基于斷層封閉性的導(dǎo)水性評(píng)價(jià)及防隔水煤柱設(shè)計(jì)

李光輝，王 杰，謝道雷，魏久傳，劉 鵬

(1.山東科技大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266590；2.山東能源新汶礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，山東 泰安 271200；3.山東能源臨沂礦集團(tuán)王樓煤礦，山東 濟(jì)寧 273500)

我國是世界上煤炭產(chǎn)量最高的國家，但我國煤田地質(zhì)類型較多，構(gòu)造復(fù)雜，由于礦井突水隱蔽導(dǎo)致的災(zāi)害因素與機(jī)理多樣性較多[1]，因此我國也是世界上受礦井水害威脅最嚴(yán)重的國家之一。礦井水害不僅影響礦井正常生產(chǎn)，而且礦井突水時(shí)有可能淹沒采礦區(qū)，造成重大人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失[2-6]。礦井水害的發(fā)生主要有兩個(gè)條件：一是突水水源；二是突水通道[7]。其中，斷層作為地下水中的一個(gè)重要導(dǎo)水通道，可使不同含水層之間發(fā)生地下水聯(lián)系，輕可導(dǎo)致礦井涌水量增大，重則引發(fā)突水事故[8-10]。因此，對于近斷層的煤層開采需要留設(shè)防隔水煤巖柱，但是確定防隔水煤巖柱留設(shè)寬度需要對斷層的導(dǎo)水性進(jìn)行分析。目前，對于斷層導(dǎo)水性的分析主要采用抽(放)水試驗(yàn)、聯(lián)通試驗(yàn)、滲流場分析等方法，或采用鉆探、物探(主要是電法、電磁法)等手段進(jìn)行探查。但這些方法和手段具有一定的局限性，僅對斷層(特別是大斷層)的某一地段有效果，不能從整體上把握斷層的導(dǎo)水性。分析斷層的導(dǎo)水性具有一定難度，尤其對于具有一定規(guī)模的斷層，無論在垂向上還是橫向上，其導(dǎo)水性都是不斷變化的，簡單認(rèn)定某斷層是導(dǎo)水?dāng)鄬踊蛘卟粚?dǎo)水?dāng)鄬邮遣缓侠淼?。在油氣勘探中，對斷層的封閉性研究較多，其中巖性并置法和SGR斷層泥比率法可以直觀反映出斷層上下盤巖性的對接關(guān)系，了解斷層在側(cè)向上對油氣的阻隔性能，而且成圖與計(jì)算時(shí)間短，常用于斷層的側(cè)向封閉性評(píng)價(jià)[11]，用斷面正壓力判定來評(píng)價(jià)斷層的垂向封閉性[12]。鑒于斷層的導(dǎo)水性與封閉性具有密切聯(lián)系，斷層的封閉性越好，說明其阻隔能力越好，即該斷層對于水的導(dǎo)通性越差；反之?dāng)鄬拥姆忾]性越差，該斷層對水的導(dǎo)通性就越好。因此對煤系斷層導(dǎo)水性的評(píng)價(jià)可以借鑒對斷層封閉性研究的理論和方法，探索出一種通過分析斷層封閉性進(jìn)而綜合評(píng)價(jià)斷層導(dǎo)水性的方法。

王樓煤礦自建井以來一直受礦井涌水影響，平均涌水量為800 m3/h，其中涌水量較大的有11301工作面、11303工作面、11305工作面，這3個(gè)工作面由于受到劉官屯斷層的影響，最大涌水量達(dá)到450 m3/h。礦井排水系統(tǒng)被多次改造，排水設(shè)備高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，防治水壓力較大。由于劉官屯斷層在井田內(nèi)延伸較長，導(dǎo)致斷層不同部位的含水性和導(dǎo)水性存在差異。因此本文通過對劉官屯斷層的封閉性在側(cè)向和垂向兩個(gè)方向進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，進(jìn)而判斷該斷層的導(dǎo)水性，并使用公式法和經(jīng)驗(yàn)法為該斷層留設(shè)合理寬度的防隔水煤巖柱。實(shí)現(xiàn)27309工作面煤層的安全開采，對王樓煤礦后續(xù)的其他工作面安全生產(chǎn)有重要的借鑒意義。

1 工程概況

1.1 井田概況

王樓井田位于濟(jì)寧煤田以南，形狀不規(guī)則，東西長8.7～13.2 km，南北寬3.4～7.9 km，面積66.585 km2，井田開采深度-1 200～200 m，水文地質(zhì)類型為復(fù)雜型。區(qū)內(nèi)地層自下而上依次為：奧陶系中下統(tǒng)、石炭系、二疊系、侏羅系上統(tǒng)、第四系。主要含煤地層為下二疊統(tǒng)山西組和上二疊統(tǒng)至石炭統(tǒng)太原組。目前礦井主采山西組3上煤層，該煤層厚度較大，賦存情況穩(wěn)定。3上煤層采用上行開采，采煤方法為走向長壁后退式采煤法，采煤工藝為綜合機(jī)械化采煤，全部跨落法管理頂板。 井田內(nèi)主要含水層自上而下有：第四系孔隙含水層、侏羅上統(tǒng)砂礫巖裂隙含水層、山西組3上煤層頂板、底板砂巖裂隙含水層、太原組三灰?guī)r溶裂隙含水層、太原組十下灰灰?guī)r巖溶裂隙含水層、奧陶紀(jì)石灰?guī)r巖溶裂隙含水層。

1.2 研究區(qū)概況

劉官屯正斷層位于王樓井田東部。走向NW～NNW，傾向SW～SWW，傾角75°，斷層最大高差為50 m，井田內(nèi)延展長度為2.24 km，該斷層錯(cuò)斷侏羅系、二疊系以下全部煤層，屬查明斷層。劉官屯斷層橫穿一采區(qū)、二采區(qū)、七采區(qū)，因此根據(jù)采區(qū)把該斷層分為上段、中段、下段。本文以劉官屯斷層上段為研究區(qū)，27309工作面位于劉官屯斷層的上段下盤位置(圖1)，該工作面煤層厚2.8 m，主要的水害威脅為3煤層頂?shù)装迳皫r水和斷層水。

圖1 研究區(qū)示意圖

2 斷層含水性、導(dǎo)水性分析評(píng)價(jià)

對于劉官屯斷層是否為導(dǎo)水?dāng)鄬雨P(guān)系到是否需要留設(shè)斷層防隔水煤柱，同時(shí)影響該工作面的安全高效生產(chǎn)。如果劉官屯斷層為導(dǎo)水?dāng)鄬?，但未采取措施而使井巷工程直接穿過，會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難性后果[13]；但如果劉官屯斷層為不導(dǎo)水?dāng)鄬樱划?dāng)作導(dǎo)水?dāng)鄬犹幚?，勢必?huì)留設(shè)大量防隔水煤柱，導(dǎo)致工作面無法正常開采。本文從側(cè)向?qū)院痛瓜驅(qū)詢煞矫婢C合評(píng)價(jià)劉官屯斷層的導(dǎo)水性，分析斷層兩側(cè)含水層之間的水力聯(lián)系和斷層一側(cè)或兩側(cè)不同高程的含水層之間通過斷層(帶)之間的水力聯(lián)系。

2.1 側(cè)向?qū)栽u(píng)價(jià)

斷層的側(cè)向?qū)匀Q于斷層帶兩盤含水層對接關(guān)系和斷層帶自身的透水性，可以以斷層帶泥質(zhì)充填程度為依據(jù)。

2.1.1 巖性并置圖法

巖性并置圖是評(píng)價(jià)斷層側(cè)向封閉性的基礎(chǔ)。在研究流體的砂巖地層時(shí)，砂巖視為滲透性地層，泥巖視為非滲透性地層，封堵程度用砂泥對接概率表示。斷層會(huì)導(dǎo)致地層層位錯(cuò)斷，當(dāng)滲透性地層被非滲透性地層封堵時(shí)，封堵程度越高，斷層在研究段側(cè)向封閉性越好，這種封閉性是由于不同巖性地層對接產(chǎn)生的。所以通過計(jì)算砂泥對接概率來評(píng)價(jià)斷層側(cè)向封閉性時(shí)，若砂泥對接概率高則研究層段內(nèi)砂巖大部分被泥巖封堵，說明斷層在該段側(cè)向封閉性好，進(jìn)而說明其側(cè)向?qū)圆睢Ｍㄟ^繪制劉官屯斷層上段斷面附近的上盤地層巖性圖(圖2)和劉官屯斷層上段斷面附近的下盤地層巖性圖(圖3)，以及上盤巖性圖與下盤巖性圖疊加得到的劉官屯斷層上段巖性并置圖(圖4)，根據(jù)圖4中砂巖層對接區(qū)域面積占總區(qū)域面積的大小來計(jì)算砂泥對接概率，進(jìn)而評(píng)價(jià)斷層側(cè)向?qū)?表1)。結(jié)果表明，砂泥對接概率越高，導(dǎo)水性越好；對接概率越低，導(dǎo)水性越差[14]。

表1 斷層側(cè)向?qū)潭确旨?jí)表

圖2 劉官屯斷層上段上盤地層巖性圖

圖3 劉官屯斷層上段下盤地層巖性圖

圖4 劉官屯斷層上段巖性并置圖

圖5 SGR計(jì)算模型圖

由圖4可知，該斷層砂-砂巖對接窗口幾乎不發(fā)育，其中砂-砂對接比例占區(qū)域的11.47%，砂-砂巖對接概率較低，根據(jù)表1的分類標(biāo)準(zhǔn)可以評(píng)價(jià)該斷層側(cè)向?qū)圆睢?/p>

2.1.2 斷層泥比率法(SGR)

斷層泥比率法(SGR)是定量評(píng)價(jià)斷層側(cè)向封閉性的一種方法，由YIELDING等[15]提出。斷層巖內(nèi)的泥質(zhì)含量基本決定了斷層巖能否起到封閉的作用，利用SGR算法預(yù)測斷層帶的泥質(zhì)含量，計(jì)算滑過斷層每點(diǎn)巖層的泥質(zhì)含量(圖5)，計(jì)算見式(1)。

SGR=∑(Vsh×ΔZ)/D×100%

(1)

式中：ΔZ為斷移地層帶厚度，m；Vsh為斷移地層帶泥質(zhì)百分含量，%；D為斷層的斷距，m。

SGR算法中假設(shè)斷裂帶內(nèi)形成的斷層泥是滑動(dòng)段內(nèi)的圍巖以相同比例混合而成。通過SGR算法可以直接計(jì)算出由于斷裂作用的機(jī)械過程所形成斷裂帶內(nèi)的物質(zhì)成分，從而對斷層巖進(jìn)行分類。當(dāng)SGR<15%時(shí)，斷層巖為碎裂巖；當(dāng)SGR>40%時(shí)，斷層巖為泥巖涂抹；當(dāng)15%15%時(shí)斷層導(dǎo)水性較差。

基于圖4的斷層巖性并置圖，再結(jié)合斷層泥比率SGR算法，根據(jù)式(1)計(jì)算圖4中斷層從上到下每點(diǎn)的SGR值，得到劉官屯斷層上段巖性并置圖及SGR關(guān)系圖(圖6)，進(jìn)而綜合評(píng)價(jià)斷層側(cè)向?qū)浴?/p>

圖6 劉官屯斷層上段巖性并置與SGR值關(guān)系

由圖6可知，劉官屯斷層上段整體SGR值普遍大于70%，主要集中在75%以上，砂-砂對接區(qū)SGR值普遍較大，最大達(dá)到80%以上，會(huì)出現(xiàn)較強(qiáng)連續(xù)的泥巖涂抹，所以斷層的側(cè)向封閉性較好，因此劉官屯斷層上段綜合側(cè)向?qū)暂^差。

2.2 垂向?qū)栽u(píng)價(jià)

2.2.1 泥巖塑性變形分析

斷層垂向?qū)孕枰紤]斷裂帶的泥質(zhì)成分能否發(fā)生塑性變形從而流動(dòng)堵塞裂隙。能否發(fā)生塑性變形需計(jì)算斷面正壓力。當(dāng)斷層面(帶)壓力達(dá)到或超過5 MPa時(shí)，斷裂帶中的泥巖會(huì)發(fā)生塑性變形，流動(dòng)堵塞裂縫[17]，斷層垂向?qū)匀酢?/p>

2.2.2 水巖應(yīng)力作用分析

斷面壓力與水壓共同作用影響斷層的垂向?qū)?，?dāng)水壓大于斷面壓力時(shí)，水壓使斷裂面有張開趨勢，此時(shí)斷層垂向?qū)茫划?dāng)斷面壓力大于水壓時(shí)，水壓不足以使斷裂面張開，此時(shí)斷層垂向?qū)睢?/p>

2.2.3 垂向?qū)跃C合評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

當(dāng)斷面壓力同時(shí)小于水壓和泥巖塑性變形強(qiáng)度(5 MPa)時(shí)，將垂向?qū)远x為好；當(dāng)斷面壓力小于水壓和泥巖塑性變形強(qiáng)度(5 MPa)其中任意一個(gè)因素時(shí)，將垂向?qū)远x為中等；當(dāng)斷面壓力同時(shí)大于水壓和泥巖塑性變形強(qiáng)度(5 MPa)時(shí)，將垂向?qū)远x為差。

由于要開采的27309工作面位于劉官屯斷層上段的下盤，該處煤層受水害威脅的主要含水層為頂部的侏羅系砂巖裂隙含水層，因此，斷層是否導(dǎo)通侏羅系砂巖裂隙含水層對礦井的安全影響最大，所以本文評(píng)價(jià)的斷層垂向?qū)砸詳鄬邮欠駥?dǎo)通侏羅系砂巖裂隙含水層為標(biāo)準(zhǔn)，在開采煤層工作面附近斷層處所受的水壓即為侏羅系砂巖裂隙含水層在該處的水頭壓力，斷面正壓力(圖7)計(jì)算見式(2)。

P=Z(ρr-ρw)cosα+σsinαsinβ

(2)

式中：P為斷層面所受正壓力，MPa；Z為斷層面埋深，m：取斷層附近3煤層底板埋深為-1 067 m；ρr為上覆地層平均密度，kg/cm3，依據(jù)該礦井巖石物理力學(xué)試驗(yàn)數(shù)據(jù)取值0.002 7 kg/cm3；ρw為地層水密度，kg/cm3，取值0.001 kg/cm3；σ為區(qū)域主壓應(yīng)力，MPa，依據(jù)該礦井地應(yīng)力測試結(jié)果取14.75 MPa，方位角取174.5°；α為斷層面傾角，(°)，取值75°；β為σ與斷層走向夾角，(°)，取值32°。

圖7 斷層面受力分析示意圖

根據(jù)式(2)可求得斷層面正壓力P=7.09 MPa，大于泥質(zhì)巖的塑性極限5 MPa，但是小于3煤層底板水頭壓力8.46 MPa，所以劉官屯斷層垂向?qū)灾械取?/p>

2.3 綜合評(píng)價(jià)

劉官屯斷層上段垂向?qū)灾械龋瑐?cè)向?qū)圆?，說明該斷層兩側(cè)含水層的聯(lián)系通道不發(fā)育，但是斷層一側(cè)或兩側(cè)不同高程的含水層的水力聯(lián)系較好，斷層的封閉性較差。所以綜合判定該斷層具有一定導(dǎo)水性，需要計(jì)算并留設(shè)足夠?qū)挾鹊姆栏羲簬r柱。

3 劉官屯斷層防隔水煤柱留設(shè)

結(jié)合劉官屯斷層的實(shí)際發(fā)育情況、斷層含、導(dǎo)水性分析的綜合評(píng)價(jià)，采用公式法和經(jīng)驗(yàn)法來確定該斷層留設(shè)防隔水煤巖柱的最佳安全寬度。最大限度保證要開采的27309工作面既不導(dǎo)水，又能最大限度地回采煤炭資源。

3.1 斷層防隔水煤巖柱公式計(jì)算

根據(jù)《煤礦防治水細(xì)則》[18]，煤層與強(qiáng)含水層或?qū)當(dāng)鄬咏佑|，并局部被覆蓋，且含水層頂面高于最高導(dǎo)水裂縫帶上限，因此劉官屯斷層防隔水煤巖柱按式(3)計(jì)算。

L=Hacscθ+HLcotθ+HLcotα

(3)

式中：L為防隔水煤巖柱寬度，m；HL為最大導(dǎo)水裂縫帶高度，m；θ為斷層傾角，(°)；α為巖層塌陷角，(°)；Ha為斷層安全防隔水煤(巖)柱的寬度，m。

由于王樓井田沒有實(shí)際的突水系數(shù)資料，因此Ha值按式(4)計(jì)算。

(4)

式中：P為防隔水煤巖柱所承受的靜水壓力，MPa；Ts為臨界突水系數(shù)，MPa/m。

根據(jù)王樓礦井資料P取值8.46 MPa，Ts值取0.10 MPa/m，斷層傾角θ取75°，巖層塌陷角α為65°，最大導(dǎo)水裂縫帶高度HL取40 m。計(jì)算過程見式(5)和式(6)，可得劉官屯斷層防隔水煤巖柱寬度為127.3 m。

(5)

LTs=0.1=L1+L2+L3=

Hacscθ+HLcotθ+HLcotα=127.3 m

(6)

3.2 斷層防隔水煤巖柱經(jīng)驗(yàn)判斷

劉官屯斷層作為采區(qū)分界線，斷層附近已開采結(jié)束的工作面有11301工作面、11303工作面、11305工作面、12303工作面、12305工作面、12307工作面和13302工作面等，部分工作面出水情況見表2。

表2 工作面參數(shù)及涌水特點(diǎn)統(tǒng)計(jì)表

由表2可知，12303工作面、12305工作面、12307工作面和13302工作面均對劉官屯斷層留設(shè)了140 m的防隔水煤巖柱，回采過程中水量較小，而一采區(qū)出水較大的工作面均對斷層留設(shè)了50 m的防隔水煤巖柱，特別是11305工作面，回采過程中最大出水量達(dá)450 m3/h，造成了掩面事故，分析為采動(dòng)后劉官屯斷層及其次生斷層、裂隙導(dǎo)通上部侏羅系砂巖含水層，致使涌水增加。根據(jù)以上工作面開采經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)來看，留設(shè)小于140 m斷層防隔水煤巖柱的劉官屯斷層都出現(xiàn)了不同程度的出水，大于140 m斷層的防隔水煤柱斷層基本不出水，可以達(dá)到安全開采。

3.3 綜合確定

結(jié)合以上2種方法的結(jié)果，劉官屯斷層防隔水煤巖柱需要留設(shè)至少140 m才能保證該斷層下盤27309工作面煤層的安全高效開采。

4 結(jié) 論

1) 提出了一種根據(jù)斷層封閉性推導(dǎo)評(píng)價(jià)斷層導(dǎo)水性的方法。通過巖性并置圖和斷層泥比率兩種方法確定出劉官屯斷層上段側(cè)向?qū)圆?，通過比較泥質(zhì)巖的塑性極限、含水層水壓與斷層正壓力的相對大小分析出劉官屯斷層上段的垂向?qū)灾械?，從垂向和?cè)向兩個(gè)方面判斷出劉官屯斷層上段封閉性較差，具有一定的導(dǎo)水性，為下一步留設(shè)斷層防隔水煤巖柱提供依據(jù)。

2) 通過公式法和經(jīng)驗(yàn)法，結(jié)合以往工作面出水情況，綜合確定該斷層下盤至少需要留設(shè)140 m防隔水煤巖柱才能保證下盤27309工作面的安全高效開采，為受該斷層影響下的其他工作面開采提供了安全指導(dǎo)。