堡子公司F36斷層局部出水機(jī)理分析及防治措施

李 榮

(陽泉煤業(yè)集團(tuán)沙鋼礦業(yè)投資有限公司，山西 臨汾 043500)

0 引言

帶壓開采礦井導(dǎo)水?dāng)鄬油凰堑V井采掘中最常見的突水災(zāi)害事故之一，由于斷層破壞了巖層的完整性，常常成為含水層間的水力通道，經(jīng)常造成掘進(jìn)頭或工作面停產(chǎn)，甚者可至淹沒礦井。斷層的某一區(qū)段是否導(dǎo)水，導(dǎo)水性強(qiáng)弱，是沿破碎帶上下連通還是僅水平方向接觸導(dǎo)水，取決于斷層的力學(xué)性質(zhì)、斷層帶的成分結(jié)構(gòu)、斷層的后期移動、斷層兩側(cè)巖層對接關(guān)系、含水層的水壓以及采礦活動引起的圍巖壓力對斷層的重新破壞作用。通過分析堡子公司2#煤層帶壓區(qū)F36斷層局部出水機(jī)理，對判斷斷層富水性、導(dǎo)水性對承壓區(qū)斷層水防治具有一定的指導(dǎo)意義。

1 地質(zhì)概況

1.1 礦井地質(zhì)條件

堡子井田位于山西省沁水煤田晉城礦區(qū)西南部。根據(jù)地表出露、鉆孔勘探及井下揭露，井田地層由老到新發(fā)育有奧陶系中統(tǒng)峰峰組，石炭系中統(tǒng)本溪組、上統(tǒng)太原組，二疊系下統(tǒng)山西組、下石盒子組、上統(tǒng)上石盒子組，第四系中、上更新統(tǒng)及全新統(tǒng)。受區(qū)域構(gòu)造帶的影響總體為一走向北西，傾向北東的單斜構(gòu)造，次一級構(gòu)造為向南仰起的向斜構(gòu)造，地層傾角一般8°～13°，局部達(dá)25°～35°。井田內(nèi)發(fā)現(xiàn)褶曲1個，斷層57條，其中以往地質(zhì)勘探推斷16條、井下揭露41條，未發(fā)現(xiàn)陷落柱。

井田內(nèi)可采煤層為山西組2#和太原組9#煤層。2#煤層位于山西組中部，為本區(qū)主要可采煤層之一，煤層厚度1.85～5.85 m，平均4.17 m，含0～1層夾矸，頂板以泥巖為主，粉砂巖次之，底板以粉砂巖為主，泥巖次之。2#煤層厚度變化不大，穩(wěn)定可采，結(jié)構(gòu)簡單，夾石易于對比，為全區(qū)穩(wěn)定可采煤層。9#煤層位于太原組下段頂部，為全區(qū)主要可采煤層之一。其厚度為0.88～5.32 m，平均3.55 m，含0～2層夾矸，頂板為K2石灰?guī)r，底板以鋁質(zhì)泥巖為主，泥巖次之。9#煤層厚度變化不大，穩(wěn)定可采，結(jié)構(gòu)簡單，夾石易于對比，為全區(qū)穩(wěn)定可采煤層。

1.2 二采區(qū)地質(zhì)條件

目前主要開采2#煤層二采區(qū)。二采區(qū)位于井田的東北部，現(xiàn)已形成3個工作面，分別為2201工作面、2202工作面、2203工作面，二采區(qū)2#煤層平均厚度4.5 m，煤層直接頂為砂質(zhì)泥巖，厚度1.0 m；老頂為粗粒砂巖，厚度3.0 m；直接底為泥巖，厚度2.0 m；老底為細(xì)砂巖，厚度2.0 m。二采區(qū)(2201、2202、2203工作面)煤層底板標(biāo)高+790～+910 m，總體為一走向NW、傾向NE的單斜構(gòu)造。二采區(qū)(2201、2202、2203工作面)采掘揭露斷層7條，其中斷層F36落差為37 m，產(chǎn)狀走向NE，傾向SE，井田內(nèi)延伸長度1 100 m，其余均為小型正斷層，落差小于5 m，如圖1所示。

圖1 二采區(qū)(2201、2202、2203工作面)采掘工程平面示意圖

根據(jù)B1-2、ZK601、ZK2號(未揭露奧灰)鉆孔資料，二采區(qū)(2201、2202、2203工作面)2#煤層底板距離K2灰?guī)r頂板厚度分別為43.33 m、62.50 m、56.17 m，平均厚度54 m；2#煤層底板距離奧灰頂界面厚度分別為75.30 m、92.29 m，平均厚度約84 m，如圖2所示。

圖2 2#煤層距離K2灰?guī)r、奧灰距離示意圖

1.3 二采區(qū)(2201、2202、2203面)水文地質(zhì)條件

2#煤層充水水源主要為二疊系砂巖裂隙含水層水(K8砂巖)，其次為底板太灰水和奧灰水。其中二采區(qū)(2201、2202、2203工作面)2#煤層底板標(biāo)高+790～+910 m，奧灰水水位標(biāo)高+944 m左右，2#煤層底板至奧灰頂界面平均厚度84 m，二采區(qū)(2201、2202、2203工作面)奧灰水突水系數(shù)介于0.026～0.039 MPa/m。

2 探巷出水點及斷層情況

2.1 2202工作面探巷出水點情況

二采區(qū)2202工作面探巷施工70 m時停掘，探巷17°上山，停掘位置距F36斷層25 m。2017年1月17日，探巷底板裂隙出水(裂縫約10～20 mm的寬度)，出水量達(dá)到150 m3/h。另外2203工作面回風(fēng)順槽穿越F36斷層時也出現(xiàn)出水，最大為2 m3/h，當(dāng) 2202工作面探巷出水后，2203工作面回風(fēng)順槽穿越F36斷層位置出水量逐步衰減，出水點如圖1所示。

2202工作面探巷出水點處煤層底板標(biāo)高約+815 m，奧灰水位標(biāo)高+944 m，出水點奧灰水帶壓約1.3 MPa。

通過探巷出水點水質(zhì)化驗資料和B1-2水文孔奧灰水質(zhì)化驗資料中陽離子(Ca2+、Mg2+、Na+、K+)的含量、陰離子(Cl-、SO42-、HCO3-、NO3-、CO32-)含量，以及pH值、總硬度比對，確定充水水源為奧灰水。

2.2 F36斷層揭露情況

在井巷施工過程中有8次揭露F36斷層(如圖3所示，綠色標(biāo)注為巷道揭露F36斷層位置)，2#煤運輸大巷和2#煤回風(fēng)大巷揭露并通過F36斷層，兩處未發(fā)生出水情況；2203切巷與F36斷層之間共施工掘采巷道7條掘采巷道，巷寬4 m，巷高要求見頂見底，煤柱5 m，施工期間有5條巷道揭露F36斷層，均未發(fā)生出水情況；2203工作面回風(fēng)巷揭露F36斷層，未發(fā)生出水情況。

圖3 巷道揭露斷層示意圖

3 出水機(jī)理分析

二采區(qū)屬于帶壓開采區(qū)域，受F36正斷層影響，中奧陶統(tǒng)碳酸鹽巖巖溶裂隙含水層和上石炭統(tǒng)太原組(K2、K3、K4石灰?guī)r)相互導(dǎo)通，是本次出水的出水水源。

出水通道是2202探巷附近F36和F38附近及交匯處，地應(yīng)力集中，頂、底板巖石受地應(yīng)力作用，節(jié)理裂隙比較發(fā)育，形成的節(jié)理裂隙密集帶(應(yīng)力集中帶)，是本次出水的出水通道。

2202探巷掘進(jìn)前方，F(xiàn)36正斷層落差較大(37 m)，造成掘進(jìn)工作面掌頭煤層底板巖層與斷層下盤K2灰?guī)r垂距僅17 m左右，如圖4所示；同時采掘工程位于F36和F38附近及交匯處，地應(yīng)力集中，頂、底板巖石受地應(yīng)力作用，節(jié)理裂隙比較發(fā)育；另外2202探巷的施工，形成了礦山壓力集中區(qū)，礦山采動礦壓對底板的破壞深度達(dá)15 m，如圖5所示。在地應(yīng)力和礦山壓力雙重作用下，2202探巷掌頭底板承受不住奧(太)灰水壓，將底板節(jié)理裂隙潰破或擴(kuò)大，奧(太)灰水沿斷層及節(jié)理裂隙涌入巷道。

圖4 2202探巷前方斷層示意剖面圖

圖5 采動礦壓對底板的破壞深度

4 帶壓區(qū)構(gòu)造導(dǎo)水的防治措施

4.1 做好勘查工作

涉及帶壓開采礦井必須通過水文地質(zhì)勘探、地面三維地震、地面電法勘探等先進(jìn)手段查明煤層下伏巖溶含水層位、富水性、水位標(biāo)高，煤層與含水層之間隔水層的厚度、巖性組合、力學(xué)性質(zhì)，煤層的底板標(biāo)高、空間變化，斷層、陷落柱的分布及導(dǎo)水性，并進(jìn)行帶壓開采安全評價。一旦發(fā)生底板突水，要查明突水通道，采用注漿辦法進(jìn)行封堵。

4.2 做帶壓開采安全配套措施

礦井防排水系統(tǒng)：礦井排水系統(tǒng)與相應(yīng)防水系統(tǒng)的建立，是實現(xiàn)安全帶壓開采必備的環(huán)節(jié)之一，必須符合《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定之要求。礦井在加強(qiáng)防治水工作的同時，必須保證達(dá)到《煤礦防治水規(guī)定》要求的抗災(zāi)搶險的排水能力和相應(yīng)的防水系統(tǒng)，只有這樣，礦井的安全生產(chǎn)才能得以保證。在水量一旦意外增大的情況下，能夠避免淹井事故的發(fā)生，至少能爭取時間撤出危險區(qū)的工作人員。

供電系統(tǒng)：供電系統(tǒng)要與水泵供電負(fù)荷相匹配，并保證雙電源雙回路供電，以便一路電源發(fā)生故障時，另一路電源能立即供電，保障排水系統(tǒng)的不間斷正常工作。配電設(shè)備的能力應(yīng)當(dāng)與工作、備用和檢修水泵的能力相匹配，并能保證全部水泵同時運轉(zhuǎn)。

抗災(zāi)強(qiáng)排水系統(tǒng)：在礦井遭遇突水災(zāi)害時，中央排水系統(tǒng)能力不足或失效的情況下，可啟動強(qiáng)排水系統(tǒng)，也是提高礦井抗災(zāi)能力及災(zāi)后救援能力的有效措施。

5 結(jié)論

(1)在分析斷層的導(dǎo)水性時，不要輕易將某條斷層簡單地劃分為導(dǎo)水?dāng)鄬?、隔水?dāng)鄬踊蛸A水?dāng)鄬?，而?yīng)充分注意斷層的水文地質(zhì)性質(zhì)具有方向性和局部性，即一條斷層可以在某一方向?qū)?，而在另一方向上隔水，或同一斷層的某一部位?dǎo)水，而在另一部位隔水。有些斷層在初次揭露時隔水，但隨采礦擾動可能發(fā)生滯后導(dǎo)水。所以，在研究的探測斷層的水文地質(zhì)性質(zhì)時，對不同部位具有不同應(yīng)力狀態(tài)，不同部位具有不同水理性質(zhì)的復(fù)雜面狀地質(zhì)結(jié)構(gòu)體，進(jìn)行整體分析和分區(qū)評價。

(2)在沒有掌握斷層各區(qū)段的導(dǎo)水性之前，應(yīng)該把整個斷層作為導(dǎo)水?dāng)鄬訉Υ?。在巷道掘進(jìn)前應(yīng)根據(jù)巷道的布置情況，對可能揭露的斷層進(jìn)行分析、評價，分析其對巷道掘進(jìn)的威脅程度，按照《煤礦防治水規(guī)定》的有關(guān)規(guī)定執(zhí)行，留設(shè)防隔水煤巖柱。當(dāng)巷道掘進(jìn)至斷層附近時，首先采用超前物探探測技術(shù)對該斷層進(jìn)行探測，初步探查富水性，確定斷層位置，再采用鉆探進(jìn)行驗證，精確探查其落差、傾角和水文地質(zhì)性質(zhì)。此后根據(jù)探查結(jié)果，依據(jù)相關(guān)規(guī)程的要求留設(shè)合理的防水煤(巖)柱或采取其他防治水措施。

(3)防治煤層下伏含水層(巖溶含水層)水，一定要堅持“查明條件、查治結(jié)合、預(yù)防為主”、“探、防、堵、截、排”及“預(yù)測預(yù)報、有疑必探，先探后掘、先治后采”的防治水原則，把防治水與礦井的長遠(yuǎn)發(fā)展作為一個整體來考慮，進(jìn)行統(tǒng)籌安排；依靠先進(jìn)技術(shù)，把水害事故消滅在萌芽狀態(tài)。