霄云煤礦1313工作面隱伏陷落柱突水機(jī)理分析

趙元強(qiáng)，李肖蘭

(1.山東省煤田地質(zhì)局第二勘探隊(duì)，山東 濟(jì)寧 272100；2.山東地礦新能源有限公司，山東 濟(jì)南 250100)

0 引言

近年來(lái)，隨著煤礦開(kāi)采向深度的不斷延伸，開(kāi)采技術(shù)條件也越來(lái)越復(fù)雜，突水淹井事故不斷出現(xiàn)，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，2012—2016年全國(guó)煤礦發(fā)生特大突水事故35起，死亡233人[1]。嚴(yán)重影響和威脅礦井安全生產(chǎn)。煤礦的水文地質(zhì)條件受地層、構(gòu)造、巖漿巖等影響因素較大，就使得水害的類型繁多，特別是對(duì)隱伏型導(dǎo)水構(gòu)造的精細(xì)探查預(yù)測(cè)能力不足，使其成為了礦井水害的重要導(dǎo)水通道。通過(guò)對(duì)霄云煤礦突水情況和治理措施的分析研究(1)山東省煤田地質(zhì)局第二勘探隊(duì)，霄云煤礦1313工作面突水點(diǎn)注漿封堵報(bào)告，2018年。，以期能提高技術(shù)人員對(duì)隱伏地質(zhì)構(gòu)造的認(rèn)識(shí)，加大對(duì)礦井隱伏構(gòu)造的排查力度，避免生產(chǎn)中因突水災(zāi)害帶來(lái)的人員和經(jīng)濟(jì)損失。

1 地質(zhì)概況

霄云煤礦位于山東省金鄉(xiāng)縣東南蘇魯交界處的霄云鎮(zhèn)。東北與魚(yú)臺(tái)縣接壤，主井井口距金鄉(xiāng)縣城20km，距魚(yú)臺(tái)縣城25km。井田東西長(zhǎng)8.1km,南北寬2.9km，面積為23.42km2，礦井設(shè)計(jì)年生產(chǎn)能力0.90Mt,服務(wù)年限41年。大地構(gòu)造位置屬于華北陸塊(Ⅰ級(jí))、魯西隆起(Ⅱ級(jí))、魯西南潛隆起區(qū)(Ⅲ級(jí))、菏澤-兗州潛隆起(Ⅳ級(jí))樓淺凹陷(Ⅴ級(jí))中部(圖1)[2]，為華北-柴達(dá)木地層大區(qū)(Ⅴ)華北地層區(qū)的魯西地層分區(qū)。

1.1 地層概況

該區(qū)為沖積層全覆蓋區(qū)，地層由老至新為奧陶紀(jì)馬家溝群、石炭-二疊紀(jì)本溪組、太原組、山西組、二疊紀(jì)石盒子群、古近紀(jì)官莊群、新近系、第四系。區(qū)內(nèi)含煤地層主要為石炭-二疊紀(jì)月門(mén)溝群太原組和山西組，山西組煤層厚度沉積穩(wěn)定。目前礦井開(kāi)采煤層為山西組3煤層，厚度0.4～7.69m，平均3.61m。煤層厚度有一定變化，但規(guī)律性較明顯，煤層厚度可采性指數(shù)Km為0.95，厚度變異系數(shù)γ為38%，含2個(gè)煤類，煤質(zhì)變化中等，面積可采性指數(shù)為0.67，屬穩(wěn)定煤層。

圖1 區(qū)域構(gòu)造綱要圖

1.2 井田構(gòu)造

該區(qū)位于金鄉(xiāng)煤田的東南部，西部為區(qū)域斷層曹馬集斷層。井田內(nèi)地層走向近EW，傾向N。傾角10°～25°，淺部?jī)A角大、深部?jī)A角較小，為一向N傾斜的單斜構(gòu)造[3]。區(qū)內(nèi)構(gòu)造復(fù)雜程度中等，斷層較多，共組合斷層201條。其中落差大于100m的有6條；落差50～100m的有3條；30～50m的有12條，其余的均小于30m。

1.3 巖漿巖

根據(jù)區(qū)域資料，金鄉(xiāng)煤田內(nèi)巖漿巖屬燕山晚期巖漿活動(dòng)的產(chǎn)物。在燕山晚期，巖漿大多是沿著大的斷裂等構(gòu)造破碎帶，由南向北侵入含煤地層，以巖墻和巖脈的形式產(chǎn)出[4]。

區(qū)內(nèi)在勘探過(guò)程中僅在J2-2號(hào)孔孔深897.70m位置見(jiàn)巖漿巖侵入于山西組頂部，巖性為中性閃長(zhǎng)玢巖，厚度143m，對(duì)煤質(zhì)沒(méi)有影響。在1309工作面和1312工作面掘進(jìn)過(guò)程中揭露巖漿巖侵入體形成的巖墻，由于巖墻厚度較小，故對(duì)煤層、煤質(zhì)、瓦斯影響不大。

2 水文地質(zhì)

2.1 各含水層富水及涌水的基本規(guī)律

(1)區(qū)內(nèi)各充水含水層包括深部的奧陶紀(jì)灰?guī)r在內(nèi)，其補(bǔ)給、徑流、排泄條件一般，含水層主要以靜儲(chǔ)量為主[5]。第四紀(jì)砂礫層含水層主要接受大氣降水和邊緣地帶基巖裂隙水的側(cè)向補(bǔ)給，基巖各含水層則主要通過(guò)隱伏露頭接受第四紀(jì)砂礫層含水層的滲透補(bǔ)給。

(2)正常情況下，礦井投產(chǎn)初期及開(kāi)采淺部煤層時(shí)，礦井涌水量較大，隨著開(kāi)采時(shí)間和井下開(kāi)拓面積的延長(zhǎng)，礦井涌水量就會(huì)在穩(wěn)定一段時(shí)間之后出現(xiàn)緩慢減小的趨勢(shì)。開(kāi)采3煤層時(shí)，其直接充水含水層為3煤層頂板砂巖，在淺部區(qū)域以巷道頂部淋水形式為主，深部區(qū)域主要為巷道頂部滴水形式或無(wú)水[6]。三灰及十下灰等薄層灰?guī)r在礦井淺部多以底板涌水形式為主(圖2)，深部區(qū)域多以淋水形式為主。如果十下灰含水層在深部與奧灰通過(guò)斷層導(dǎo)通，則會(huì)變?yōu)橛克问健?/p>

(3)含煤地層的基底奧灰強(qiáng)含水層對(duì)煤礦生產(chǎn)的威脅主要集中在煤田淺部，據(jù)金橋煤礦奧灰含水層抽水試驗(yàn)資料，水位高程+33.31m～+33.98m，單位涌水量為0.0427～0.938L/s·m，滲透系數(shù)0.08～3.32m/d。奧灰是石炭-二疊紀(jì)含煤地層的沉積基底，是區(qū)域性的強(qiáng)含水層，它主要以底鼓涌水的形式對(duì)礦井開(kāi)采形成威脅[7-11]。

2.2 斷層導(dǎo)水性

區(qū)內(nèi)有斷層19條，落差大于50m的斷層7條，其中有5條落差大于100m，均為正斷層。根據(jù)區(qū)內(nèi)各條勘探剖面圖可以得知，當(dāng)斷層落差大于50m時(shí)，斷層上盤(pán)的3煤層層位會(huì)與下盤(pán)的太原組三灰形成對(duì)口；當(dāng)斷層落差大于150m時(shí)，3煤層層位就會(huì)與下盤(pán)的太原組底部灰?guī)r及奧灰強(qiáng)含水層形成對(duì)口接觸，受煤層采動(dòng)影響，對(duì)盤(pán)的巖溶裂隙水含水層可沖破斷層軟弱帶和兩側(cè)裂隙帶以底鼓的方式對(duì)采煤造成不利影響。

該區(qū)的鉆孔在揭露或穿過(guò)斷層或近斷層處均未發(fā)現(xiàn)沖洗液漏失現(xiàn)象，簡(jiǎn)易水文觀測(cè)消耗量均在正常變化的范圍內(nèi)，沒(méi)有發(fā)生突然增大的現(xiàn)象，這都可以證明該區(qū)斷層基本不含水或不導(dǎo)水，斷層的富水性與導(dǎo)水性均較弱。

1—鉆孔；2—石灰?guī)r含水層；3—煤層；4—斷層圖2 霄云煤礦8線水文地質(zhì)剖面圖

3 礦井突水過(guò)程及突水量的變化情況

2018年9月10日22時(shí)45分，霄云煤礦1313工作面在正常生產(chǎn)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)43#架底板出現(xiàn)輕微滲水(圖3)，初始出水量約10m3/h，至9月11日凌晨1時(shí)，工作面突水量逐漸增加至100m3/h。至11日凌晨3點(diǎn)，工作面突水量水量突增至約400m3/h，因突水量過(guò)大(預(yù)測(cè)最大約為1500m3/h)，超過(guò)了礦井設(shè)計(jì)排水1200m3/h的能力，水位持續(xù)上升，嚴(yán)重威脅礦井安全，11日21點(diǎn)10分井下170人全部安全升井。9月13日10點(diǎn)20分，測(cè)算突水量約為3673m3/h，截至9月27日早7時(shí)，礦井水位一直在上升中，奧灰長(zhǎng)觀孔的水位一直在下降中，兩水位差正逐步接近(圖4)。

1—河流；2—煤巷；3—斷層；4—煤層露頭線及鳳氧化帶；5—孔號(hào)◎鉆孔煤厚圖3 1313工作面出水點(diǎn)位置示意圖

4 1313工作面充水因素分析

根據(jù)1313工作面兩順槽揭露情況、區(qū)域內(nèi)抽水試驗(yàn)及井下水文地質(zhì)鉆孔取得的成果，對(duì)1313工作面水文地質(zhì)情況分析如下。

(1)3煤頂板砂巖水。3煤頂板砂巖單位涌水量0.00001295～0.00821L/s·m，滲透系數(shù)0.000599～0.016m/d，總體評(píng)價(jià)富水性弱，連通性差，主要以靜儲(chǔ)量為主，易于疏干。局部可能會(huì)出現(xiàn)頂板滴淋水情況，通過(guò)疏放可以降低甚至解除對(duì)礦井開(kāi)采的影響[12]。

圖4 奧灰長(zhǎng)觀孔水位、副井井筒水位及涌水量關(guān)系圖

(2)三灰水。根據(jù)三灰抽水試驗(yàn)結(jié)果，該含水層為弱含水層，且3煤底板距離三灰頂平均為42m，且兩者之間發(fā)育數(shù)層泥巖，經(jīng)計(jì)算，大于安全隔水層厚度，正常情況下可以起到很好的隔水作用[13]。根據(jù)在1313膠帶順槽P33#點(diǎn)探水硐室內(nèi)施工的三灰孔取得的參數(shù)，采用突水系數(shù)[14]計(jì)算公式：Ts=P/M=1/42=0.024，故1313工作面總體不存在三灰水突水的危險(xiǎn)性。在實(shí)際掘進(jìn)回采過(guò)程中也未出現(xiàn)三灰水突水現(xiàn)象，僅有揭露斷層時(shí)少量的斷層裂隙出水現(xiàn)象，基本排除了三灰突水的可能性，但應(yīng)注意斷層及構(gòu)造帶附近滯后突水的防護(hù)措施。

(3)斷層水。該工作面切眼外西北方向的13-9斷層(H=6m)經(jīng)過(guò)鉆探驗(yàn)證，該斷層區(qū)域內(nèi)富水性較弱，不含水、不導(dǎo)水。工作面揭露的13-1等11個(gè)斷層，落差在1.0～3.5m，這些斷層導(dǎo)水性和富水性同樣較差，以上斷層均沒(méi)有發(fā)生出水。因此1313工作面回采期間受斷層水的威脅較小。

(4)鉆孔水。經(jīng)核實(shí)，工作面回采范圍內(nèi)沒(méi)有鉆孔，不會(huì)受鉆孔水威脅。

(5)老空水。該工作面與1307老空區(qū)相鄰，相鄰范圍約740m。1313工作面在1307工作面傾向上方，積水線在1313工作面垂直標(biāo)高5m下，1307老空水通過(guò)泄水巷進(jìn)行持續(xù)排放，平均涌水量為7m3/h。因此在1313工作面回采期間做好1307持續(xù)排水，維護(hù)好排水系統(tǒng)正常運(yùn)行的前提下，1307老空水對(duì)回采影響較小。同樣根據(jù)相關(guān)公式計(jì)算并結(jié)合實(shí)際情況確定，1309老空水對(duì)1313工作面回采基本無(wú)影響。

(6)奧灰水。區(qū)內(nèi)勘探階段有兩個(gè)鉆孔揭露奧灰含水層，揭露厚度均小于20m。巖性為石灰?guī)r及白云質(zhì)灰?guī)r，其中J8-3號(hào)孔位于淺部巖溶裂隙發(fā)育帶，鉆進(jìn)中發(fā)生沖洗液全漏失(漏失量>15m3/h)。區(qū)內(nèi)3煤層底板到奧灰頂平均距離為194.6m，平均隔水層厚度164.78m，奧灰水位高程在礦井突水前為-11.93m，1313工作面回采的最低點(diǎn)約-675m，經(jīng)計(jì)算突水系數(shù)為0.04。

按照《防治水細(xì)則》和相關(guān)經(jīng)驗(yàn)值，認(rèn)為區(qū)內(nèi)奧灰含水層在正常情況下對(duì)礦井生產(chǎn)不會(huì)構(gòu)成威脅[15]。

(7)火成巖侵入體及其他地質(zhì)構(gòu)造。該工作面內(nèi)揭露火成巖侵入體巖墻3條，受此侵入體影響，在采動(dòng)作用下易形成導(dǎo)水裂隙，從而溝通3煤頂板砂巖裂隙含水層[16]，1313工作面兩順槽在掘進(jìn)至火成巖侵入體附近時(shí)，頂板出現(xiàn)滴淋水現(xiàn)象，兩順槽最大淋水水量在2～3m3/h左右，出水層位集中在3煤層頂板以上6～9m的中砂巖含水層位內(nèi)。其導(dǎo)水通道為火成巖侵入體附近局部因裂隙發(fā)育導(dǎo)通了頂?shù)装搴畬?，出現(xiàn)局部頂板淋水現(xiàn)象，預(yù)計(jì)對(duì)回采將會(huì)產(chǎn)生一定影響(圖5)。

1—鉆孔；2—石灰?guī)r含水層；3—煤層；4—陷落柱；5—工作面；6—斷層圖5 工作面各充水因素剖面圖

5 突水水源及通道分析

5.1 突水水源分析

5.1.1 水質(zhì)

5.1.2 水位

(1)奧灰長(zhǎng)觀孔水位變化情況。2018年9月11日—15日，奧灰水位從-13.77m下降至-104.50m，平均下降速率為0.90m/h；9月15日—9月22日，奧灰水位從-104.50m下降至-189.84m，平均下降速率為0.50m/h；9月22日—9月28日，奧灰水位從-189.84m下降至-228.00m，平均下降速率為0.23m/h；9月28日—10月12日，奧灰水位從-228.00m上升至-193.00m，平均上升速率為0.11m/h。

自2018年10月12日開(kāi)始進(jìn)行鉆孔注漿堵水后，奧灰含水層水位呈持續(xù)上升狀態(tài)，至2018年12月16日奧灰水位上升至-90.70m。期間累計(jì)注漿量61424.78m3。

(2)副井井筒水位變化情況。2018年9月12日—9月28日，副井水位從-790.00m上升至-344.00m，平均上升速率為1.16m/h；9月28日—10月12日，副井水位從-344.00m上升至-198.00m(圖6)，平均上升速率為0.43m/h。

圖6 奧灰長(zhǎng)觀孔和副井水位變化趨勢(shì)及鉆孔注漿量關(guān)系圖

自2018年10月12日開(kāi)始進(jìn)行鉆孔注漿堵水后，副井水位開(kāi)始下降，并于11月7日開(kāi)始排水，至12月16日，副井水位下降至-785.50m，副井累計(jì)排水量1457700.0m3。

(3)水溫。通過(guò)測(cè)量突水的水溫，發(fā)現(xiàn)稍高于老空滲水的溫度，說(shuō)明其為煤層底板以下地層來(lái)水。經(jīng)綜合對(duì)比分析，該次礦井突水的水源來(lái)自?shī)W灰含水層。

5.2 突水通道分析

該次礦井突水通道可能有鉆孔封閉質(zhì)量差或鉆孔未封閉、斷層、陷落柱等。

5.2.1 鉆孔通道

1313工作面內(nèi)及突水點(diǎn)附近無(wú)施工鉆孔,故不存在鉆孔導(dǎo)水的可能。

5.2.2 斷層通道

DF61大斷層距離1313工作面切眼超過(guò)200m，位于斷層上升盤(pán)，因此斷層導(dǎo)水的可能性極小，該工作面與DF61斷層之間無(wú)連接的其他斷層，工作面位于留設(shè)的斷層保護(hù)煤柱外[17]，DF61斷層對(duì)1313工作面影響較小。

5.2.3 陷落柱通道

開(kāi)采區(qū)域位于三維地震范圍內(nèi)，根據(jù)三維地震時(shí)間剖面特征，1313工作面西部區(qū)域3煤層反射波穩(wěn)定連續(xù)，受地震技術(shù)手段的限制，3煤層之下巖煤層分辨率很低，報(bào)告中未提及有陷落柱；三維地震精細(xì)報(bào)告及井下瞬變電磁成果均未解釋此區(qū)域內(nèi)有陷落柱發(fā)育。但通過(guò)后期的注漿鉆孔揭露情況發(fā)現(xiàn)在3煤層底板以下存在一陷落柱構(gòu)造。根據(jù)鉆探注漿情況對(duì)導(dǎo)水構(gòu)造的分析能夠更清晰的得到此結(jié)論(表1)。

表1 鉆孔鉆遇地層數(shù)據(jù)

(1)鉆探施工泥漿漏失(注漿位置)與地層、構(gòu)造的對(duì)應(yīng)性。

(2)鉆探施工泥漿漏失特征。通道注漿過(guò)程中，吸漿量大，注漿時(shí)間長(zhǎng)，井口產(chǎn)生負(fù)壓現(xiàn)象，說(shuō)明通道十分暢通，受漿容積大。根據(jù)以往注漿堵水經(jīng)驗(yàn)，該次注漿與斷層通道注漿特征不相符，較符合陷落柱吸漿特征，所以突水通道類型基本確定為陷落柱。

(3)導(dǎo)水通道分析。按照礦井水文地質(zhì)資料，三灰、五灰、十下灰其富水性較弱，未發(fā)現(xiàn)有大的溶洞[18-20]，在水泥漿的擴(kuò)散半徑之內(nèi)，含水層的裂隙不會(huì)存儲(chǔ)高達(dá)36000余立方的水泥漿，在鉆孔軌跡附近存在大的陷落柱式的導(dǎo)水(儲(chǔ)水)構(gòu)造。

(4)陷落柱半徑的計(jì)算。1#孔總注漿量2.4萬(wàn)m3，基本全部進(jìn)入到鉆孔附近裂隙孔隙以及推斷的陷落柱中。該孔揭露的泥巖、粉砂巖未發(fā)現(xiàn)有沖洗液消耗情況，注水泥漿過(guò)程中漿液會(huì)滲入到含水層的裂隙中，2#孔施工至741.00m處巖粉中發(fā)現(xiàn)有凝固的水泥塊，此處距1#孔30.00m，以此可以作為水泥漿的擴(kuò)散半徑。陷落柱未發(fā)育至3煤層，根據(jù)鉆孔施工中泥漿漏失深度推算，其頂?shù)咨疃确謩e為724.00m和840.00m，陷落柱自身的孔隙率按50%，經(jīng)計(jì)算陷落柱半徑約為9.00m(圖7)。

圖7 陷落柱示意圖

6 結(jié)論

(1)通過(guò)礦井水質(zhì)化驗(yàn)結(jié)果和奧灰水文長(zhǎng)觀孔的水位變化綜合確定該次礦井突水水源為奧灰水。通過(guò)水質(zhì)化驗(yàn)結(jié)果對(duì)比和含水層水位在突水前后的變化情況是準(zhǔn)確確定巷道突水水源的最重要的辦法，并依此為依據(jù)制定合理的治理方法。

(2)通過(guò)對(duì)1313工作面突水點(diǎn)周圍老鉆孔資料和斷層發(fā)育情況進(jìn)行分析，否定了鉆孔、斷層構(gòu)造導(dǎo)致突水的可能性。認(rèn)真排查工作面內(nèi)及其附近老鉆孔封孔情況和斷層發(fā)育情況，是確定導(dǎo)水通道的主要方法。

(3)通過(guò)1#孔鉆進(jìn)過(guò)程中漿液漏失，注漿時(shí)吸漿量大、先期注漿孔口閥門(mén)監(jiān)測(cè)到負(fù)壓，說(shuō)明突水通道暢通、裂隙范圍較大，這些都符合陷落柱出水通道的特征；根據(jù)1#孔漿液漏失注漿時(shí)漏點(diǎn)的吸漿特征，說(shuō)明陷落柱位于鉆孔軌跡附近。

(4)奧灰含水層在該區(qū)內(nèi)局部發(fā)育良好的巖溶水通道，具有水壓高、埋深大、在一定范圍內(nèi)補(bǔ)給強(qiáng)的特點(diǎn)，由于此隱伏陷落柱的存在，使得3煤層與奧灰含水層的隔水層變薄，難以阻隔奧灰水強(qiáng)大的水頭壓力，在此作用下，奧灰承壓水在高水頭壓力的作用下，直接涌入巷道，成為本礦井也是絕大多數(shù)被淹礦井的主要水源。

綜合以上資料分析，該礦井1313工作面突水通道為隱伏的陷落柱。1313工作面突水的主要通道是突水點(diǎn)下方存在隱伏的陷落柱，它的存在縮小了工作面煤層底板的有效隔水厚度，在礦井地層壓力、水頭壓力及采煤對(duì)陷落柱構(gòu)造的擾動(dòng)等共同作用下，奧灰水沖破煤層底板而造成的礦井突水。