單家村煤礦八采區奧灰突水機理研究

彭敬琛，蘇雁軍

（山東裕隆礦業集團有限公司，山東 曲阜273100）

0 引 言

煤礦水文地質災害一直是制約煤礦安全發展的關鍵性問題之一，國內外很多煤礦開采中都不同程度地受到底板巖溶水的影響[1]。在我國華北型石炭二疊紀煤田，最為典型的就是奧陶系石灰巖溶水，其煤系基底為奧陶系石灰巖含水層（以下簡稱奧灰含水層），奧灰巖溶水以其分布廣，補給暢通，水量充沛，水壓高成為煤田開發過程中的重要水害。

國內外對煤礦底板巖溶水的研究己有100 多年的歷史，在底板巖體結構的研究、探測技術及防治水措施等方面，積累了豐富的經驗。雖然許多專家與學者在煤礦底板突水方面在近些年也進行了很深的研究，并且取得了巨大的成就，但小斷層誘發的突水機理和斷層的滯后突水機理的仍值得加強研究[2]。因此，開展煤礦奧灰突水機理研究具有重要的理論意義與實際價值。

本文采用實證研究和經驗總結兩種方法分析八采區奧灰滯后突水原因、結合奧灰水文觀測孔數據，研究八采區奧灰含水層特征和突水機理。

1 八采區水文地質條件簡述

山東裕隆礦業集團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。采區正常涌水量為16m3/h，最大涌水量為24m3/h。

采區內對生產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 煤頂底板砂巖水、石炭紀太原組第三、十下灰巖裂隙水、第十四層灰巖水和奧陶系灰巖溶隙水。上述各含水層除第四系砂層含水層、奧陶系灰巖水外，均以靜儲量為主。其中3 煤頂板砂巖水一般以淋水為主，對采掘活動影響較小；采區內三灰水已探放，對生產無影響；十下灰巖裂隙水對采掘活動無影響；奧灰水受采區斷層構造發育影響，與3 煤發生對接，可能成為3 煤的直接充水含水層，威脅3 煤的開采。

2 八采區奧灰水文地質情況分析

單家村煤礦八采區曾發生過奧灰滯后突水事故，本章節以此為例，結合礦奧灰水文觀測孔觀測數據，綜合分析八采區奧灰突水機理。

2.1 八采區奧灰滯后突水及封堵情況說明

2.1.1 突水經過

單家村煤礦八采區皮帶巷掘進過程中，后方巷道P5 點前147.6m 處底板發生突水，水量逐漸增大至70m3/h，最大達到160m3/h，后逐漸穩定在108m3/h。突水點位置及附近地質構造見圖1 及圖2。

圖1 原突水點附近地質構造示意圖

圖2 實際突水點附近地質構造示意圖

2.1.2 封堵工程總結及效果

封堵工程共施工鉆孔33 個，實際完成鉆探工程量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1 次。

經最終驗證孔鉆進驗證，鉆進過程中孔內無水，未出現漏漿和大規模注漿情況，加壓后仍無法注漿，表明斷層破碎帶及巷道附近奧灰富水區已被有效封堵和加固，本次封堵工程達到預期效果。堵水結束后，巷道涌水量4m3/h，取水樣化驗分析結果為3 煤底板砂巖水或上部灰巖水（見表1），分析認為剩余涌水量應為原來巷道內的自然淋水，至此注漿堵水工程施工結束，達到了設計目的及要求。

表1 封堵后水質化驗結果

2.2 奧灰滯后突水原因分析

發生突水時，八采軌道大巷和皮帶大巷均已掘進至突水點前240m 外，且巖石層位已正常。八采軌道、皮帶大巷掘進及出水之前兩巷道均以淋水為主，未發現明顯突水點。期間多次取水樣化驗（表2），對比水質化驗臺賬中相同或相近層位化驗單，結果均判斷為上部灰巖水（因處斷層破碎帶中，地質情況不明確，無法判斷具體層位）。根據上述所有資料，可判斷為兩巷道淋水為斷層破碎帶導通的上部某層灰巖水，水量穩定，約為1～2m3/h。皮帶巷底板發生突水后，又多次取水樣進行化驗（見表3），發現水樣中硫酸根離子、碳酸根離子以及鈣、鎂離子含量明顯升高，通過比對，確定為奧灰水。

表2 突水前水質化驗結果

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。

八采區皮帶巷在P7 號導線點附近揭露奧灰約20m，出水位置為奧灰尖滅即SDF17-1 斷層與DF15斷層交差位置。通過構造分析、地層對比，認為八采皮帶巷P7 號導線點以北的局部區域有地壘（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斷層在巷道掘進范圍內并不存在，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，直至出露至巷道內。巷道掘進通過后，受動壓影響，斷層活化，由不導水斷層變為導水斷層，奧灰水通過斷層破碎帶涌入到巷道內，最終形成奧灰滯后突水。

表3 突水后水質化驗結果

該地壘在巷道標高-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高為-425m，高出巷道底板標高約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圖3。

圖3 奧灰突水位置平面圖

2.3 八采區奧灰水文地質情況分析

2.3.1 采區周邊斷層賦存情況及富、導水性

八采區周圍共存在三個大斷層，其中SDF17 斷層深入至采區內部。F32、F33 兩斷層落差很大，均超過250m，使奧灰含水層大幅度抬升，即八采區東部和北部被奧灰含水層包圍，采區3 煤層通過斷層直接和奧灰連接。根據單家村煤礦所做物探資料顯示，F32、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，將奧灰強富水性層位抬升至與3 煤層對接。因此，在八采區采掘活動時應判斷兩個斷層為導水斷層，且計算、留設防隔水煤巖柱時應采用“煤層位于含水層上方且斷層導水時防隔水煤巖柱的留設”的方法。

圖4 八采區地質構造綱要圖

2.3.2 采區內部斷層賦存情況及富、導水性

八采區內部斷層發育，除SDF17 大斷層外，還有DF14、DF15 兩條較大斷層，另有數條F32、F30 斷層分支斷層及許多小斷層。

八采區發生奧灰滯后突水后，在封堵過程中對SDF17、DF14、DF15 斷層及下部奧灰都進行了注漿加固，改造了巷道圍巖和下部巖層，使其變為了有效的隔水層。因此，八采區軌道、皮帶大巷范圍內三條斷層應判斷為不含水、不導水，但其他區域至今未進行有效探查，斷層富、導水性不明。

采 區 內 部DF35、DF716、SDF21 斷 層 分 別 為F32、F30 斷層分支斷層，導水性尚不明確。

采區內其他小斷層不具有水害威脅。

2.3.3 區內奧灰含水層特征表現

通過研究奧灰滯后突水和封堵過程及礦后續打設的奧灰長觀孔監測數據可得：

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

2）八采皮帶巷發生奧灰突水時，封堵之前井下水量一直比較穩定。

3）地面打鉆注漿時，不同深度注漿效果不同。

4）單家村煤礦井上有一個奧灰水文觀測孔，與出水點相距約兩公里，水文動態系統實時監測表明從出水到成功封堵，觀測孔內奧灰水位均未發生變化。

5）井下突水初期，單家村煤礦也曾做過奧灰連通性試驗，在奧灰孔內投放洋紅，但井下連續監測未發現有洋紅溶液流出。

2.3.4 八采區與礦井其他區域奧灰含水層特征對比

單家村煤礦目前有三個奧灰水文長觀孔。井上一個，2011 年打設，終孔深度288.01m，終孔層位進入奧灰60.1m，全孔進行抽水試驗1 次，采取水質樣品1份，奧灰上部70m 富水性弱，下部富水性逐步增強；井下兩個，其中-240 奧灰孔2014 年打設，終孔深度96.4m，終孔層位進入奧灰46.4m，奧灰上部50m 富水性弱，下部富水性逐步增強，全孔進行放水試驗1 次，采取水質樣品1 份；-450 奧灰孔2019 年打設，終孔深度152.44m，終孔層位為奧灰頂部，全孔進行放水試驗1 次，采取水質樣品1 份。三個觀測孔均安裝了奧灰水文動態觀測系統。根據2011 年至今的奧灰水文觀測系統實時動態數據分析得出，旱季奧灰水位明顯下降，降水后水位又明顯回升，同時通過對第四系和奧灰水分別進行取樣化驗，化驗結果數據基本相同。

八采區與礦井其他區域奧灰含水層特征對比見表4。

表4 奧灰含水層特征對比表

綜合分析以上幾點，單家村煤礦八采區奧灰含水層的特性可總結如下：

1）八采區巷道突水點周圍至奧灰深部之間裂隙極其發育，導水通道眾多。

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

3）礦井區域內奧灰上部50m 內富水性弱，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）礦井區域內奧灰水與上部第四系聯系密切，受地面水補給。

3 奧灰突水機理

結合單家村煤礦1994 年三采區-290m 水平3321 溜子道和本次八采區兩次奧灰突水，以及礦井生產過程中實際地質、水文地質資料，可認為單家村煤礦八采區主要水害威脅為斷層導水引起的奧灰突水，其突水機理總結如下。

3.1 機理一

單家村煤礦為老礦井，三維地震資料和結合其分析、解釋出的井田地質構造結果較為久遠，受當時技術和條件限制，很多構造沒有解釋清楚，位置、產狀、富導水性均不明確，這點在礦井后續采掘活動中也已逐步證實。1994 年三采區-290m 水平3321 溜子道和八采區兩次奧灰突水的直接原因均為地質構造資料不準確，斷層位置和形態偏差很大，致使巷道掘進過程中直接揭露奧灰，斷層破碎帶及奧灰巖溶裂隙形成出水通道，引發奧灰突水。

由此可見，單家村煤礦八采區乃至全礦井奧灰突水機理之一為地質資料不準確導致采掘活動直接揭露奧灰引發突水。

3.2 機理二

單家村煤礦八采區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3 煤最深埋藏標高為-600m，奧灰最大水壓為6.2MPa，按照突水系數計算公式，正常條件下，其突水系數為：T=P/M=6.2/200=0.03，遠低于T 小于1 的安全評價標準。所以，八采區正常塊段內，底板沒有奧灰突水風險。

但礦井內地質構造較為發育，斷層的相互作用可能會使地層抬升，或局部抬升，縮小奧灰水導高，原有的突水系數計算公式不再適用。另外，奧灰抬升過程中如果和其他含水層對接，則可成為這些含水層的直接充水水源，使水文地質條件更加復雜，突水威脅進一步增大。

因此，單家村煤礦八采區奧灰突水機理之二為斷層抬升奧灰含水層，導致3 煤層與下部含水層之間隔水層厚度不足引發奧灰突水。

3.3 機理三

采掘活動會導致地質構造活化，影響斷層導水性，使原不導水斷層變成導水斷層，引發奧灰滯后突水。本次八采區奧灰突水就是典型的受采掘活動影響形成的斷層滯后突水。

因此，單家村煤礦八采區奧灰突水機理之三為采掘活動引起斷層活化，改變其導水性引發奧灰滯后突水。

4 結 語

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

八采區為單家村煤礦最后一個采區，能否順利開采對礦井長遠接續具有十分重要的意義。本次研究為八采區水害防治工作和下一步合理布置采掘工作面提供了技術依據，為確保采區的安全生產打下了堅實基礎，也為同類受水害威脅的礦井提供了重要借鑒。