煤層底板隱伏斷層分類及突水防治措施

劉澤威，劉其聲，劉 洋

煤層底板隱伏斷層分類及突水防治措施

劉澤威1,2,3，劉其聲2,3，劉 洋2,3

(1. 煤炭科學(xué)研究總院，北京 100013；2. 中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077；3. 陜西省煤礦水害防治技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710077)

礦井底板突水系數(shù)介于0.06~0.1 MPa/m區(qū)域內(nèi)發(fā)育的隱伏斷層，是煤礦生產(chǎn)過程中發(fā)生突水的關(guān)鍵因素之一，對其進(jìn)行科學(xué)分類有利于制定底板突水防治針對性措施。通過煤層底板隱伏斷層特征分析，根據(jù)隱伏斷層頂界面位置與“下三帶”垂向關(guān)系，從底板水害防治角度，將煤層底板隱伏斷層分為高位、中位及低位3種類型。借助理論與突水案例分析手段，指出存在突水威脅的高位隱伏斷層具有全貫通、突發(fā)性、水量大及危害程度高等特點(diǎn)；中位隱伏斷層具有突水時(shí)間難以判斷、突水后難以治理的特點(diǎn)。針對高位隱伏斷層，提出工作面回采前對煤層底板進(jìn)行注漿加固等防治措施；針對低位隱伏斷層，提出在突水災(zāi)害前后采取不同思路的注漿治理措施。研究成果對于煤礦企業(yè)應(yīng)對隱伏斷層引起的底板突水災(zāi)害提供了重要參考。

斷層分類；高位隱伏斷層；中位隱伏斷層；下三帶；突水

根據(jù)我國各礦區(qū)底板奧陶系灰?guī)r(簡稱“奧灰”)突水資料分析，底板突水事故大部分發(fā)生在回采工作面，其中80%的事故與斷層有關(guān)[1-3]。隨著煤礦開采深度不斷加大，礦井工作面底板受到地壓與水壓的威脅越來越大，底板水的危害日趨嚴(yán)重，斷層導(dǎo)致底板突水成為我國礦井水害形式之一[4]。近年來，華北地區(qū)煤層開采始終受到底板奧灰水的影響[5]，經(jīng)常發(fā)生由隱伏斷層造成的底板突水事故，如山東肥城白莊煤礦8105工作面軌道巷底板發(fā)生隱伏斷層突水事故，突水量最大達(dá)到2 800 m3/h[6]。因此，研究煤層底板隱伏斷層對預(yù)防及治理煤礦底板突水災(zāi)害具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義[7-10]。

構(gòu)造地質(zhì)學(xué)家根據(jù)斷層兩盤的相對運(yùn)動將斷層分為正斷層、逆斷層及平移斷層[11]。為了更好地開展對斷層的研究工作，先后有學(xué)者從不同角度提出新的斷層分類方法，王頌禹[12]對傳統(tǒng)的根據(jù)斷層兩盤相對運(yùn)動方向的形態(tài)分類提出補(bǔ)充意見，增加了水平斷層、垂直斷層與開口斷層3種新類型；黎良杰等[13]針對斷層突水機(jī)理，根據(jù)斷層性質(zhì)將斷層劃分為張開型斷層和閉合型斷層；曹運(yùn)興等[14]按照順煤斷層的成因，提出將其劃分為3種基本類型：褶皺型、重力滑動型和轉(zhuǎn)換型；羅群等[15]針對低序級斷層，將其劃分為拉張正斷層、拉張–走滑斷層、擠壓逆斷層、擠壓–走滑斷層和走滑斷層5種成因類型；吳中海[16]根據(jù)活斷層滑動速率和地震復(fù)發(fā)間隔指標(biāo)，提出了活斷層的分類方案。上述研究主要從地質(zhì)角度對斷層進(jìn)行分類，而煤礦發(fā)生斷層突水除受斷層自身性質(zhì)影響外，更多與采礦活動有關(guān)，回采面推進(jìn)過程中，頂板覆巖作用形成的超前支承壓力破壞底板巖層，常引發(fā)隱伏斷層活化導(dǎo)水。因此，從煤礦防治水角度來在進(jìn)行隱伏斷層類型劃分時(shí)，應(yīng)結(jié)合采礦因素與水害防治角度對其進(jìn)行分類，以期為不同類型的隱伏斷層防治措施制定提供依據(jù)。

由于煤層底板隱伏斷層性質(zhì)、連通性及發(fā)育位置千差萬別，對礦井的威脅程度則會存在較大的差異，有些工作面無需采取任何措施直接回采即可，有些工作面隱伏斷層需要注漿改造方能進(jìn)行回采，有些需留設(shè)防隔水煤巖柱，更有甚者需要采取多種措施并舉。因此，為了更好地指導(dǎo)煤礦企業(yè)應(yīng)對隱伏斷層引起的底板突水災(zāi)害，本文基于煤層底板“下三帶”理論，即工作面回采后采空區(qū)底板巖層形成的底板導(dǎo)水破壞帶、完整巖層帶及承壓水導(dǎo)升帶，根據(jù)隱伏斷層頂界面與下三帶空間上的垂向位置關(guān)系，從底板水害防治角度對煤層底板隱伏斷層進(jìn)行分類，評價(jià)其突水危險(xiǎn)性，依據(jù)水害威脅程度的差異提出相應(yīng)防治策略。

1 煤層底板隱伏斷層

一般而言，隱伏斷層是指在地表無出露，潛伏地表以下的斷層[11]。本文所指的煤層底板隱伏斷層，是指在煤層采掘活動過程中未揭露，但可通過物探、鉆探手段探查或通過其他地質(zhì)現(xiàn)象推測的斷層。此類斷層一般發(fā)育于脆性巖層中，伴生于大斷裂構(gòu)造，斷層底部直接與灰?guī)r或奧灰含水層溝通。受圍巖應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力共同作用，在未采動的情況下，一般保持穩(wěn)定狀態(tài)，受采掘擾動后易發(fā)生活化，具備條件時(shí)易引發(fā)采掘工作面底板突水事故。

煤礦開采實(shí)踐表明，底板斷層滯后突水常常是由隱伏斷層引發(fā)，而具有一定規(guī)模的大斷層引起的突水災(zāi)害則較為少見[17-18]。主要是由于大斷層在煤礦開采前已采用三維地震勘探、水文地質(zhì)鉆探及電法勘探等方法進(jìn)行了勘查確認(rèn)，礦井設(shè)計(jì)階段通過生產(chǎn)布局進(jìn)行了有效回避，或作為采區(qū)邊界、礦井邊界；無法回避的斷層一般在揭露前會采取注漿或留設(shè)防隔水煤柱等措施提前防治。在當(dāng)前的技術(shù)裝備條件下，底板隱伏斷層的空間位置、走向及延伸長度能夠通過物探和鉆探手段確定，但斷層性質(zhì)、傾角、傾向、斷層開放程度、破碎帶寬度等要素難以精確探查。從礦井防治水的角度分析，由于煤層隱伏斷層改變了隔水層的完整性及力學(xué)性質(zhì)，增大了煤層與含水層之間聯(lián)通的可能性。在采掘擾動和底板含水層承壓水共同作用下，煤層隱伏斷層易被活化或進(jìn)一步發(fā)育，成為底板水進(jìn)入采掘工作面的導(dǎo)水通道，引發(fā)礦井突水災(zāi)害的發(fā)生。

2 隱伏斷層分類

煤層底板隱伏斷層的研究結(jié)果表明，斷層與煤層的相對位置對底板突水有著密切影響[19-23]。文獻(xiàn)[18]借助斷裂力學(xué)推導(dǎo)出煤層底板隱伏斷層活化力學(xué)判據(jù)，并分析發(fā)生斷層突水的臨界水壓隨著隱伏斷層到底板垂向距離的增大而增大。從水害防治角度分析，由于隱伏斷層頂界面與下三帶垂向關(guān)系不同，其水害威脅程度及治理措施將會存在較大的差異，因此，可根據(jù)隱伏斷層頂界面與“下三帶”垂向關(guān)系進(jìn)行分類。

由于各礦區(qū)底板隔水層厚度存在差異，針對隔水層厚度大的礦井，底板水對礦井生產(chǎn)不構(gòu)成威脅，不需要采取措施；底板隔水層超薄的礦井，則劃分為禁采區(qū)，為了使本文隱伏斷層分類更具有針對性及適用性，在分類前須對底板隔水層厚度加以限定，力求劃分更科學(xué)合理。

根據(jù)《煤礦防治水細(xì)則》規(guī)定[24]，煤層要實(shí)現(xiàn)安全回采，在底板受構(gòu)造破壞地段突水系數(shù)一般不大于0.06 MPa/m，正常區(qū)段一般不大于0.1 MPa/m，而處于0.06~0.1 MPa/m之間的情況則未作規(guī)定，因此，突水系數(shù)介于兩者之間、煤層底板存在隱伏斷層的礦井防治水工作如何開展，是當(dāng)前技術(shù)人員在制定措施時(shí)面臨的棘手問題。突水系數(shù)計(jì)算公式為：

=/(1)

式中：為突水系數(shù)，MPa/m；為隔水層底板承受水壓，MPa；為有效底板隔水層厚度，m。

當(dāng)突水系數(shù)值確定后，針對具體礦井而言，其水壓值屬于已知條件，隔水層厚度可以直接計(jì)算。因此，本文以過渡區(qū)的隔水層厚度為約束條件，結(jié)合開采擾動影響，根據(jù)隱伏斷層頂界面與煤層底板下三帶相對位置關(guān)系，將煤層底板隱伏斷層分為高位、中位及低位3類。

a.高位隱伏斷層 此類隱伏斷層頂界面位置處于底板導(dǎo)水破壞帶內(nèi)(圖1a)。在煤層回采階段，原來完整的底板巖層受到礦山壓力影響，連續(xù)性遭受破壞，而隱伏斷層的存在加大了底板破壞深度，使非導(dǎo)水?dāng)鄬踊罨癁閷?dǎo)水?dāng)鄬樱瑪鄬訑嗑嗉哟螅瑢?dǎo)水性進(jìn)一步增強(qiáng)。由于斷層底端與含水層溝通，工作面回采過程中將會發(fā)生即時(shí)突水災(zāi)害，對礦井安全開采威脅極大。因此，煤層底板含有高位隱伏斷層時(shí)，無論導(dǎo)水與否回采面極容易發(fā)生底板突水災(zāi)害，在回采前須采取針對性防治措施進(jìn)行治理。

圖1 不同類型隱伏斷層示意

b.中位隱伏斷層 此類隱伏斷層頂界面位置處于完整巖層帶(圖1b)。煤層底板含有中位隱伏斷層時(shí)，由于與上方煤層底板有一定距離，一般不會直接發(fā)生突水災(zāi)害。然而，隨著時(shí)間推移，在含水層水壓力和構(gòu)造應(yīng)力長期雙重作用下，加之采空區(qū)底板原巖由三維應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槎S應(yīng)力狀態(tài)，中位隱伏斷層頂部進(jìn)一步向采空區(qū)方向發(fā)育，逐漸穿透完整巖層帶，與底板破壞帶連通，引發(fā)滯后突水災(zāi)害。因此，中位隱伏斷層雖然對礦井當(dāng)時(shí)開采威脅較小，但時(shí)間效應(yīng)使得采空區(qū)底板下的完整巖層產(chǎn)生蠕變、屈服及破壞，易引發(fā)底板滯后突水災(zāi)害，此類斷層也須采取措施進(jìn)行及早防治。

c.低位隱伏斷層 此類隱伏斷層頂界面位置處于承壓水導(dǎo)升帶(圖1c)。低位隱伏斷層，在含水層的長期水力侵蝕下，雖然導(dǎo)水通道寬度及導(dǎo)水能力均得到了加強(qiáng)，但是由于距煤層底板較遠(yuǎn)，且中間有完整巖層帶阻水，因此，不會引發(fā)突水災(zāi)害。

3 隱伏斷層突水影響因素及防治措施

文獻(xiàn)[25]通過數(shù)值模擬方法對底板斷層突水的主控影響因素展開了研究，結(jié)果表明，含水層水壓與斷層傾角對斷層活化突水存在顯著影響，據(jù)此本文從含水層水壓與斷層傾角兩個(gè)主控影響因素出發(fā)，分析其對高位與中位兩種會引發(fā)突水災(zāi)害的隱伏斷層進(jìn)行分析，并結(jié)合礦井突水實(shí)例，提出不同煤層底板隱伏斷層突水防治措施及技術(shù)思路。

3.1 影響因素分析

a.含水層水壓 含水層水壓的大小決定著高位隱伏斷層底板突水的突發(fā)性與突水量，隨著含水層水壓增大，其突發(fā)性增強(qiáng)，突水量也隨之增高。針對中位隱伏斷層底板突水，含水層水壓對突水滯后時(shí)間有著明顯影響，根據(jù)中位隱伏斷層特性，需要一定時(shí)間才能活化導(dǎo)通含水層，造成突水災(zāi)害；而含水層水壓越大，會加速活化過程，導(dǎo)致突水滯后時(shí)間變短，突水災(zāi)害提前發(fā)生。

b.斷層傾角 已有研究[26]表明，斷層傾角越小，煤層底板越不容易發(fā)生突水事故。高位隱伏斷層傾角越小時(shí)，連通含水層的突水通道長度增加，下方含水層的水通過斷層進(jìn)入煤層底板的難度就越大，即突發(fā)性減弱，水量也相應(yīng)減小；中位隱伏斷層傾角越小時(shí)，斷層兩盤上下錯(cuò)動難度越大，完整巖層帶則不容易受到破壞，導(dǎo)致底板突水滯后時(shí)間越長。反之，斷層傾角越大，底板突水的時(shí)間縮短、突水量加大，防治難度增加。

3.2 不同類型隱伏斷層突水防治措施

3.2.1 高位隱伏斷層

為了直觀說明高位隱伏斷層突水防治措施，本文以新密煤田礦井突水為例，分析高位隱伏斷層影響因素及采取的防治措施。新密煤田處于華北板塊嵩箕構(gòu)造區(qū)嵩箕斷隆，區(qū)內(nèi)斷層構(gòu)造較多，落差小則幾十米，大則數(shù)百米，依次有咕山、龜山等斷層。由于新密煤田隱伏斷層頂界面多處于底板導(dǎo)水破壞帶，完整巖層帶容易被破壞，導(dǎo)致其穩(wěn)定程度與阻水能力大大下降。區(qū)域內(nèi)東溝煤礦、富堡煤礦及裴溝煤礦等在生產(chǎn)過程中，均發(fā)生過多次隱伏斷層導(dǎo)致的奧灰突水事故，部分礦井甚至造成淹井等災(zāi)害。本文以裴溝煤礦某工作面的突水為例進(jìn)行說明。

圖2 裴溝煤礦某工作面底板突水示意

新密煤田裴溝煤礦因隔水層內(nèi)斷層活化發(fā)育，導(dǎo)致某工作面發(fā)生突水(圖2)，由于含水層水壓較大，礦井突水量穩(wěn)定在1 200 m3/h左右。由上述案例及其他礦井資料總結(jié)得出新密煤田煤礦發(fā)生突水災(zāi)害的特點(diǎn)為：突水瞬發(fā)性較強(qiáng)，突水水量大，危害程度高，這也是高位隱伏斷層突水的典型特征。

從礦井防治水角度分析，高位隱伏斷層突水具有全貫通、突發(fā)性、水量大及危害程度高等特點(diǎn)，其突水防治措施可按下列步驟進(jìn)行：

①由于本文討論的突水系數(shù)為0.06 ~0.1 MPa/m，有效隔水層厚度有限，為防止隱伏斷層斷距加大，擴(kuò)大導(dǎo)水通道，進(jìn)一步惡化煤層底板工程地質(zhì)條件，須采取地面或井下定向鉆探技術(shù)對煤層底板進(jìn)行提前注漿加固，一方面可以改善底板破碎程度，提高底板整體抗水壓能力；另一方面也可以抑制隱伏斷層進(jìn)一步擴(kuò)展延伸，阻止其變成大通道導(dǎo)水?dāng)鄬拥目赡埽瑢⑼凰[患消除于萌芽狀態(tài)中。

②長期監(jiān)測隱伏斷層受采動影響的變化情況和下方含水層的水位、水溫等指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)滲水及水位異常現(xiàn)象，應(yīng)及時(shí)分析原因，采取專項(xiàng)防治措施進(jìn)行防治。

3.2.2 中位隱伏斷層

由于中位隱伏斷層頂界面處于完整巖層帶，隨著時(shí)間推移，中位隱伏斷層進(jìn)一步發(fā)育，頂界面與底板導(dǎo)水破壞帶溝通，并與含水層發(fā)生貫通，從而引發(fā)滯后突水災(zāi)害。此類型突水以邢東礦2228工作面突水實(shí)例進(jìn)行說明。2018年3月4日，邢東煤礦2228工作面機(jī)尾發(fā)現(xiàn)出水，水量約為60 m3/h，11日水量增至1 100 m3/h左右(圖3)。隔水層內(nèi)具有中位貫通隱伏斷層，受采動與水壓影響，導(dǎo)致其完整性被破壞。本次突水前工作面因放假停采一周左右，此時(shí)隱伏斷層只受含水層水壓作用，導(dǎo)致其活化加快，并貫通含水層；當(dāng)工作面再次開始回采作業(yè)時(shí)發(fā)生底板突水事故。對比圖2與圖3發(fā)現(xiàn)，2228工作面底板突水具有典型的滯后現(xiàn)象。

圖3 邢東礦2228工作面底板突水示意

從水害防治角度分析，由于中位隱伏斷層與上方煤層和下方含水層都有一定距離，整個(gè)突水過程可分為兩個(gè)階段：第一階段是發(fā)育在隔水層下部的隱伏斷層溝通含水層，將灰?guī)r水向上部導(dǎo)引，形成斷層水；第二階段是隱伏斷層水在其端部形成尖點(diǎn)效應(yīng)，高壓水驅(qū)動裂隙繼續(xù)向隔水層弱勢面方向發(fā)育，不斷發(fā)育的斷層裂隙逐漸減小了隔水層的有效厚度，在斷層損傷達(dá)到隔水層臨界阻水能力厚度時(shí)，礦井將會發(fā)生突水事故。因此，中位隱伏斷層具有突水時(shí)間難以判斷、突水后難以治理的特點(diǎn)，其突水防治措施可按下列步驟進(jìn)行：

①從水害防控角度來說，通過水壓監(jiān)測及富水性探測的方法掌握灰?guī)r水的導(dǎo)升情況，對含水層水位、水溫、水質(zhì)等進(jìn)行長期動態(tài)觀測，建立突水監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，監(jiān)測斷層受采動影響變化情況。

②工作面回采前采用物探手段對底板疑似區(qū)域進(jìn)行定期的富水性探測，對比分析富水性是否發(fā)生改變，監(jiān)測孔水位是否下降，綜合判斷斷層頂部是否發(fā)生導(dǎo)升情況。

③通過物探結(jié)果、水壓數(shù)據(jù)等綜合判斷發(fā)現(xiàn)斷層水有向上導(dǎo)升現(xiàn)象時(shí)，可在斷層側(cè)向打孔泄壓或注漿改造，對隱伏斷層發(fā)育區(qū)域進(jìn)行超前治理。

④若工作面回采后，采空區(qū)底板發(fā)生滯后突水，鑒于隱伏斷層已經(jīng)與含水層發(fā)生水力聯(lián)系，并且出水區(qū)域底板巖層已經(jīng)破壞，須封閉該區(qū)域，采用定向鉆進(jìn)行小范圍區(qū)域靜壓注漿改造，不可在原出水點(diǎn)直接進(jìn)行動水注漿，其將惡化出水點(diǎn)的工程地質(zhì)條件，引發(fā)更大的突水災(zāi)害。

4 結(jié)論

a.根據(jù)隱伏斷層頂界面與“下三帶”垂向關(guān)系將煤層底板隱伏斷層劃分為高位、中位及低位隱伏斷層。

b.高位隱伏斷層具有突發(fā)性和危害大的特點(diǎn)，工作面回采前須對煤層底板進(jìn)行注漿加固，定期監(jiān)測隱伏斷層受采動影響的變化發(fā)育情況。

c. 中位隱伏斷層具有滯后性和災(zāi)后治理難度大的特點(diǎn)，針對其特點(diǎn)考慮突水災(zāi)害前后采取不同治理思路與措施。針對中位隱伏斷層突水的滯后性研究還存在一定欠缺，尤其是滯后時(shí)間定量化方面，這對斷層底板突水的預(yù)測防治有著重大意義。因此，應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)對隱伏斷層突水滯后性研究。

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Classification of hidden faults in coal seam floor and measures for water inrush prevention

LIU Zewei1,2,3, LIU Qisheng2,3, LIU Yang2,3

(1. China Coal Research Institute, Beijing 100013, China; 2. Xi’an Research Institute Co. Ltd., China Coal Technology and Engineering Group Corp., Xi’an 710077, China; 3. Shaanxi Key Laboratory of Prevention and Control Technology for Coal Mine Water Hazard, Xi’an 710077, China)

The floor hidden faults with mine water bursting coefficient between 0.06 and 0.1 MPa/m have not been classified scientifically in combination with mining. Based on the characteristics of hidden faultsin coal seam floor and the vertical relationship between the location of the top interface of the hidden fault and the "Three Underlying Belts", the hidden faults in coal seam floor are classified into three types: high, middle, and low from the perspective of mine water prevention of the floor. Through theoretical analysis and case analysis of water inrush, it is pointed out that the high hidden fault with the threat of water inrush has the characteristics of full penetration, suddenness, large water volume and high degree of harm. It is difficult to control afterwards. For high hidden fault, preventive measures such as grouting and strengthening the coal seam floor before mining are proposed; for low- hidden faults, different measures for grouting treatment before and after water inrush disasters are proposed. The research results provide an important reference for coal mine enterprises to deal with floor water inrush disasters caused by hidden faults.

fault classification;high hidden fault; middle hidden fault; three underlying belts; water inrush

TD741

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2020.02.022

1001-1986(2020)02-0141-06

2019-12-30；

2020-04-01

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41807221)；國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2017YFC0804100)

National Natural Science Foundation of China(41807221)；National Key R&D Program of China(2017YFC0804100)

劉澤威，1995年生，男，陜西商洛人，碩士研究生，研究方向?yàn)槊旱V防治水. E-mail：liu182888@qq.com

劉澤威，劉其聲，劉洋. 煤層底板隱伏斷層分類及突水防治措施[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2020，48(2)：141–146.

LIU Zewei，LIU Qisheng，LIU Yang. Classification of hidden faults in coal seam floor and measures for water inrush prevention[J]. Coal Geology & Exploration，2020，48(2)：141–146.

(責(zé)任編輯 周建軍)