霄云煤礦1313工作面隱伏陷落柱突水機理分析

趙元強，李肖蘭

(1.山東省煤田地質局第二勘探隊，山東 濟寧 272100；2.山東地礦新能源有限公司，山東 濟南 250100)

0 引言

近年來，隨著煤礦開采向深度的不斷延伸，開采技術條件也越來越復雜，突水淹井事故不斷出現，據不完全統計，2012—2016年全國煤礦發生特大突水事故35起，死亡233人[1]。嚴重影響和威脅礦井安全生產。煤礦的水文地質條件受地層、構造、巖漿巖等影響因素較大，就使得水害的類型繁多，特別是對隱伏型導水構造的精細探查預測能力不足，使其成為了礦井水害的重要導水通道。通過對霄云煤礦突水情況和治理措施的分析研究(1)山東省煤田地質局第二勘探隊，霄云煤礦1313工作面突水點注漿封堵報告，2018年。，以期能提高技術人員對隱伏地質構造的認識，加大對礦井隱伏構造的排查力度，避免生產中因突水災害帶來的人員和經濟損失。

1 地質概況

霄云煤礦位于山東省金鄉縣東南蘇魯交界處的霄云鎮。東北與魚臺縣接壤，主井井口距金鄉縣城20km，距魚臺縣城25km。井田東西長8.1km,南北寬2.9km，面積為23.42km2，礦井設計年生產能力0.90Mt,服務年限41年。大地構造位置屬于華北陸塊(Ⅰ級)、魯西隆起(Ⅱ級)、魯西南潛隆起區(Ⅲ級)、菏澤-兗州潛隆起(Ⅳ級)樓淺凹陷(Ⅴ級)中部(圖1)[2]，為華北-柴達木地層大區(Ⅴ)華北地層區的魯西地層分區。

1.1 地層概況

該區為沖積層全覆蓋區，地層由老至新為奧陶紀馬家溝群、石炭-二疊紀本溪組、太原組、山西組、二疊紀石盒子群、古近紀官莊群、新近系、第四系。區內含煤地層主要為石炭-二疊紀月門溝群太原組和山西組，山西組煤層厚度沉積穩定。目前礦井開采煤層為山西組3煤層，厚度0.4～7.69m，平均3.61m。煤層厚度有一定變化，但規律性較明顯，煤層厚度可采性指數Km為0.95，厚度變異系數γ為38%，含2個煤類，煤質變化中等，面積可采性指數為0.67，屬穩定煤層。

圖1 區域構造綱要圖

1.2 井田構造

該區位于金鄉煤田的東南部，西部為區域斷層曹馬集斷層。井田內地層走向近EW，傾向N。傾角10°～25°，淺部傾角大、深部傾角較小，為一向N傾斜的單斜構造[3]。區內構造復雜程度中等，斷層較多，共組合斷層201條。其中落差大于100m的有6條；落差50～100m的有3條；30～50m的有12條，其余的均小于30m。

1.3 巖漿巖

根據區域資料，金鄉煤田內巖漿巖屬燕山晚期巖漿活動的產物。在燕山晚期，巖漿大多是沿著大的斷裂等構造破碎帶，由南向北侵入含煤地層，以巖墻和巖脈的形式產出[4]。

區內在勘探過程中僅在J2-2號孔孔深897.70m位置見巖漿巖侵入于山西組頂部，巖性為中性閃長玢巖，厚度143m，對煤質沒有影響。在1309工作面和1312工作面掘進過程中揭露巖漿巖侵入體形成的巖墻，由于巖墻厚度較小，故對煤層、煤質、瓦斯影響不大。

2 水文地質

2.1 各含水層富水及涌水的基本規律

(1)區內各充水含水層包括深部的奧陶紀灰巖在內，其補給、徑流、排泄條件一般，含水層主要以靜儲量為主[5]。第四紀砂礫層含水層主要接受大氣降水和邊緣地帶基巖裂隙水的側向補給，基巖各含水層則主要通過隱伏露頭接受第四紀砂礫層含水層的滲透補給。

(2)正常情況下，礦井投產初期及開采淺部煤層時，礦井涌水量較大，隨著開采時間和井下開拓面積的延長，礦井涌水量就會在穩定一段時間之后出現緩慢減小的趨勢。開采3煤層時，其直接充水含水層為3煤層頂板砂巖，在淺部區域以巷道頂部淋水形式為主，深部區域主要為巷道頂部滴水形式或無水[6]。三灰及十下灰等薄層灰巖在礦井淺部多以底板涌水形式為主(圖2)，深部區域多以淋水形式為主。如果十下灰含水層在深部與奧灰通過斷層導通，則會變為涌水形式。

(3)含煤地層的基底奧灰強含水層對煤礦生產的威脅主要集中在煤田淺部，據金橋煤礦奧灰含水層抽水試驗資料，水位高程+33.31m～+33.98m，單位涌水量為0.0427～0.938L/s·m，滲透系數0.08～3.32m/d。奧灰是石炭-二疊紀含煤地層的沉積基底，是區域性的強含水層，它主要以底鼓涌水的形式對礦井開采形成威脅[7-11]。

2.2 斷層導水性

區內有斷層19條，落差大于50m的斷層7條，其中有5條落差大于100m，均為正斷層。根據區內各條勘探剖面圖可以得知，當斷層落差大于50m時，斷層上盤的3煤層層位會與下盤的太原組三灰形成對口；當斷層落差大于150m時，3煤層層位就會與下盤的太原組底部灰巖及奧灰強含水層形成對口接觸，受煤層采動影響，對盤的巖溶裂隙水含水層可沖破斷層軟弱帶和兩側裂隙帶以底鼓的方式對采煤造成不利影響。

該區的鉆孔在揭露或穿過斷層或近斷層處均未發現沖洗液漏失現象，簡易水文觀測消耗量均在正常變化的范圍內，沒有發生突然增大的現象，這都可以證明該區斷層基本不含水或不導水，斷層的富水性與導水性均較弱。

1—鉆孔；2—石灰巖含水層；3—煤層；4—斷層圖2 霄云煤礦8線水文地質剖面圖

3 礦井突水過程及突水量的變化情況

2018年9月10日22時45分，霄云煤礦1313工作面在正常生產過程中，發現43#架底板出現輕微滲水(圖3)，初始出水量約10m3/h，至9月11日凌晨1時，工作面突水量逐漸增加至100m3/h。至11日凌晨3點，工作面突水量水量突增至約400m3/h，因突水量過大(預測最大約為1500m3/h)，超過了礦井設計排水1200m3/h的能力，水位持續上升，嚴重威脅礦井安全，11日21點10分井下170人全部安全升井。9月13日10點20分，測算突水量約為3673m3/h，截至9月27日早7時，礦井水位一直在上升中，奧灰長觀孔的水位一直在下降中，兩水位差正逐步接近(圖4)。

1—河流；2—煤巷；3—斷層；4—煤層露頭線及鳳氧化帶；5—孔號◎鉆孔煤厚圖3 1313工作面出水點位置示意圖

4 1313工作面充水因素分析

根據1313工作面兩順槽揭露情況、區域內抽水試驗及井下水文地質鉆孔取得的成果，對1313工作面水文地質情況分析如下。

(1)3煤頂板砂巖水。3煤頂板砂巖單位涌水量0.00001295～0.00821L/s·m，滲透系數0.000599～0.016m/d，總體評價富水性弱，連通性差，主要以靜儲量為主，易于疏干。局部可能會出現頂板滴淋水情況，通過疏放可以降低甚至解除對礦井開采的影響[12]。

圖4 奧灰長觀孔水位、副井井筒水位及涌水量關系圖

(2)三灰水。根據三灰抽水試驗結果，該含水層為弱含水層，且3煤底板距離三灰頂平均為42m，且兩者之間發育數層泥巖，經計算，大于安全隔水層厚度，正常情況下可以起到很好的隔水作用[13]。根據在1313膠帶順槽P33#點探水硐室內施工的三灰孔取得的參數，采用突水系數[14]計算公式：Ts=P/M=1/42=0.024，故1313工作面總體不存在三灰水突水的危險性。在實際掘進回采過程中也未出現三灰水突水現象，僅有揭露斷層時少量的斷層裂隙出水現象，基本排除了三灰突水的可能性，但應注意斷層及構造帶附近滯后突水的防護措施。

(3)斷層水。該工作面切眼外西北方向的13-9斷層(H=6m)經過鉆探驗證，該斷層區域內富水性較弱，不含水、不導水。工作面揭露的13-1等11個斷層，落差在1.0～3.5m，這些斷層導水性和富水性同樣較差，以上斷層均沒有發生出水。因此1313工作面回采期間受斷層水的威脅較小。

(4)鉆孔水。經核實，工作面回采范圍內沒有鉆孔，不會受鉆孔水威脅。

(5)老空水。該工作面與1307老空區相鄰，相鄰范圍約740m。1313工作面在1307工作面傾向上方，積水線在1313工作面垂直標高5m下，1307老空水通過泄水巷進行持續排放，平均涌水量為7m3/h。因此在1313工作面回采期間做好1307持續排水，維護好排水系統正常運行的前提下，1307老空水對回采影響較小。同樣根據相關公式計算并結合實際情況確定，1309老空水對1313工作面回采基本無影響。

(6)奧灰水。區內勘探階段有兩個鉆孔揭露奧灰含水層，揭露厚度均小于20m。巖性為石灰巖及白云質灰巖，其中J8-3號孔位于淺部巖溶裂隙發育帶，鉆進中發生沖洗液全漏失(漏失量>15m3/h)。區內3煤層底板到奧灰頂平均距離為194.6m，平均隔水層厚度164.78m，奧灰水位高程在礦井突水前為-11.93m，1313工作面回采的最低點約-675m，經計算突水系數為0.04。

按照《防治水細則》和相關經驗值，認為區內奧灰含水層在正常情況下對礦井生產不會構成威脅[15]。

(7)火成巖侵入體及其他地質構造。該工作面內揭露火成巖侵入體巖墻3條，受此侵入體影響，在采動作用下易形成導水裂隙，從而溝通3煤頂板砂巖裂隙含水層[16]，1313工作面兩順槽在掘進至火成巖侵入體附近時，頂板出現滴淋水現象，兩順槽最大淋水水量在2～3m3/h左右，出水層位集中在3煤層頂板以上6～9m的中砂巖含水層位內。其導水通道為火成巖侵入體附近局部因裂隙發育導通了頂底板含水層，出現局部頂板淋水現象，預計對回采將會產生一定影響(圖5)。

1—鉆孔；2—石灰巖含水層；3—煤層；4—陷落柱；5—工作面；6—斷層圖5 工作面各充水因素剖面圖

5 突水水源及通道分析

5.1 突水水源分析

5.1.1 水質

5.1.2 水位

(1)奧灰長觀孔水位變化情況。2018年9月11日—15日，奧灰水位從-13.77m下降至-104.50m，平均下降速率為0.90m/h；9月15日—9月22日，奧灰水位從-104.50m下降至-189.84m，平均下降速率為0.50m/h；9月22日—9月28日，奧灰水位從-189.84m下降至-228.00m，平均下降速率為0.23m/h；9月28日—10月12日，奧灰水位從-228.00m上升至-193.00m，平均上升速率為0.11m/h。

自2018年10月12日開始進行鉆孔注漿堵水后，奧灰含水層水位呈持續上升狀態，至2018年12月16日奧灰水位上升至-90.70m。期間累計注漿量61424.78m3。

(2)副井井筒水位變化情況。2018年9月12日—9月28日，副井水位從-790.00m上升至-344.00m，平均上升速率為1.16m/h；9月28日—10月12日，副井水位從-344.00m上升至-198.00m(圖6)，平均上升速率為0.43m/h。

圖6 奧灰長觀孔和副井水位變化趨勢及鉆孔注漿量關系圖

自2018年10月12日開始進行鉆孔注漿堵水后，副井水位開始下降，并于11月7日開始排水，至12月16日，副井水位下降至-785.50m，副井累計排水量1457700.0m3。

(3)水溫。通過測量突水的水溫，發現稍高于老空滲水的溫度，說明其為煤層底板以下地層來水。經綜合對比分析，該次礦井突水的水源來自奧灰含水層。

5.2 突水通道分析

該次礦井突水通道可能有鉆孔封閉質量差或鉆孔未封閉、斷層、陷落柱等。

5.2.1 鉆孔通道

1313工作面內及突水點附近無施工鉆孔,故不存在鉆孔導水的可能。

5.2.2 斷層通道

DF61大斷層距離1313工作面切眼超過200m，位于斷層上升盤，因此斷層導水的可能性極小，該工作面與DF61斷層之間無連接的其他斷層，工作面位于留設的斷層保護煤柱外[17]，DF61斷層對1313工作面影響較小。

5.2.3 陷落柱通道

開采區域位于三維地震范圍內，根據三維地震時間剖面特征，1313工作面西部區域3煤層反射波穩定連續，受地震技術手段的限制，3煤層之下巖煤層分辨率很低，報告中未提及有陷落柱；三維地震精細報告及井下瞬變電磁成果均未解釋此區域內有陷落柱發育。但通過后期的注漿鉆孔揭露情況發現在3煤層底板以下存在一陷落柱構造。根據鉆探注漿情況對導水構造的分析能夠更清晰的得到此結論(表1)。

表1 鉆孔鉆遇地層數據

(1)鉆探施工泥漿漏失(注漿位置)與地層、構造的對應性。

(2)鉆探施工泥漿漏失特征。通道注漿過程中，吸漿量大，注漿時間長，井口產生負壓現象，說明通道十分暢通，受漿容積大。根據以往注漿堵水經驗，該次注漿與斷層通道注漿特征不相符，較符合陷落柱吸漿特征，所以突水通道類型基本確定為陷落柱。

(3)導水通道分析。按照礦井水文地質資料，三灰、五灰、十下灰其富水性較弱，未發現有大的溶洞[18-20]，在水泥漿的擴散半徑之內，含水層的裂隙不會存儲高達36000余立方的水泥漿，在鉆孔軌跡附近存在大的陷落柱式的導水(儲水)構造。

(4)陷落柱半徑的計算。1#孔總注漿量2.4萬m3，基本全部進入到鉆孔附近裂隙孔隙以及推斷的陷落柱中。該孔揭露的泥巖、粉砂巖未發現有沖洗液消耗情況，注水泥漿過程中漿液會滲入到含水層的裂隙中，2#孔施工至741.00m處巖粉中發現有凝固的水泥塊，此處距1#孔30.00m，以此可以作為水泥漿的擴散半徑。陷落柱未發育至3煤層，根據鉆孔施工中泥漿漏失深度推算，其頂底深度分別為724.00m和840.00m，陷落柱自身的孔隙率按50%，經計算陷落柱半徑約為9.00m(圖7)。

圖7 陷落柱示意圖

6 結論

(1)通過礦井水質化驗結果和奧灰水文長觀孔的水位變化綜合確定該次礦井突水水源為奧灰水。通過水質化驗結果對比和含水層水位在突水前后的變化情況是準確確定巷道突水水源的最重要的辦法，并依此為依據制定合理的治理方法。

(2)通過對1313工作面突水點周圍老鉆孔資料和斷層發育情況進行分析，否定了鉆孔、斷層構造導致突水的可能性。認真排查工作面內及其附近老鉆孔封孔情況和斷層發育情況，是確定導水通道的主要方法。

(3)通過1#孔鉆進過程中漿液漏失，注漿時吸漿量大、先期注漿孔口閥門監測到負壓，說明突水通道暢通、裂隙范圍較大，這些都符合陷落柱出水通道的特征；根據1#孔漿液漏失注漿時漏點的吸漿特征，說明陷落柱位于鉆孔軌跡附近。

(4)奧灰含水層在該區內局部發育良好的巖溶水通道，具有水壓高、埋深大、在一定范圍內補給強的特點，由于此隱伏陷落柱的存在，使得3煤層與奧灰含水層的隔水層變薄，難以阻隔奧灰水強大的水頭壓力，在此作用下，奧灰承壓水在高水頭壓力的作用下，直接涌入巷道，成為本礦井也是絕大多數被淹礦井的主要水源。

綜合以上資料分析，該礦井1313工作面突水通道為隱伏的陷落柱。1313工作面突水的主要通道是突水點下方存在隱伏的陷落柱，它的存在縮小了工作面煤層底板的有效隔水厚度，在礦井地層壓力、水頭壓力及采煤對陷落柱構造的擾動等共同作用下，奧灰水沖破煤層底板而造成的礦井突水。