(nèi) 部DF35、DF716、SDF21 斷 層 分 別 為F32、F30 斷層分支斷層，導(dǎo)水性尚不明確。

采區(qū)內(nèi)其他小斷層不具有水害威脅。

2.3.3 區(qū)內(nèi)奧灰含水層特征表現(xiàn)

通過(guò)研究奧灰滯后突水和封堵過(guò)程及礦后續(xù)打設(shè)的奧灰長(zhǎng)觀孔監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可得：

1）單家村煤礦八采皮帶巷發(fā)生奧灰突水后，井下堵水工程雖有成果，但仍不甚理想，巷道跑漿、漏漿情況較為嚴(yán)重。

2）八采皮帶巷發(fā)生奧灰突水時(shí)，封堵之前井下水量一直比較穩(wěn)定。

3）地面打鉆注漿時(shí)，不同深度注漿效果不同。

4）單家村煤礦井上有一個(gè)奧灰水文觀測(cè)孔，與出水點(diǎn)相距約兩公里，水文動(dòng)態(tài)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)表明從出水到成功封堵，觀測(cè)孔內(nèi)奧灰水位均未發(fā)生變化。

5）井下突水初期，單家村煤礦也曾做過(guò)奧灰連通性試驗(yàn)，在奧灰孔內(nèi)投放洋紅，但井下連續(xù)監(jiān)測(cè)未發(fā)現(xiàn)有洋紅溶液流出。

2.3.4 八采區(qū)與礦井其他區(qū)域奧灰含水層特征對(duì)比

單家村煤礦目前有三個(gè)奧灰水文長(zhǎng)觀孔。井上一個(gè)，2011 年打設(shè)，終孔深度288.01m，終孔層位進(jìn)入奧灰60.1m，全孔進(jìn)行抽水試驗(yàn)1 次，采取水質(zhì)樣品1份，奧灰上部70m 富水性弱，下部富水性逐步增強(qiáng)；井下兩個(gè)，其中-240 奧灰孔2014 年打設(shè)，終孔深度96.4m，終孔層位進(jìn)入奧灰46.4m，奧灰上部50m 富水性弱，下部富水性逐步增強(qiáng)，全孔進(jìn)行放水試驗(yàn)1 次，采取水質(zhì)樣品1 份；-450 奧灰孔2019 年打設(shè)，終孔深度152.44m，終孔層位為奧灰頂部，全孔進(jìn)行放水試驗(yàn)1 次，采取水質(zhì)樣品1 份。三個(gè)觀測(cè)孔均安裝了奧灰水文動(dòng)態(tài)觀測(cè)系統(tǒng)。根據(jù)2011 年至今的奧灰水文觀測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)分析得出，旱季奧灰水位明顯下降，降水后水位又明顯回升，同時(shí)通過(guò)對(duì)第四系和奧灰水分別進(jìn)行取樣化驗(yàn)，化驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)基本相同。

八采區(qū)與礦井其他區(qū)域奧灰含水層特征對(duì)比見(jiàn)表4。

表4 奧灰含水層特征對(duì)比表

綜合分析以上幾點(diǎn)，單家村煤礦八采區(qū)奧灰含水層的特性可總結(jié)如下：

1）八采區(qū)巷道突水點(diǎn)周圍至奧灰深部之間裂隙極其發(fā)育，導(dǎo)水通道眾多。

2）單家村煤礦奧灰水水量非常豐富，奧灰內(nèi)部溶洞極其發(fā)育但不同區(qū)域富水性不均一，區(qū)域之間連通性較差。

3）礦井區(qū)域內(nèi)奧灰上部50m 內(nèi)富水性弱，八采皮帶巷出水可定義為受斷層破碎帶影響的奧灰滯后突水。

4）礦井區(qū)域內(nèi)奧灰水與上部第四系聯(lián)系密切，受地面水補(bǔ)給。

3 奧灰突水機(jī)理

結(jié)合單家村煤礦1994 年三采區(qū)-290m 水平3321 溜子道和本次八采區(qū)兩次奧灰突水，以及礦井生產(chǎn)過(guò)程中實(shí)際地質(zhì)、水文地質(zhì)資料，可認(rèn)為單家村煤礦八采區(qū)主要水害威脅為斷層導(dǎo)水引起的奧灰突水，其突水機(jī)理總結(jié)如下。

3.1 機(jī)理一

單家村煤礦為老礦井，三維地震資料和結(jié)合其分析、解釋出的井田地質(zhì)構(gòu)造結(jié)果較為久遠(yuǎn)，受當(dāng)時(shí)技術(shù)和條件限制，很多構(gòu)造沒(méi)有解釋清楚，位置、產(chǎn)狀、富導(dǎo)水性均不明確，這點(diǎn)在礦井后續(xù)采掘活動(dòng)中也已逐步證實(shí)。1994 年三采區(qū)-290m 水平3321 溜子道和八采區(qū)兩次奧灰突水的直接原因均為地質(zhì)構(gòu)造資料不準(zhǔn)確，斷層位置和形態(tài)偏差很大，致使巷道掘進(jìn)過(guò)程中直接揭露奧灰，斷層破碎帶及奧灰?guī)r溶裂隙形成出水通道，引發(fā)奧灰突水。

由此可見(jiàn)，單家村煤礦八采區(qū)乃至全礦井奧灰突水機(jī)理之一為地質(zhì)資料不準(zhǔn)確導(dǎo)致采掘活動(dòng)直接揭露奧灰引發(fā)突水。

3.2 機(jī)理二

單家村煤礦八采區(qū)3 煤底板至奧灰頂界面垂直距離約為200m，奧灰水頭值約為+21m，采區(qū)3 煤最深埋藏標(biāo)高為-600m，奧灰最大水壓為6.2MPa，按照突水系數(shù)計(jì)算公式，正常條件下，其突水系數(shù)為：T=P/M=6.2/200=0.03，遠(yuǎn)低于T 小于1 的安全評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。所以，八采區(qū)正常塊段內(nèi)，底板沒(méi)有奧灰突水風(fēng)險(xiǎn)。

但礦井內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造較為發(fā)育，斷層的相互作用可能會(huì)使地層抬升，或局部抬升，縮小奧灰水導(dǎo)高，原有的突水系數(shù)計(jì)算公式不再適用。另外，奧灰抬升過(guò)程中如果和其他含水層對(duì)接，則可成為這些含水層的直接充水水源，使水文地質(zhì)條件更加復(fù)雜，突水威脅進(jìn)一步增大。

因此，單家村煤礦八采區(qū)奧灰突水機(jī)理之二為斷層抬升奧灰含水層，導(dǎo)致3 煤層與下部含水層之間隔水層厚度不足引發(fā)奧灰突水。

3.3 機(jī)理三

采掘活動(dòng)會(huì)導(dǎo)致地質(zhì)構(gòu)造活化，影響斷層導(dǎo)水性，使原不導(dǎo)水?dāng)鄬幼兂蓪?dǎo)水?dāng)鄬?，引發(fā)奧灰滯后突水。本次八采區(qū)奧灰突水就是典型的受采掘活動(dòng)影響形成的斷層滯后突水。

因此，單家村煤礦八采區(qū)奧灰突水機(jī)理之三為采掘活動(dòng)引起斷層活化，改變其導(dǎo)水性引發(fā)奧灰滯后突水。

4 結(jié) 語(yǔ)

目前，兗州煤田乃至全國(guó)奧灰突水事故雖然并不少見(jiàn)，但大多是采掘工作面直接揭露奧灰引發(fā)的突水或采煤工作面附近隱伏構(gòu)造導(dǎo)致的滯后突水，掘進(jìn)巷道受斷層影響直接揭露奧灰而導(dǎo)致的斷層活化、滯后突水卻并不常見(jiàn)。本次研究填補(bǔ)了兗州煤田在巷道掘進(jìn)過(guò)程中斷層導(dǎo)致奧灰滯后突水方面的空白。

八采區(qū)為單家村煤礦最后一個(gè)采區(qū)，能否順利開(kāi)采對(duì)礦井長(zhǎng)遠(yuǎn)接續(xù)具有十分重要的意義。本次研究為八采區(qū)水害防治工作和下一步合理布置采掘工作面提供了技術(shù)依據(jù)，為確保采區(qū)的安全生產(chǎn)打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，也為同類受水害威脅的礦井提供了重要借鑒。