內(nèi)蒙古鄂托克前旗新上海一號煤礦111084工作面突水原因與機(jī)理

呂玉廣，齊東合

（內(nèi)蒙古上海廟礦業(yè)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古鄂爾多斯016299）

內(nèi)蒙古鄂托克前旗新上海一號煤礦111084工作面突水原因與機(jī)理

呂玉廣，齊東合

（內(nèi)蒙古上海廟礦業(yè)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古鄂爾多斯016299）

針對111084工作面發(fā)生的攜沙突水事故，根據(jù)礦區(qū)砂泥質(zhì)沉積建造特點(diǎn)以及煤層與含水層之間角度不整合關(guān)系，提出富水性指數(shù)和突水危險(xiǎn)性指數(shù)概念，利用兩個指數(shù)分別繪制富水性等值線圖和突水危險(xiǎn)性等值線圖，結(jié)果表明：位于富水區(qū)同時又位于突水危險(xiǎn)區(qū)是頂板突水的充要條件；在“離層蓄水”和“泥沙自封堵”雙重作用下突水呈間歇式進(jìn)行。研究成果為后續(xù)資源開采制定相應(yīng)措施，避免類似事故的發(fā)生提供了依據(jù)。

工作面突水；含水層分析；富水性指數(shù)；突水危險(xiǎn)性指數(shù)；突水機(jī)理；西北干旱區(qū)

0引言

煤礦屬鄂爾多斯盆地上海廟礦區(qū)，面積1154 km2，煤炭資源總量約143億t，其中侏羅系煤層占總資源量的85%以上。規(guī)劃分14個井田，新上海一號煤礦是首期建設(shè)的礦井，開采侏羅系煤層，水文地質(zhì)條件及水害類型具有一定代表性。111084工作面是8煤層第二個回采工作面，2014年6月24日投產(chǎn)，推進(jìn)141 m時88#支架前端頂板突水，水中攜帶大量泥沙。突水過程歷時3.5個月，為間歇式突水，瞬時最大水量2000 m3/h，總出水量約23.3萬m3，潰出泥沙量3.58萬m3。工作面（長度210 m）以及上順槽約500 m巷道、下順槽約2000 m巷道均被泥沙淤塞，造成淹面埋架嚴(yán)重事故?！兜刭|(zhì)報(bào)告》認(rèn)定井田水文地質(zhì)條件簡單，直接充水含水層為基巖孔隙—裂隙水，富水性弱。在西北干旱地區(qū)砂巖弱含水層引起如此嚴(yán)重的攜沙突水事故值得深入研究，以期為后續(xù)資源開采制定防范措施提供技術(shù)依據(jù)。

1地層及含水層

1.1地層

井田總體為單斜構(gòu)造，地層走向近南北，傾向東，傾角6°～9°，由老至新簡述如下：

1）三疊系延長組（T3y）：屬大型內(nèi)陸湖泊型碎屑巖沉積建造，埋深215.86～780.95 m，以中粗粒砂巖為主，夾粉砂巖及泥巖，頂部為古侵蝕面，與上覆地層假整合接觸。

2）侏羅系（J）：為河流-湖泊-湖泊三角洲相碎屑巖沉積建造，自下而上劃分為延安組、直羅組。

（1）延安組（J2y）：平均厚度為332.09 m，西部缺失中上部部分地層。巖性組合為不同粒徑的砂巖、粉砂巖、泥巖夾煤層、炭質(zhì)泥巖等，為區(qū)內(nèi)含煤地層，與上覆地層小角度不整合接觸。

（2）直羅組（J2z）：平均厚度103.88 m，巖性組合為不同粒徑的砂巖、粉砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖等組成，底部粗粒石英長石砂巖俗稱“七里鎮(zhèn)砂巖”，與上伏地層角度不整合接觸。

3）白堊系（K1zd）：平均厚度187.01 m，上部以雜色泥質(zhì)、粉砂巖、泥巖為主，夾中粗砂巖、細(xì)砂巖、粉砂巖薄層；下部為灰白色的砂礫巖。礫石成分以石英巖、砂巖為主，礫石直徑0.3～5 cm，次棱角狀，泥、鈣質(zhì)膠結(jié)。

4）古近系（E）：平均層厚35.53 m，以雜色泥巖為主，夾灰色、灰白色的細(xì)砂巖、粉砂巖、中粗砂巖及砂礫巖。

5）第四系（Q）：層厚1.00～6.45 m，由砂土、風(fēng)成砂組成。

1.2含水層

主要含水層自上而下包括：

1）白堊系礫巖含水層。位于白堊系下部，平均厚度65.45 m，水位標(biāo)高+1248.84～+1278.26m，單位涌水量0.052 7～0.3675 L/（s·m），滲透系數(shù)0.0564～1.5200 m/d，水質(zhì)以Cl·SO4-Na型為主，富水性弱-中等，為孔隙-裂隙型含水層，正常情況下對煤層開采無影響。

2）侏羅系直羅組“七里鎮(zhèn)砂巖”含水層。位于直羅組底部，平均41.20 m，水位標(biāo)高+1229.11～+ 1261.42 m，單位涌水量0.0179～0.1456 L/（s·m），滲透系數(shù)0.0432～0.344 0 m/d，水質(zhì)為SO4·Cl-Na型，富水性弱-中等，為孔隙-裂隙型含水層，井田東部煤層隱伏露頭與本含水層直接接觸。

3）侏羅系延安組砂巖含水層組。煤系內(nèi)賦存不穩(wěn)定的薄層砂巖含水層，為孔隙裂隙水。巖性為粗粒砂巖、中粒砂巖、細(xì)粒砂巖。單位涌水量0.003～0.0274 L/（s·m），滲透系數(shù)0.0030～0.1867 m/d，水質(zhì)為Cl·SO4-Na型，富水性弱。

2工作面突水

2.1突水情況

11084工作面是8煤層第二個回采工作面，西側(cè)設(shè)計(jì)有111086工作面，尚未開采；東側(cè)111082工作面于2013年9月回采結(jié)束，最大涌水量約5 m3/h。工作面向長度1880 m，寬度210 m，煤層平均厚度3.5 m，開采深度358～414 m，與相鄰工作面之間留設(shè)煤柱20 m。構(gòu)造簡單，未揭露斷層。

工作面于2014年6月20日開始回采，同年7月27日推進(jìn)141 m時第88#綜采支架前端頂板出現(xiàn)淋水，28日5：00達(dá)到最大水量2000 m3/h，此后水量快速衰減，1周后水量穩(wěn)定在50 m3/h；2014年8月30日上午10：10水量由此前的50 m3/h猛增到1500 m3/h，5 d后水量穩(wěn)定在15 m3/h；2014年10月18日凌晨3：00水量由此前的15 m3/h增加到300 m3/h，3 d后水量穩(wěn)定在10 m3/h左右；2014年12月8日15：00水量由此前的10 m3/h增大至100 m3/h，1周后水量穩(wěn)定在5 m3/h，此后水量穩(wěn)定。

2.2突水含水層分析

工作面附近Z1、Z3水文孔觀測侏羅系直羅組“七里鎮(zhèn)砂巖”含水層水位，Z6、Z7水文孔觀測8煤層頂板砂巖含水層的水位。2014年7月28日111084工作面突水，根據(jù)突水前后含水層水位數(shù)據(jù)繪制水位變化曲線圖1。從圖1可以看出，工作面突水過程中，直羅組含水層Z1孔水位累計(jì)下降了37 m，Z3孔水位累計(jì)下降了48 m，水位升降變化與工作面突水過程密切相關(guān)；8煤層頂板砂巖含水層水位（Z6、Z7孔）水位沒有明顯變化。此外，突水后探測上部白堊系礫巖含水層水位保持穩(wěn)定。綜合判定直羅組“七里鎮(zhèn)砂巖”含水層是主要突水水源。

2.3含水層富水性

圖1　含水層水位變化曲線圖Figure 1 Aquifer water level variation curve

根據(jù)《內(nèi)蒙古鄂托克前旗新上海一號井田精查地質(zhì)報(bào)告》（2007年10月），直羅組為砂質(zhì)巖層與泥質(zhì)巖層交替沉積。圖2是直羅組底部60 m地層部分鉆孔柱狀圖。所謂“七里鎮(zhèn)砂巖”實(shí)為砂巖較為發(fā)育的一段地層的總稱，屬典型的砂泥質(zhì)沉積建造，此類含水層富水性不均一。本次用富水性指數(shù)法研究其富水規(guī)律。

圖2　直羅組與下伏煤系沉積關(guān)系示意圖Figure 2 A schematic diagram of relationship between Zhiluo Formation and underlying coal measures

1）富水性指數(shù)。砂泥質(zhì)沉積建造的巖性可分為兩大類：礫巖、粗砂巖、細(xì)砂巖等因其顆粒較粗、脆性較高稱為砂質(zhì)巖石（或脆性巖石）；粉砂巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖等因其顆粒較細(xì)、可塑性較強(qiáng)，又稱泥質(zhì)巖石（或塑性巖石）［1-2］。砂質(zhì)巖石原生孔隙度大于塑性巖石，在同等應(yīng)力作用下容易產(chǎn)生大量網(wǎng)絡(luò)裂隙，這些孔隙或裂隙即為儲水空間［3］。砂質(zhì)巖層之間所夾的泥質(zhì)巖層對裂隙的擴(kuò)展有限制作用，沉積旋回的不確定性和物源構(gòu)成的復(fù)雜性等因素，共同決定了這類含水層的富水性具有各層異性、各向異性特點(diǎn)［4］?？梢娚澳噘|(zhì)沉積建造的富水性主要取決于砂巖層的發(fā)育程度，本文把某一層段（目標(biāo)層）內(nèi)砂質(zhì)巖石累加厚度占該段地層總厚度的百分比稱為富水性指數(shù)，其計(jì)算公式為：

式中：FZH——富水性指數(shù)，無量綱；

MC——目標(biāo)層內(nèi)脆性巖石累加厚度，m；

Dg——目標(biāo)地層總厚度，m。

2）目標(biāo)層確定。直羅組以角度不整合上覆于煤層之上（圖2），在煤層隱伏露頭處直羅組受影響的高度最大，遠(yuǎn)離隱伏露頭受影響的高度越來越小甚至不受影響，因此本文“借用”防水安全煤巖柱的概念，將導(dǎo)水裂隙帶和保護(hù)層厚度之和確定為研究范圍。“借用”的涵義是這里所說的“防水安全煤巖柱”與傳統(tǒng)的概念有所不同，僅僅是用來確定我們要研究的上覆間接充水含水層的范圍，即目標(biāo)層。本礦8煤層最大采高3.8 m，根據(jù)井田開采技術(shù)條件從《三下開采規(guī)程》附表6-2中選擇公式，計(jì)算出導(dǎo)水裂縫帶高度最大33.66 m，保護(hù)層厚度最大19 m，可以認(rèn)為111084工作面突水水源來自于直羅組下部52.66 m。為便于計(jì)算，將直羅組下部60 m設(shè)為研究的目標(biāo)層（圖2）。

3）富水性等值線圖。富水性指數(shù)計(jì)算運(yùn)用了大數(shù)據(jù)原理、以全井田所有鉆孔揭露的地層統(tǒng)計(jì)資料為基礎(chǔ)，按照公式1計(jì)算出直羅組下部“七里鎮(zhèn)砂巖”含水層的富水性指數(shù)為0.9～84.6，平均39（限于篇幅數(shù)據(jù)表省略）。富水性指數(shù)越大代表富水性越強(qiáng)，指數(shù)越小代表富水性越弱。

將計(jì)算所得的富水性指數(shù)導(dǎo)入Surfer智能繪圖軟件，即可繪制直羅組底部（七里鎮(zhèn)砂巖）富水性等值線圖（圖3）。

從圖3可以看出，111084工作面靠近切眼部分（上順槽從切眼向外700 m、下順槽從切眼向外560 m）富水性指數(shù)50～84.6，可見工作面切眼附近為富水區(qū)，向外富水性指數(shù)逐漸變?。?～50）。

水源（水量）是突水的必要條件，111084工作面已回采部分正位于富水區(qū)內(nèi)，具備了突水條件之一。至此產(chǎn)生一個疑問，111082工作面與111084工作面相鄰（相隔20 m），111082工作面也有一部分位于富水區(qū)內(nèi)，為什么涌水量僅5 m3/h？

圖3　直羅組底部（七里鎮(zhèn)砂巖）含水層富水性等值線圖Figure 3 Isogram of Zhiluo Formation bottom（Qilizhen sandstone）aquifer water yield properties

2.4突水危險(xiǎn)性

2.4.1突水性指數(shù)

如前文所述，直羅組與下伏煤系之間呈角度不整合關(guān)系，沿著煤層傾斜方向煤層頂板至上覆含水層之間隔水層厚度逐漸增大，只有隔水層厚度小于導(dǎo)水裂縫帶高度時，才能將上部水導(dǎo)入。這里引入突水危險(xiǎn)性指數(shù)概念。計(jì)算公式為：

式中：TZH——突水危險(xiǎn)性指數(shù)，無量綱；

Hg——煤層頂板至含水層底界距離（隔水層厚度），m；

Hfs——防水安全煤巖柱高度，m。

根據(jù)井田開采技術(shù)條件，從《三下開采規(guī)程》附表6-2中選擇相應(yīng)的公式，可以計(jì)算出防隔水煤巖柱高度，根據(jù)地層資料計(jì)算出煤層頂板至含水層底界距離（隔水層厚度），最后將計(jì)算結(jié)果代入突水危險(xiǎn)性指數(shù)計(jì)算公式，得到全井田突水危險(xiǎn)性指數(shù)。指數(shù)為0代表突水臨界點(diǎn)，指數(shù)為正值代表無突水危險(xiǎn)，且數(shù)值越大越安全；指數(shù)為負(fù)值代表有突水危險(xiǎn)，且絕對值越大突水可能性越大，負(fù)值區(qū)即突水危險(xiǎn)區(qū)。需要指出的是，這里假定工作面沿著煤層頂板割煤，如果工作面留頂煤或破頂板割煤，Hg代表的是采空區(qū)頂界至含水層底界距離。

2.4.2突水危險(xiǎn)性等值線圖

將計(jì)算所得的突水性指數(shù)導(dǎo)入Surfer智能繪圖軟件繪制突水危險(xiǎn)性等值線圖（圖4）。

圖4　8煤層突水危險(xiǎn)性等值線圖（局部）Figure 4 Isogram of coal No.8 water bursting hazards（partial）

從圖4可以看出，111082工作面突水危險(xiǎn)性指數(shù)大于零，不在突水危險(xiǎn)區(qū)內(nèi)，因此沒有導(dǎo)入“七里鎮(zhèn)”砂巖水；111084工作面突水危險(xiǎn)性指數(shù)大多小于零，即工作面大部分位于突水危險(xiǎn)區(qū)內(nèi)，因此導(dǎo)入了“七里鎮(zhèn)”砂巖水。

2.5突水條件

通過上文分析可以得出結(jié)論：直羅組底部含水層為砂泥質(zhì)互層沉積，富水性不均一。工作面位于富水區(qū)內(nèi)是突水條件之一，并不一定突水；工作面位于突水危險(xiǎn)區(qū)內(nèi)是突水的另一條件，也不一定突水；兩個條件同時具備才是突水的充要條件。

3突水機(jī)理與突水過程分期

3.1突水機(jī)理

北京煤炭科學(xué)研究院劉天泉院士利用長壁采煤后覆巖變形破壞特點(diǎn)及其導(dǎo)水性能，將上覆巖層分為冒落帶、裂隙帶和整體彎曲下沉帶。隨后山東科技大學(xué)高延法教授突破了傳統(tǒng)的三帶觀念，提出巖移“四帶”模型，將“三帶”中的冒落帶、裂隙帶合稱為“破裂帶”；將傳統(tǒng)的彎曲下沉帶進(jìn)一步劃分為三部分，其下部為“離層帶”，上部為“松散沖積層帶”，中間部分仍稱為彎曲下沉帶［5］（高教授沒有給出具體的數(shù)學(xué)模型）。

111084工作面煤層平均3.0～3.8 m，根據(jù)《三下開采規(guī)程》經(jīng)驗(yàn)公式，計(jì)算導(dǎo)水裂隙帶高度30.1～33.66 m，保護(hù)層厚度為15～19 m，突水點(diǎn)附近煤層頂板上距含水層僅32 m。根據(jù)“四帶”觀點(diǎn)，破裂帶與導(dǎo)水裂隙帶相對應(yīng)（30.1～33.66 m），煤層頂板32 m隔水層全部位于破裂帶內(nèi)，失去隔水作用。離層帶內(nèi)離層裂隙不是唯一的，只有破裂帶上位相近的離層裂隙才與礦井充水有關(guān)，根據(jù)煤層與含水層之間距離推算，離層裂隙帶發(fā)育在直羅組“七里鎮(zhèn)砂巖”內(nèi)，砂巖裂隙水向離層裂隙內(nèi)匯集形成“自由”水體，隔水層的缺失導(dǎo)致了突水。離層匯水作用強(qiáng)化了短時突水強(qiáng)度，在水動力作用下弱膠結(jié)軟巖容易分解并被水?dāng)y帶，表現(xiàn)為攜沙突水；自由水體快速釋放后裂隙水補(bǔ)給不暢，隨著水動力作用衰減，泥沙堆積于突水通道內(nèi)產(chǎn)生“自封堵”效應(yīng)，突水暫時中止；離層封閉空間再次蓄水，當(dāng)水量水壓達(dá)到一定程度時再次突水，如此反復(fù)表現(xiàn)出間歇性突水特點(diǎn)。

3.2突水過程分期

1）離層蓄水期。工作面推進(jìn)0～60 m期間，破裂帶處于發(fā)育發(fā)展階段（＜33.6 m），離層裂隙尚未出現(xiàn)或剛剛起動，含水層水位無異常。工作推進(jìn)60～110 m期間，破裂帶快速發(fā)展趨近于最大值（30.1～33.66 m）；離層裂隙帶處于快速發(fā)展期，砂巖裂隙水持續(xù)向離層空間匯集形成自由水體，表現(xiàn)為含水層水位Z1孔下降13.598 m、Z3孔水位下降8.105 m（7月3日～7月18日觀測數(shù)據(jù)）。

2）彎曲帶形成期。工作面推進(jìn)110～143 m期間，破裂帶發(fā)育趨近成熟，覆巖整體下沉（根據(jù)地表觀測結(jié)果），覆巖下沉壓縮了已經(jīng)形成的離層空間，表現(xiàn)為Z1孔水位回升了0.972 m、Z3孔水位回升了0.846 m（2014年7月18日～7月27日觀測數(shù)據(jù)）

3）第一次突水。工作面推進(jìn)141 m時，離層裂隙內(nèi)自由水體在靜水壓力和圍巖遇水弱化雙重作用下，突破了離層封閉空間充入礦井。2014年7月27日下午工作面頂板出現(xiàn)淋水，28日5：00時水量達(dá)到2000 m3/h，大量泥沙隨水潰出，以后工作面停止推進(jìn)。

4）第一個突水休止期。水體潰出后離層空間內(nèi)水壓降低、水動力作用減弱，泥沙“自封堵”效應(yīng)封閉了突水通道，進(jìn)入第一個突水休止期，8月5日水量減少到10 m3/h左右。Z1孔水位回升了7.677 m，Z3孔水位回升了29.116 m（2013年8月5日～8月29日觀測數(shù)據(jù)）。

5）第二次突水。突水通道被封堵后，離層空間繼續(xù)蓄水，當(dāng)水量水壓增大到一定程度時再次被沖開突水通道，8月30日瞬時水量1 500 m3/h。

6）第二個突水休止期。8月31日～10月16日為第二個休止期，Z1孔水位回升了21.87 m，Z3孔水位回升了17.94 m。

7）第三次突水。10月17日再次出水，短時水量300 m3/h，2 h后水量快速衰減，逐漸穩(wěn)定在10 m3/h左右。表現(xiàn)為Z1孔水位下降1.623 m，Z3孔水位下降2.77 m（10月17日～10月26日觀測數(shù)據(jù)）。

8）第三個突水休止期。10月27日～12月17為第三個休止期，水量穩(wěn)定在10 m3/h左右，水位穩(wěn)定中稍有波動。

9）突水過程結(jié)束。12月18日再次突水，水量30～70 m3/h，持續(xù)時間約4 h，隨后水量逐漸減小并長期穩(wěn)定在8 m3/h左右，突水過程結(jié)束。

4結(jié)論

1）111084工作面突水水源為直羅組“七里鎮(zhèn)砂巖”裂隙水，回采區(qū)位于富水區(qū)又位于突水危險(xiǎn)區(qū)，具備了突水充要條件。

2）離層裂隙匯水作用強(qiáng)化了突水強(qiáng)度，在水動力作用下弱膠結(jié)砂巖表現(xiàn)出流砂特性。

3）隔水層不足導(dǎo)致離層水體在靜水壓力作用下突破封閉空間潰出。

4）離層蓄水和泥沙自封堵兩種作用交替演化，突水過程表現(xiàn)出間歇式發(fā)展。

［1］任智德，呂玉廣，鄭綱.利用脆性巖石含量指數(shù)預(yù)測裂隙型含水層富水區(qū)［J］.煤田地質(zhì)與勘探，2011，35（4）.

［2］呂玉廣，任智德，肖慶華，運(yùn)用脆弱性系數(shù)法研究砂巖裂隙型含水層［M］//中國水害防治技術(shù).江蘇徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2010：392-396.

［3］趙寶峰.基于含水層沉積和構(gòu)造特征的富水性分區(qū)［J］.中國煤炭地質(zhì)，2015，（4），30-34.

［4］李新鳳.砂巖含水層富水性預(yù)測及水害危險(xiǎn)性評價(jià)研究［D］.2010.

［5］程新明，趙團(tuán)芝，李小琴，等.離層積水存在的礦井工作面涌水量預(yù)計(jì)［J］.煤田地質(zhì)與勘探，2007，35（4）.

No.111084 Working Face Water Bursting Causation and Mechanism in Xinshanghai No.1 Coalmine，Otog Front Banner，Inner Mongolia

Lu Yuguang，Qi Donghe
（Inner Mongolia Shanghaimiao Mining Co.Ltd.，Shandong Energy Group Co.Ltd.，Ordos，Inner Mongolia 016299）

In allusion to No.111084 working face sandy water bursting accident，based on mine area sandy mud sedimentary formation peculiarity and angular unconformity between coal seam and aquifer，put forward conceptions of water yield property index and water bursting hazard index，using the two indices have drawn water yield property isogram and water bursting hazard isogram.The result has shown that the prerequisite of roof water bursting has water-rich zone situated also water bursting hazard area situated.Under the dual function of“abscission layers impounding”and“sediment self plugging”presents batch-type water bursting.The study has provided basis for subsequent resource exploitation to formulate corresponding measures and avoid similar accidents.

working face water bursting；aquifer analysis；water yield property index；water bursting hazard index；water bursting mechanism；northwestern China arid area

TD745

A

10.3969/j.issn.1674-1803.2016.09.11

1674-1803（2016）09-0053-05

呂玉廣（1969—），男，江蘇宿遷人，高級工程師，碩士，防治水副礦長，從事礦井地質(zhì)及煤礦防治水工作。

2016-06-27

責(zé)任編輯：樊小舟