煤礦深部含水層突水規(guī)律的研究

邢會(huì)安

(焦作市神龍水文地質(zhì)工程有限公司，河南 焦作 454100)

焦作煤田是最典型的華北型煤田，是我國(guó)有名的大水礦區(qū)，其水文地質(zhì)條件十分復(fù)雜。許多國(guó)內(nèi)外的專家學(xué)者都在焦作研究過(guò)防治水工作。因此，研究焦作煤田的防治水工作對(duì)于我國(guó)煤炭事業(yè)的發(fā)展具有十分重要的意義。

焦作礦區(qū)歷史上曾經(jīng)淹井20次。1999年后，焦作礦區(qū)對(duì)L8灰含水層進(jìn)行了底板注漿加固。這一措施對(duì)于防治L8石灰?guī)r含水層突水起到了很好的作用，礦井突水事故大大減少，礦區(qū)排水總量大大降低。但是，隨著煤礦生產(chǎn)開(kāi)采深度的增加，礦井水壓越來(lái)越大。因此深部含水層對(duì)煤礦生產(chǎn)的影響越來(lái)越嚴(yán)重。工作面被淹的突水事故多次發(fā)生，嚴(yán)重時(shí)整個(gè)礦井被淹。因此，深部含水層的治理已經(jīng)刻不容緩，迫在眉睫。

神龍公司注漿堵水的歷史已經(jīng)有53年，完成煤礦注漿堵水工程已有一百多次。多年的實(shí)踐，使在煤礦深部含水層的治理上有許多經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)。研究這些經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，對(duì)于快速堵水，提高工程質(zhì)量，增加經(jīng)濟(jì)效益，具有十分重要的意義。

1 地質(zhì)背景

焦作煤田位于昆侖秦嶺構(gòu)造帶北支邊緣，祁呂賀山字型構(gòu)造前弧東翼與新華夏系第三隆起帶——太行山復(fù)背斜隆起帶南段東翼山前傾斜平原地帶，地層走向北60°東，傾向南東，傾角8°～12°，呈地塹、地壘、傾斜斷塊等組合形式，以斷裂構(gòu)造為主。

焦作礦區(qū)主要地層介紹如下：①奧陶系中統(tǒng)馬家溝組。以厚層狀石灰?guī)r與白云質(zhì)灰?guī)r互層為主，厚度400～500m，平均厚度450m。②石炭系中統(tǒng)本溪組。主要為灰、灰黑色黏土巖，鋁土質(zhì)泥巖，厚度為3～50m，平均厚度20m。③石炭系上統(tǒng)太原組。主要由海相灰?guī)r與陸相頁(yè)巖、砂巖、砂質(zhì)頁(yè)巖及煤層交互相成。含灰?guī)r6-9層。本組厚度一般為80～110m，平均厚度為90m。④二疊系下統(tǒng)山西組。主要為深灰、灰黑色砂巖，頁(yè)巖，砂質(zhì)頁(yè)巖互層。本組厚度70～90m，平均厚度為80m。⑤二疊系下統(tǒng)下石盒子組。由砂巖、泥巖、粉砂巖互層，本組厚度110～140m，平均厚度為120m。⑥二疊系上統(tǒng)上石盒子組。主要為灰黃、黃綠、灰白色砂巖，粉砂巖、泥巖互層，層理不明顯。本組鉆孔揭露最大厚度超過(guò)400m。⑦第四系、第三系。巖性主要為棕黃、褐黃色亞黏土、砂土夾鈣質(zhì)結(jié)核，砂礫石及礫巖組成。從西北向東南方向逐漸增厚，從0m到900m以上。⑧石炭系上統(tǒng)太原組和二疊系下統(tǒng)山西組。為主要含煤地層，主要開(kāi)采煤層為二1煤。

1.1 含水層

焦作煤田奧陶系灰?guī)r中，巖溶裂隙發(fā)育，為地下水提供了良好的儲(chǔ)水空間和徑流通道。地下水總體流向由北面的山西晉城流向南面的焦作，主要含水層簡(jiǎn)介如下：

第四系沖、洪積孔隙含水層：主要由砂、礫石、礫巖組成，現(xiàn)在水位標(biāo)高+88m左右。

基巖風(fēng)化裂隙帶含水層：主要由風(fēng)化的砂巖組成，一般厚20m左右，斷層帶附近可增大到30～70m。水位標(biāo)高+92.07～+99.02m。含水性中等，對(duì)淺部煤層開(kāi)采有一定影響。

二疊系砂巖裂隙含水層：由若干分層組成，富水性弱，水位標(biāo)高+75m左右，導(dǎo)水性弱。為二1煤頂板直接充水含水層，對(duì)礦井安全開(kāi)采無(wú)威脅。但當(dāng)與上部含水層溝通時(shí)，對(duì)煤層開(kāi)采有一定影響。

石炭系八層灰?guī)r(L8)裂隙巖溶含水層：上距二1煤16～50m，厚6～8m。上部為泥質(zhì)灰?guī)r或夾泥灰?guī)r；中、下部為厚層狀隱晶灰?guī)r，中夾燧石條帶。為二1煤層底板直接充水含水層。充水量占礦井總充水量的70%，對(duì)礦井開(kāi)采影響較大。

石炭系二層灰?guī)r(L2)裂隙巖溶含水層：上距二1煤75～95m，厚8～12m。為厚層狀隱晶灰?guī)r，有時(shí)中夾薄層泥巖或泥灰?guī)r。為二1煤層底板間接充水含水層。一般對(duì)礦井開(kāi)采無(wú)影響，但可通過(guò)斷裂帶等補(bǔ)給L8灰?guī)r含水層。

奧陶系灰?guī)r(O2)巖溶裂隙含水層：富水性強(qiáng)，但極不均一。水位標(biāo)高+70～+90m。為二1煤層底板間接充水含水層，一般對(duì)礦井開(kāi)采無(wú)影響。

L2含水層和O2含水層一旦通過(guò)斷裂帶或底板裂隙進(jìn)入礦井，將會(huì)給礦井安全造成極大威脅。

含水層的深淺是相對(duì)的。我們把第四系沖、洪積孔隙含水層、基巖風(fēng)化裂隙帶含水層、二疊系砂巖裂隙含水層、石炭系八層灰?guī)r(L8)裂隙巖溶含水層，稱為淺部含水層；把石炭系二層灰?guī)r(L2)裂隙巖溶含水層和奧陶系灰?guī)r(O2)巖溶裂隙含水層，稱為深部含水層。

2 深部含水層的特點(diǎn)

2.1 含水層水壓高

深部含水層距離開(kāi)采煤層90～150m。由于深部含水層距離開(kāi)采煤層較遠(yuǎn)，所以一般情況下不容易出水。即使出水，大部分出水點(diǎn)都予以封堵。因此，深部含水層的水位降低不大，水壓較高。

隨著煤礦開(kāi)采深度的增加，含水層埋藏越來(lái)越深，因此，水壓越來(lái)越大。

淺部的礦井在以前都已經(jīng)開(kāi)發(fā)完，因此有些礦井在礦井開(kāi)采初期，含水層埋藏就很深。含水層埋藏的深度和水壓成正比。含水層埋藏越深，水壓越大。

2.2 含水層厚度大、含水性強(qiáng)

第四系沖、洪積孔隙含水層、基巖風(fēng)化裂隙帶含水層、二疊系砂巖裂隙含水層、石炭系L8灰?guī)r裂隙巖溶含水層，含水性相對(duì)較弱、厚度較小(石炭系L8灰?guī)r裂隙巖溶含水層厚度8m左右)。而石炭系二層灰?guī)r(L2)裂隙巖溶含水層和奧陶系灰?guī)r(O2)巖溶裂隙含水層，含水性相對(duì)較強(qiáng)、厚度較大(石炭系L2灰?guī)r裂隙巖溶含水層厚度12m左右；奧陶系灰?guī)r(O2)巖溶裂隙含水層達(dá)到400～500m。

奧陶系灰?guī)r(O2)巖溶裂隙含水層，是焦作礦區(qū)地下水的根源。

2.3 L2灰?guī)r含水層和奧陶系灰?guī)r(O2)含水層實(shí)際上是一個(gè)含水層

L2灰?guī)r裂隙巖溶含水層由于距離奧陶系灰?guī)r(O2)巖溶裂隙含水層距離很近,所以，它們實(shí)際上是一個(gè)含水層。

3 深部含水層的突水規(guī)律

3.1 出水面積大，出水點(diǎn)多

深部含水層出水的情況是，不僅出水點(diǎn)多，而且出水面積大。古漢山礦11092工作面頂層出水點(diǎn)9個(gè)，底層出水點(diǎn)11個(gè)。當(dāng)一個(gè)工作面出水時(shí)，剛上來(lái)水量一般不大，隨著工作面的回采，出水量越來(lái)越大，一直到不能夠回采時(shí)，工作面才停止回采。從工作面出水到停止回采的采空區(qū)面積，可以達(dá)到上萬(wàn)m2。

3.2 一旦出水，其水量較大

石炭系L2灰?guī)r裂隙巖溶含水層，和奧陶系灰?guī)r(O2)巖溶裂隙含水層由于距離煤層較遠(yuǎn)，所以一般情況下不容易出水。但是一旦出水，其水量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于淺部含水層的出水量。近幾年，深部含水層出水點(diǎn)的水量都在每分鐘十幾t以上。只有個(gè)別點(diǎn)的水量在每分鐘十幾t以下。深部含水層出水點(diǎn)的水量，都使得工作面被淹而停止回采。

3.3 與潛伏裂隙有關(guān)

煤礦工作面底板和含水層之間存在著一個(gè)隔水層。如果這個(gè)隔水層有裂隙存在時(shí)，含水層的水就會(huì)順著裂隙向上延伸。如果這個(gè)裂隙延伸至工作面底板時(shí)，那么采動(dòng)后就會(huì)出水。然后，隨著礦壓的加大，裂隙逐漸變大，從而出水量也逐漸加大。當(dāng)這種裂隙沒(méi)有到達(dá)煤層工作面底板時(shí)，有人稱這種現(xiàn)象為潛伏的水頭。這種潛伏的水頭一旦和工作面采動(dòng)破壞的裂隙接軌，就產(chǎn)生工作面的突水。深部含水層的出水往往與潛伏裂隙有關(guān)。

3.4 底層出水與礦壓有關(guān)

2006年以前，焦作礦區(qū)的頂層工作面只要不出水，那么，再往下的下層工作面就不會(huì)再出水?；蛘呤侵灰攲庸ぷ髅娉鏊?，下層工作面回采時(shí)水量不再增大。但是，2006年6月古漢山礦11092工作面的出水，就打破了這一規(guī)律。古漢山礦11091工作面頂層回采時(shí)水量并不大。但是11092工作面底層回采時(shí)，出水量達(dá)到每分鐘25t。

下層工作面水量增大或增加出水點(diǎn)的原因，就是因?yàn)榈V壓增大。因?yàn)榈V壓增大后，對(duì)煤層底板的破壞深度增加。對(duì)煤層底板的破壞深度增加，就是煤層底板裂隙深度的增加。這種裂隙增加到一定深度后，就使得深部含水層的水沿著裂隙進(jìn)入工作面。這就是深部含水層的突水機(jī)理。

3.5 有斷層時(shí)出水，沒(méi)有斷層時(shí)也照樣出水

在煤礦開(kāi)采的初期，不管是巷道還是工作面，遇到斷層時(shí)經(jīng)常造成出水事故。因此，從20世紀(jì)80年代開(kāi)始，對(duì)于稍微大一點(diǎn)的斷層，都實(shí)行了一系列的技術(shù)措施。這樣基本上避免了見(jiàn)斷層導(dǎo)致出水的事故發(fā)生。以后隨著開(kāi)采深度的增加，水壓越來(lái)越大，工作面的礦山壓力也越來(lái)越大，因此深部含水層多次出現(xiàn)出水事故。也就是說(shuō)，沒(méi)有斷層時(shí)，工作面也照樣發(fā)生出水事故。

3.6 出水時(shí)經(jīng)常有底臌現(xiàn)象，底臌的地方就是出水點(diǎn)

煤礦工作面停采線處底板底臌，是深部含水層出水的最重要表現(xiàn)形式和特征。底臌的速度和高度，是深部含水層出水的尺度。

底臌的地方就是出水點(diǎn)的地方。實(shí)際上，煤層底板底臌就是礦壓和水壓共同作用所形成的新的斷層。這種新的斷層就是出水通道。

煤礦工作面底板突水時(shí)，認(rèn)真準(zhǔn)確收集工作面底板鼓起的速度和高度，對(duì)于預(yù)測(cè)突水、分析、發(fā)現(xiàn)出水的通道具有重要意義。

3.7 出水點(diǎn)的水量在停止回采后一般會(huì)逐漸變小，但特殊情況下會(huì)增大

煤礦深部含水層出水點(diǎn)的水量在停止回采后，一般情況下是逐漸減少。例如：九里山礦14101工作面出水后，水量由每分鐘28t逐漸減少至15t；中馬村礦25煤柱工作面出水后，水量由每分鐘15t逐漸減少至10t；方莊二礦23082工作面出水后，水量由每分鐘15t逐漸減少至不到10t；方莊二礦20052工作面出水后，水量由每分鐘7.23t逐漸減少至4.50t；古漢山礦11092(西)工作面出水后，水量由每分鐘25t逐漸減少至14t；古漢山礦11092(東)工作面出水后，水量由每分鐘16.70t逐漸減少至5t；古漢山礦11101(東)工作面出水后，水量由每分鐘11t逐漸減少至6.50t。

煤礦深部含水層出水點(diǎn)的水量逐漸減少的原因是：隨著時(shí)間的推移，工作面逐漸下沉、塌實(shí)，阻礙了出水通道，使出水通道逐漸變小，以致出水量變小。

特殊情況下，深部含水層出水點(diǎn)的水量在停止回采后也會(huì)增加。例如：古漢山礦13051工作面在停止回采后水量不僅不減少，而且有所增加。2010年2月18日，古漢山礦13051工作面在停止回采后，出水量每分鐘12.80t左右。2010年4月1日，古漢山礦13051工作面水量，在沒(méi)有采動(dòng)的情況下增加到每分鐘14t左右。

近幾年，深部含水層出水點(diǎn)的水量增加的案例只此一例。其原因是因?yàn)椋核畨焊?；工作面中間有斷層；一邊回采，一邊打鉆堵水；注漿鉆孔封閉質(zhì)量不合格。

3.8 出水后，隨著工作面的回采水量逐漸加大

工作面剛上來(lái)出水一般不大，但隨著工作面回采長(zhǎng)度的增加，水量逐漸增大，直至不能夠回采。

古漢山礦11092工作面出水情況案例：

2006年7月20日，11092東工作面發(fā)生突水，水量不大。2006年7月22日水量增大，此時(shí)工作面內(nèi)有三個(gè)出水點(diǎn)，出水量分別為1.0m3/min、1.0m3/min和2.0m3/min。2006年7月23日，工作面停產(chǎn)，工作面的水量增大到16.7m3/min。期間巷道底臌嚴(yán)重。

3.9 工作面改造后照樣出水

對(duì)于淺部含水層的出水，特別是對(duì)于石炭系L8灰?guī)r裂隙巖溶含水層的出水，過(guò)去治理的方法大多采用留一段煤柱改造開(kāi)切眼的方法治理。使用這種方法，對(duì)于石炭系L8灰?guī)r裂隙巖溶含水層的出水點(diǎn)是行之有效的。但這種方法對(duì)于深部含水層的出水點(diǎn)是不行的。古漢山礦11092工作面改造了6次，仍然出水。因此，深部含水層的出水點(diǎn)必須經(jīng)過(guò)注漿堵水及注漿加固后，才能夠保證不再出水。

4 深部含水層的突水規(guī)律的研究意義

4.1 對(duì)煤礦注漿堵水具有重要意義

以前，在找出水通道時(shí)，一直把斷層作為重要依據(jù)。根據(jù)煤礦深部含水層的突水規(guī)律，知道深部含水層出水時(shí)往往沒(méi)有斷層。因此，煤礦深部含水層的出水通道往往與礦壓有關(guān)?？梢愿鶕?jù)礦壓來(lái)找到出水通道。底臌就是工作面底板的出水通道。

4.2 對(duì)煤礦安全生產(chǎn)具有重要意義

深部含水層的水壓高，厚度大、含水性強(qiáng)，一般情況下不容易出水，一旦出水、其水量較大，往往會(huì)淹井或淹采區(qū)。因此，要采取各種手段來(lái)避免深部含水層出水。另外，在注漿堵水時(shí)，首先要防止水量增大的問(wèn)題。注漿堵水的很多案例說(shuō)明，在注漿堵水時(shí)，水量的增大足以淹井。

4.3 對(duì)煤礦防治水的方法具有重要意義

過(guò)去留煤柱改造開(kāi)切眼的方法治理淺部含水層的出水點(diǎn)是可行的。根據(jù)本研究成果，深部含水層的出水點(diǎn)的治理，必須經(jīng)過(guò)注漿堵水及注漿加固后才行。

深部含水層的出水大多數(shù)表現(xiàn)為L(zhǎng)2灰?guī)r含水層。在對(duì)其治理的時(shí)候，很多人都認(rèn)為注漿堵水鉆孔施工到L2灰?guī)r含水層即可。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，注漿堵水鉆孔必須施工到O2灰?guī)r含水層。這樣做，才能夠從根本上治理出水事故。否則，不僅施工鉆孔數(shù)量大大增加，而且堵水率很低。

5 結(jié)論

1)深部含水層水壓高、厚度大、含水性強(qiáng)。一般情況下，深部含水層不容易出水，但一旦出水，不僅出水點(diǎn)多，出水面積大，而且水量較大。

2)L2灰?guī)r含水層和奧陶系灰?guī)r(O2)含水層實(shí)際上是一個(gè)含水層。

3)深部含水層的出水，往往與礦壓、潛伏裂隙有關(guān)。因此，有斷層時(shí)出水，沒(méi)有斷層時(shí)也照樣出水。出水時(shí)經(jīng)常有底臌現(xiàn)象，底臌的地方就是出水點(diǎn)。出水后，隨著工作面的回采，出水點(diǎn)的水量會(huì)逐漸加大。在工作面停止回采后，出水點(diǎn)的水量一般會(huì)逐漸變小，但特殊情況下會(huì)增大。

4)研究深部含水層的突水規(guī)律，對(duì)煤礦注漿堵水和煤礦安全生產(chǎn)及煤礦防治水的方法具有重要意義。