隱伏型地壘構(gòu)造在煤礦防治水工作中的探查及防治

文/李永雷

在華北煤田煤礦采掘過程中，經(jīng)常會(huì)遇到局部發(fā)育的隱伏型地壘構(gòu)造，造成中間奧灰含水地層被抬起，地壘兩側(cè)上盤煤層下降，不易被三維地震解析，易被誤認(rèn)為小斷距、小傾角斷層，導(dǎo)致防治水工作被輕視，從而在接近或穿越采掘時(shí)引起突水事故。因此，詳細(xì)分析隱伏型地壘構(gòu)造的發(fā)育狀況，做好防治水工作，對于煤礦安全生產(chǎn)意義重大。

一、隱伏型地壘構(gòu)造的特點(diǎn)與危害

隱伏型地壘構(gòu)造是指在井田局部，兩條或多條位置鄰近、走向近平行狀、傾向相反的斷層，相互切割，地壘上部地層移位，下部地層隱伏于兩斷層面之下，且被相對抬起的小型地壘構(gòu)造。

隱伏型地壘構(gòu)造特點(diǎn)是兩條斷裂構(gòu)造距離近，走向近平行狀，傾向相反，存在切割關(guān)系，兩側(cè)地層下降但高差不大（斷層斷距較大），中間上部地層受斷層切割移位，下部地層被抬起，且隱伏于兩斷層面之下，面積較小，隱蔽性強(qiáng)，極不易被發(fā)現(xiàn)。

在華北煤田中，煤系地層下伏奧陶系巨厚層石灰?guī)r，為含水層，被構(gòu)造帶切割抬升后，巖性破碎，含導(dǎo)水性極強(qiáng)。在煤田三維地震勘探中，斷層間即使有煤層殘存，但受體積效應(yīng)影響，煤層和地層均不易形成有效的反射波，斷層間地層很難被辨別，斷層極易被解譯為同一期相同產(chǎn)狀的斷層組或分支斷層。從斷層兩側(cè)穩(wěn)定的煤層波來推斷斷層產(chǎn)狀，推斷結(jié)果是斷層傾角嚴(yán)重偏緩，斷層斷距嚴(yán)重偏小。

由于在兩斷層中間下部含導(dǎo)水地層（如奧陶系灰?guī)r）被相對抬升，與兩側(cè)含煤地層距離拉近，甚至是相對接，形成一天然的巨大導(dǎo)水通道（近似一狹長的大型陷落柱，危害程度極大），存在重大突水隱患。該構(gòu)造被誤判時(shí)，斷層斷距極易被嚴(yán)重判小，工作面臨近時(shí)，防隔水煤柱寬度留設(shè)嚴(yán)重偏小，甚至是不留；巷道穿越時(shí)直接進(jìn)入中間含水構(gòu)造和含導(dǎo)水地層，極易造成重大突水事故。

二、隱伏型地壘構(gòu)造案例

目前在濟(jì)寧地區(qū)遇到地壘構(gòu)造已有4處（唐陽礦黃店斷層組、金橋礦F7斷層、單家村煤礦SDF17-20斷層組，霄云煤礦DF61斷層），其中先前探明，成功預(yù)防的有2處（唐陽礦黃店斷層、金橋礦F7斷層），造成突水事故2處（單家村煤礦SDF17-20斷層，霄云煤礦DF61斷層）。

1.唐陽煤礦黃店斷層組

2009年，在曲阜市裕隆礦業(yè)集團(tuán)有限公司唐陽煤礦四五采區(qū)補(bǔ)充勘探過程中，三維地震勘探初期判定黃店斷層為一傾向南西的階梯狀斷層組。但在鉆探階段，TY09-8號鉆孔在斷層帶內(nèi)見一不確定太原組煤層（灰?guī)r壓煤），推斷為煤16，推算高于兩側(cè)同一煤層，判斷有傾向兩側(cè)的斷層，中間為一地壘構(gòu)造。

2012年，四五采區(qū)大巷過黃店斷層，設(shè)計(jì)標(biāo)高-510m。考慮中間可能有地壘構(gòu)造，在四采區(qū)南部大巷過黃店斷層處施工一補(bǔ)充勘探鉆孔12-3號鉆孔，結(jié)果鉆孔在孔深479.40m見斷層（斷層面上為石盒子群地層），518.80m處見奧陶系頂界面，在奧陶系頂界面以上39.40m范圍內(nèi)多斷層交匯，僅殘存39.40m太原組地層，巖石破碎，層位雜亂。

通過剖面圖對比，中間確實(shí)存在一隱伏型地壘構(gòu)造（面積小，但斷距較大），黃店斷層組變?yōu)閮蓷l傾向相反的斷層（組）。黃店斷層斷距由原來的80m變?yōu)榱爽F(xiàn)在的250m；右側(cè)（北方向）黃店斷層斷距在140m；中間奧灰與左側(cè)煤層對口，與右側(cè)煤層間接也大大變小，對兩側(cè)煤層防治水威脅大大加大。原設(shè)計(jì)-510m大巷明顯低于中間奧灰頂面，過奧灰施工大巷風(fēng)險(xiǎn)極大，后調(diào)整為-410m，成功避免了大巷穿越奧灰施工突水的風(fēng)險(xiǎn)。

2.單家村煤礦SDF17-20斷層組

單家村煤礦在開拓八采區(qū)大巷（標(biāo)高-450m）時(shí)，穿越SDF17-20斷層組，原推斷SDF17斷層傾向西，斷距70m；SDF斷層傾向東，斷距30m；中間為一小地壘（地壘面積小，斷層斷距小）。

在穿越兩斷層后約200m時(shí)，兩斷層間大巷頂板冒頂（見大量雜色泥巖塊），滯后突水，水量最大127m3/h，造成迎頭被淹。后施工3個(gè)地面注漿孔，均終孔于中間地壘奧灰，奧灰頂標(biāo)高約-460m，與西側(cè)奧灰頂標(biāo)高差（-630m）為170m(查明為SDF17斷層斷距)，與東側(cè)奧灰頂標(biāo)高（-560m）相差100m（查明為SDF20斷層斷距）。

分析突水原因，地壘兩側(cè)斷層斷距同時(shí)變大（70～100m），八采區(qū)-450m大巷穿越斷層間地壘時(shí)，底板下距奧灰僅10m距離（冒頂雜色泥巖為本溪組鐵質(zhì)泥巖），距離嚴(yán)重不足（接近直接揭露奧灰），地壘內(nèi)奧灰破碎，富水性好，斷層帶破碎，受地壓影響而造成的隱伏性地壘構(gòu)造滯后突水。

經(jīng)過地面施工3個(gè)小孔徑鉆孔注漿，累計(jì)完成鉆探工程量1957.81m，注漿用水泥約3000t，含水泥材料總造價(jià)約350萬元，創(chuàng)造了小口徑鉆孔、低成本地面注漿堵水的奇跡，成功地封堵并加固了地壘中來水通道和地層，至今仍在安全使用。

三、隱伏型地壘構(gòu)造的探查方法

隱伏型地壘構(gòu)造由于受不同方向的斷層多次切割（包括斷層間的相互切割），特別是斷層斷距較大再分階的情況下（如唐陽煤礦的黃店斷層組），構(gòu)造帶地層十分混亂，不可能利用三維地震物探準(zhǔn)確判定層位。所以遇到類似的地壘構(gòu)造時(shí)，要從地面勘探入手，專項(xiàng)施工構(gòu)造控制孔，確定大致構(gòu)造后，再細(xì)化三維地震資料，通過鉆探物探相結(jié)合，盡可能查清地壘構(gòu)造的實(shí)際發(fā)育狀況。勘查過程要注意把握以下幾點(diǎn)，綜合分析判斷隱伏型地壘構(gòu)造發(fā)育的可能性。

1.地面勘探前要仔細(xì)分析，確定合理的鉆孔位置

斷層斷距較小時(shí)（在華北層中小于100m），設(shè)計(jì)在地層標(biāo)志層多的層位穿越斷層，易于判定層位，推算煤層斷距；當(dāng)斷層斷距較大時(shí)（在華北層中大于100m），由于斷層構(gòu)造帶間地層極亂，預(yù)想鉆孔不要注重煤層，但盡量要找揭露奧灰的頂界面，有利于推算兩側(cè)斷層的斷距。施工過程中要保持鉆孔的垂直度，確定鉆孔穿過預(yù)想的斷層斷面。在預(yù)計(jì)進(jìn)入含煤地層前，提前取芯鉆進(jìn)，保證取芯率，有利于分析各個(gè)斷點(diǎn)的斷距。

2.粗化構(gòu)造分析，細(xì)化層位推理

由于斷層構(gòu)造帶間地層極亂，在地面鉆孔進(jìn)行斷層分析時(shí)，不要過于追求各個(gè)斷點(diǎn)的斷距，重點(diǎn)放在總斷距分析上，有利于確定防治水煤柱的留設(shè)依據(jù)。從地層間距上，用奧灰頂界面向上推算3煤層標(biāo)高，與兩側(cè)煤層對比，如不存在地壘情況下，至少要有一側(cè)煤層標(biāo)高（查明）與推算煤層標(biāo)高能大致對應(yīng)。如與物探發(fā)生矛盾時(shí)，堅(jiān)信地層推理，如相差較大時(shí)，就很可能存在隱伏型地壘構(gòu)造。

3.三維物探局部精細(xì)處理

利用局部地面三維高密度地震加密或油田三維地震處理軟件精細(xì)化處理，沿垂直構(gòu)造方向重新多切剖面，追蹤兩側(cè)各地層波的斷點(diǎn)，與地質(zhì)推斷標(biāo)志層對比，細(xì)化斷層傾向分析，如傾向明顯不一致時(shí)，應(yīng)考慮隱伏型地壘發(fā)育的可能性，合理確定斷層產(chǎn)狀及組合。

用煤層兩側(cè)斷煤交線連接，確定斷層傾角時(shí)，如斷層傾角明顯比井田內(nèi)正斷層傾角偏小時(shí)，應(yīng)考慮隱伏型地壘發(fā)育的可能性。

四、隱伏型地壘構(gòu)造的防治措施

對于查明的隱伏型地壘構(gòu)造應(yīng)從兩方面考慮處理措施，一是躲避的可能性，二是治理的經(jīng)濟(jì)性。當(dāng)大巷必須穿越斷層時(shí)，應(yīng)采取注漿加固處理（比如唐陽煤礦過黃店斷層組時(shí)，采取了探防及注漿治理，成功安全穿越）。當(dāng)在隱伏型地壘構(gòu)造兩側(cè)布置采煤工作面時(shí)，應(yīng)分析治理與躲避的經(jīng)濟(jì)性。

根據(jù)斷層防隔水煤柱留設(shè)寬度的影響因素，當(dāng)煤層較薄時(shí)，防隔水煤柱寬度一般偏小，治理不經(jīng)濟(jì)時(shí)，宜采用留設(shè)防隔水煤柱，避開即可；當(dāng)兩側(cè)煤層厚度較大，防隔水煤柱寬度一般偏大，且地壘構(gòu)造規(guī)模較小，目前定向鉆孔工藝非常成熟，實(shí)施地面預(yù)注漿治理相對會(huì)更加經(jīng)濟(jì)，而且治理后開采也更加安全。比如，金橋煤礦煤層厚度大，如能對F7斷層附近的隱伏型地壘構(gòu)造采用定向鉆進(jìn)技術(shù)，注漿加固治理構(gòu)造和地壘處奧灰，少留80m煤柱，僅西邊一側(cè)就能多回收近100萬噸煤炭資源，創(chuàng)收可達(dá)7億元之多。