堡子公司F36斷層局部出水機理分析及防治措施

李 榮

(陽泉煤業(yè)集團沙鋼礦業(yè)投資有限公司，山西 臨汾 043500)

0 引言

帶壓開采礦井導水斷層突水是礦井采掘中最常見的突水災害事故之一，由于斷層破壞了巖層的完整性，常常成為含水層間的水力通道，經常造成掘進頭或工作面停產，甚者可至淹沒礦井。斷層的某一區(qū)段是否導水，導水性強弱，是沿破碎帶上下連通還是僅水平方向接觸導水，取決于斷層的力學性質、斷層帶的成分結構、斷層的后期移動、斷層兩側巖層對接關系、含水層的水壓以及采礦活動引起的圍巖壓力對斷層的重新破壞作用。通過分析堡子公司2#煤層帶壓區(qū)F36斷層局部出水機理，對判斷斷層富水性、導水性對承壓區(qū)斷層水防治具有一定的指導意義。

1 地質概況

1.1 礦井地質條件

堡子井田位于山西省沁水煤田晉城礦區(qū)西南部。根據地表出露、鉆孔勘探及井下揭露，井田地層由老到新發(fā)育有奧陶系中統(tǒng)峰峰組，石炭系中統(tǒng)本溪組、上統(tǒng)太原組，二疊系下統(tǒng)山西組、下石盒子組、上統(tǒng)上石盒子組，第四系中、上更新統(tǒng)及全新統(tǒng)。受區(qū)域構造帶的影響總體為一走向北西，傾向北東的單斜構造，次一級構造為向南仰起的向斜構造，地層傾角一般8°～13°，局部達25°～35°。井田內發(fā)現褶曲1個，斷層57條，其中以往地質勘探推斷16條、井下揭露41條，未發(fā)現陷落柱。

井田內可采煤層為山西組2#和太原組9#煤層。2#煤層位于山西組中部，為本區(qū)主要可采煤層之一，煤層厚度1.85～5.85 m，平均4.17 m，含0～1層夾矸，頂板以泥巖為主，粉砂巖次之，底板以粉砂巖為主，泥巖次之。2#煤層厚度變化不大，穩(wěn)定可采，結構簡單，夾石易于對比，為全區(qū)穩(wěn)定可采煤層。9#煤層位于太原組下段頂部，為全區(qū)主要可采煤層之一。其厚度為0.88～5.32 m，平均3.55 m，含0～2層夾矸，頂板為K2石灰?guī)r，底板以鋁質泥巖為主，泥巖次之。9#煤層厚度變化不大，穩(wěn)定可采，結構簡單，夾石易于對比，為全區(qū)穩(wěn)定可采煤層。

1.2 二采區(qū)地質條件

目前主要開采2#煤層二采區(qū)。二采區(qū)位于井田的東北部，現已形成3個工作面，分別為2201工作面、2202工作面、2203工作面，二采區(qū)2#煤層平均厚度4.5 m，煤層直接頂為砂質泥巖，厚度1.0 m；老頂為粗粒砂巖，厚度3.0 m；直接底為泥巖，厚度2.0 m；老底為細砂巖，厚度2.0 m。二采區(qū)(2201、2202、2203工作面)煤層底板標高+790～+910 m，總體為一走向NW、傾向NE的單斜構造。二采區(qū)(2201、2202、2203工作面)采掘揭露斷層7條，其中斷層F36落差為37 m，產狀走向NE，傾向SE，井田內延伸長度1 100 m，其余均為小型正斷層，落差小于5 m，如圖1所示。

圖1 二采區(qū)(2201、2202、2203工作面)采掘工程平面示意圖

根據B1-2、ZK601、ZK2號(未揭露奧灰)鉆孔資料，二采區(qū)(2201、2202、2203工作面)2#煤層底板距離K2灰?guī)r頂板厚度分別為43.33 m、62.50 m、56.17 m，平均厚度54 m；2#煤層底板距離奧灰頂界面厚度分別為75.30 m、92.29 m，平均厚度約84 m，如圖2所示。

圖2 2#煤層距離K2灰?guī)r、奧灰距離示意圖

1.3 二采區(qū)(2201、2202、2203面)水文地質條件

2#煤層充水水源主要為二疊系砂巖裂隙含水層水(K8砂巖)，其次為底板太灰水和奧灰水。其中二采區(qū)(2201、2202、2203工作面)2#煤層底板標高+790～+910 m，奧灰水水位標高+944 m左右，2#煤層底板至奧灰頂界面平均厚度84 m，二采區(qū)(2201、2202、2203工作面)奧灰水突水系數介于0.026～0.039 MPa/m。

2 探巷出水點及斷層情況

2.1 2202工作面探巷出水點情況

二采區(qū)2202工作面探巷施工70 m時停掘，探巷17°上山，停掘位置距F36斷層25 m。2017年1月17日，探巷底板裂隙出水(裂縫約10～20 mm的寬度)，出水量達到150 m3/h。另外2203工作面回風順槽穿越F36斷層時也出現出水，最大為2 m3/h，當 2202工作面探巷出水后，2203工作面回風順槽穿越F36斷層位置出水量逐步衰減，出水點如圖1所示。

2202工作面探巷出水點處煤層底板標高約+815 m，奧灰水位標高+944 m，出水點奧灰水帶壓約1.3 MPa。

通過探巷出水點水質化驗資料和B1-2水文孔奧灰水質化驗資料中陽離子(Ca2+、Mg2+、Na+、K+)的含量、陰離子(Cl-、SO42-、HCO3-、NO3-、CO32-)含量，以及pH值、總硬度比對，確定充水水源為奧灰水。

2.2 F36斷層揭露情況

在井巷施工過程中有8次揭露F36斷層(如圖3所示，綠色標注為巷道揭露F36斷層位置)，2#煤運輸大巷和2#煤回風大巷揭露并通過F36斷層，兩處未發(fā)生出水情況；2203切巷與F36斷層之間共施工掘采巷道7條掘采巷道，巷寬4 m，巷高要求見頂見底，煤柱5 m，施工期間有5條巷道揭露F36斷層，均未發(fā)生出水情況；2203工作面回風巷揭露F36斷層，未發(fā)生出水情況。

圖3 巷道揭露斷層示意圖

3 出水機理分析

二采區(qū)屬于帶壓開采區(qū)域，受F36正斷層影響，中奧陶統(tǒng)碳酸鹽巖巖溶裂隙含水層和上石炭統(tǒng)太原組(K2、K3、K4石灰?guī)r)相互導通，是本次出水的出水水源。

出水通道是2202探巷附近F36和F38附近及交匯處，地應力集中，頂、底板巖石受地應力作用，節(jié)理裂隙比較發(fā)育，形成的節(jié)理裂隙密集帶(應力集中帶)，是本次出水的出水通道。

2202探巷掘進前方，F36正斷層落差較大(37 m)，造成掘進工作面掌頭煤層底板巖層與斷層下盤K2灰?guī)r垂距僅17 m左右，如圖4所示；同時采掘工程位于F36和F38附近及交匯處，地應力集中，頂、底板巖石受地應力作用，節(jié)理裂隙比較發(fā)育；另外2202探巷的施工，形成了礦山壓力集中區(qū)，礦山采動礦壓對底板的破壞深度達15 m，如圖5所示。在地應力和礦山壓力雙重作用下，2202探巷掌頭底板承受不住奧(太)灰水壓，將底板節(jié)理裂隙潰破或擴大，奧(太)灰水沿斷層及節(jié)理裂隙涌入巷道。

圖4 2202探巷前方斷層示意剖面圖

圖5 采動礦壓對底板的破壞深度

4 帶壓區(qū)構造導水的防治措施

4.1 做好勘查工作

涉及帶壓開采礦井必須通過水文地質勘探、地面三維地震、地面電法勘探等先進手段查明煤層下伏巖溶含水層位、富水性、水位標高，煤層與含水層之間隔水層的厚度、巖性組合、力學性質，煤層的底板標高、空間變化，斷層、陷落柱的分布及導水性，并進行帶壓開采安全評價。一旦發(fā)生底板突水，要查明突水通道，采用注漿辦法進行封堵。

4.2 做帶壓開采安全配套措施

礦井防排水系統(tǒng)：礦井排水系統(tǒng)與相應防水系統(tǒng)的建立，是實現安全帶壓開采必備的環(huán)節(jié)之一，必須符合《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定之要求。礦井在加強防治水工作的同時，必須保證達到《煤礦防治水規(guī)定》要求的抗災搶險的排水能力和相應的防水系統(tǒng)，只有這樣，礦井的安全生產才能得以保證。在水量一旦意外增大的情況下，能夠避免淹井事故的發(fā)生，至少能爭取時間撤出危險區(qū)的工作人員。

供電系統(tǒng)：供電系統(tǒng)要與水泵供電負荷相匹配，并保證雙電源雙回路供電，以便一路電源發(fā)生故障時，另一路電源能立即供電，保障排水系統(tǒng)的不間斷正常工作。配電設備的能力應當與工作、備用和檢修水泵的能力相匹配，并能保證全部水泵同時運轉。

抗災強排水系統(tǒng)：在礦井遭遇突水災害時，中央排水系統(tǒng)能力不足或失效的情況下，可啟動強排水系統(tǒng)，也是提高礦井抗災能力及災后救援能力的有效措施。

5 結論

(1)在分析斷層的導水性時，不要輕易將某條斷層簡單地劃分為導水斷層、隔水斷層或貯水斷層，而應充分注意斷層的水文地質性質具有方向性和局部性，即一條斷層可以在某一方向導水，而在另一方向上隔水，或同一斷層的某一部位導水，而在另一部位隔水。有些斷層在初次揭露時隔水，但隨采礦擾動可能發(fā)生滯后導水。所以，在研究的探測斷層的水文地質性質時，對不同部位具有不同應力狀態(tài)，不同部位具有不同水理性質的復雜面狀地質結構體，進行整體分析和分區(qū)評價。

(2)在沒有掌握斷層各區(qū)段的導水性之前，應該把整個斷層作為導水斷層對待。在巷道掘進前應根據巷道的布置情況，對可能揭露的斷層進行分析、評價，分析其對巷道掘進的威脅程度，按照《煤礦防治水規(guī)定》的有關規(guī)定執(zhí)行，留設防隔水煤巖柱。當巷道掘進至斷層附近時，首先采用超前物探探測技術對該斷層進行探測，初步探查富水性，確定斷層位置，再采用鉆探進行驗證，精確探查其落差、傾角和水文地質性質。此后根據探查結果，依據相關規(guī)程的要求留設合理的防水煤(巖)柱或采取其他防治水措施。

(3)防治煤層下伏含水層(巖溶含水層)水，一定要堅持“查明條件、查治結合、預防為主”、“探、防、堵、截、排”及“預測預報、有疑必探，先探后掘、先治后采”的防治水原則，把防治水與礦井的長遠發(fā)展作為一個整體來考慮，進行統(tǒng)籌安排；依靠先進技術，把水害事故消滅在萌芽狀態(tài)。