華北型煤田巖溶水突水模式及承壓煤層安全開采的技術措施研究

吳 濤 李 鵬 常致凱

（中國煤炭地質總局水文地質工程地質環境地質勘查院，河北 邯鄲 056000）

1 研究區概況

廣義的華北型煤田根據成煤時代、區域水文地質條件、煤巖疊置關系等分為華北區和西北區[1]。由于鄂爾多斯盆地石炭二疊系煤層埋藏較深，現在主要開采的是侏羅系煤層。因而本文所講的華北型煤田指的是鄂爾多斯盆地以東的華北區的華北型煤田，主要開采石炭-二疊系的煤層，絕大多數直接沉積在奧陶系灰巖之上。

2 華北型煤田巖溶水突水案例分析

本次收集整理了以往較大的奧灰突水案例34起，見表1。從這些突水案例中看出，大多數突水是由陷落柱和斷層導水引起。其中由導水陷落柱引起的突水有11例，占總案例的32.4%，由導水斷層引起的突水有20例，占總案例的58.8%。其他原因突水3例，占總案例的8.8%。由此可見，導水斷層及導水陷落柱是奧灰突水的主要因素，煤層底板采動裂隙突水是奧灰突水的次要因素。

另外從薄層灰層的突水案例統計分析中可知，薄層灰巖的突水多數是由于在導水構造的作用下奧灰水直接補給了薄層灰巖含水層，從而使薄層灰巖的突水量增加，造成淹井事故。例如，峰峰-邯鄲礦區的大青、伏青灰巖，霍州礦區的K2灰巖，焦作-鄭州礦區的二灰（L2）、八灰（L8）灰巖，淄博礦區的徐家莊灰巖，肥城礦區的三灰、四灰等，均受到奧灰含水層的補充[2-3]。其中焦作礦區的L8灰巖突水占巖溶突水的76%以上，淄博礦區的徐灰突水占整個礦區巖溶突水的56%以上。

表1 中國煤礦重大奧灰突水案例一覽表[2]

3 巖溶水突水模式

華北型煤田下組煤底板主要突水水源為下伏奧陶系灰巖巖溶裂隙水，其次為煤層地層中的薄層灰巖巖溶裂隙水。通過前面突水案例分析可知，煤層底板突水主要是由導水斷層、導水陷落柱引起，其次為底板采動裂隙等。

因此，根據突水類型將巖溶水突水模式大致分為三類：底板型突水模式、斷層型突水模式和陷落柱型突水模式。

3.1 底板型突水模式

當采煤工作面自切眼向前推進時，破壞了原巖應力場的平衡狀態，使底板巖體產生破壞，產生采動裂隙（見圖1），成為底板奧灰水的主要通道，造成底板突水，突水的礦井主要表現為底板隔水層較薄、不穩定等。

圖1 煤層底板破壞示意圖

3.2 斷層型突水模式

斷層型突水模式是以斷層為主要導水通道，大致可細分為2種突水類型。

3.2.1 大中型斷層使煤層直接對接含水層類型

大中型斷層由于斷距大等特點，對于下組煤來說可直接錯斷煤層底板隔水層，造成煤層與下伏奧陶系含水層的對接（見圖2）。使煤層與被切割的含水層直接發生水力聯系。例如鄭州礦區米村井田在開采二1煤層時經鉆孔揭露發現4條大中型斷層（前高村斷層、張灣斷層、閆家門斷層、后高村斷層）。其中受閆家門斷層、后高村斷層的影響，米村井田二1煤層直接對接奧陶系馬家溝組灰巖含水層[3-4]。

3.2.2 斷層使隔水層變薄類型

由于受大中型斷層的影響，使得煤層底板隔水層厚度變薄（見圖3），當工作面接近或揭露斷層時，煤層底板含水層高壓水突破斷層充填物或底板隔水層而涌入工作面。

圖2 煤層對接奧灰含水層示意圖

圖3 斷層使隔水層變薄示意圖

3.2.3 斷層為導水通道類型

斷層為導水通道的突水類型大致分為2種。一種是斷層本身為導水斷層，當采掘直接揭露導水斷層時，奧灰水沿斷層直接進入工作面，產生突水。另一種是斷層本身不導水，由于受礦山壓力、采動破壞等的影響，誘發斷層活化，形成活化導水構造[4]。

3.3 陷落柱突水模式

陷落柱是奧灰突水的主要通道之一，開灤范各莊礦、皖北任樓礦、安陽銅冶一礦、邢臺東龐礦、峰峰九龍礦等均發生過巖溶陷落柱突水淹井事故。根據陷落柱的特性及突水特點可將陷落柱突水模式分為以下幾種類型：

3.3.1 突發型

當地質和水文地質條件不清楚時，巷道掘進工作面或回采工作面揭露導水陷落柱，使奧灰水通過陷落柱直接涌入工作面，造成突水事故。

3.3.2 緩沖-滯后型

雖然留設了陷落柱防水煤柱，但由于強度不夠，在水壓礦壓等共同作用下，煤柱造成破壞從而突水，水量由小逐漸增大，有一緩沖過程。或煤柱應力突然作用，使得長期完好采掘工程也可能發生滯后突水。

4 承壓煤層開采的防治技術措施

4.1 工作面的精細化探測+注漿封堵

利用井下綜合物探技術超前探測工作面內或前方存在的導水構造，并通過鉆探進行驗證。查明工作面存在的導水構造，針對導水構造進行具體的注漿封堵，起到提前預防的作用[5]。

4.2 底板注漿加固+區域治理

當隔水底板厚度明顯小于臨界厚度時，可用底板注漿的辦法將下伏含水層頂部的巖溶、裂隙封閉，使其變為相對隔水層，以增加隔水層底板至大于臨界厚度值，從而達到安全采煤的目的。這一方法的效果，取決于事先對下伏含水層頂部的巖溶、裂隙分布情況較清楚。因此可先用物探查明巖溶頂部的巖溶裂縫發育及分布情況，在此基礎上針對性地注漿治理。

4.3 疏水降壓

對于煤層底板隔水層厚度很薄，但下伏含水層厚度較薄，補給水量有限時可以采用疏水降壓的方法，將下伏含水層的水頭降至安全開采水壓以下。平頂山礦區的二礦、十一礦、五礦、七礦、十三礦、朝川礦結合生成布局，針對性地對石炭系、寒武系灰巖含水層進行疏放，降低了含水層的水位，達到了帶壓煤層安全開采的目的。邯鄲礦區的王鳳煤礦帶壓開采小青、山青煤層時，采用疏水降壓技術，將二坑中部以北地區大青水位由+120m降至+60m，實現了帶壓煤層的安全開采。蔚縣礦區單侯煤礦2010～2012年對奧灰水采取“整體疏水降壓，局部注漿加固”的措施進行防治，井田內奧灰水位下降最大的首采區最大下降約165m，解放了1號、5號煤炭資源量約15000萬t。

5 結語

華北型煤田區巖溶水突水模式大致可以分為煤層底板突水模式、斷層突水模式和陷落柱突水模式。其中，斷層突水和陷落柱突水最為常見。目前常用的帶壓煤層安全開采技術措施主要有工作面的精細化探測+注漿封堵、底板注漿加固+區域治理以及疏水降壓措施。不同的煤礦井由于水文地質條件不同，相應的防治技術措施也不同。因此，礦井水文地質工作者根據本礦井水文地質條件，制定相應的技術措施保障礦井帶壓煤層的安全開采。