峰峰礦區(qū)突水類型劃分及突水模式

劉 博，關(guān)永強(qiáng)，孫玉壯，張會(huì)松，邊 凱

（1.河北工程大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，河北邯鄲 056038；2.冀中能源峰峰集團(tuán)有限公司，河北邯鄲 056011）

我國(guó)煤田經(jīng)過1 個(gè)多世紀(jì)的開采，煤炭開采逐步進(jìn)入煤田深部開采時(shí)代，尤其華北型煤田，礦井大都已開采至距奧陶系含水層較近的下組煤，因?qū)畼?gòu)造復(fù)雜、發(fā)育且隱伏性高，局部地段突水危險(xiǎn)性日益增大[1]。

針對(duì)深部煤層開采突水問題的復(fù)雜性，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者在礦井水害類型、突水類型、突水模式和突水機(jī)理等方面進(jìn)行一系列的研究，取得了大量卓有成效的成果。在水害類型研究方面，武強(qiáng)等[2]在構(gòu)建礦井水害分類依據(jù)的基礎(chǔ)上，對(duì)礦井水害類型進(jìn)行了系統(tǒng)地劃分，并重點(diǎn)分析了主要類型礦井水害的成災(zāi)機(jī)制和典型特征；侯憲港等[3]在總結(jié)山西省典型老空水案例的基礎(chǔ)上，以采掘空間與老空水的相對(duì)位置關(guān)系為依據(jù)將老空水害劃分了4 大類，并提出了各類老空水害的水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)模式。

在突水類型研究方面，蘇昌等[4]結(jié)合突水段巖溶發(fā)育特征、地下水賦存規(guī)律、地下水運(yùn)移及動(dòng)態(tài)變化特征，將突水段巖溶特征分為均質(zhì)碳酸鹽巖、可溶巖與局部非可溶巖接觸帶巖溶2 種類型；杜鋒等[5]將西部礦區(qū)突水潰沙主要類型分為切落裂縫型、垮落型、鉆孔誘發(fā)型3 類，并從多空介質(zhì)孔隙度、破碎巖石粒徑、沙粒粒徑3 個(gè)方面對(duì)突水潰沙的機(jī)理進(jìn)行了研究。在突水模式研究方面，郭惟嘉等[6]基于不同地質(zhì)構(gòu)造受采動(dòng)影響特征及其誘發(fā)煤層底板突水機(jī)理，將深部開采底板突水災(zāi)變模式劃分為完整底板裂隙擴(kuò)展型、原生通道導(dǎo)通型和隱伏構(gòu)造滑剪型3 種類型；尹尚先等[7]按照陷落柱與回采工作面或巷道的位置關(guān)系，將其突水模式分為正常巖層底板突水模式、斷層裂隙帶突水模式、陷落柱突水模式，并針對(duì)不同模式分析了突水機(jī)理。與此同時(shí)，許多學(xué)者對(duì)煤礦突水機(jī)理進(jìn)行了一系列的研究探索，取得了大量的有益研究成果[8-17]。

目前，學(xué)者們?cè)诜治雒旱V突水機(jī)理時(shí)往往根據(jù)突水構(gòu)造存在形式、采掘空間與突水水源的空間位置等因素對(duì)礦井水害類型、突水類型和突水模式進(jìn)行了劃分和歸納，但具體到1 個(gè)礦區(qū)，并結(jié)合其典型突水案例，對(duì)其突水類型、模式和致災(zāi)機(jī)理的研究較少。然而深部煤層開采突水問題，不僅僅是采礦工程在特定的多相（流、固、氣等）和多場(chǎng)（溫度場(chǎng)、滲流場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)等）耦合的復(fù)雜水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)，以及高承壓水和強(qiáng)烈開采擾動(dòng)綜合影響下所發(fā)生的巖體水力學(xué)問題，更應(yīng)該結(jié)合具體礦區(qū)的典型突水案例，系統(tǒng)地總結(jié)致災(zāi)成因的多種因素，多角度地分析突水機(jī)理。

基于此，在分析峰峰礦區(qū)歷年72 次突水案例的基礎(chǔ)上，根據(jù)突水水源的補(bǔ)給來源、開采煤層與突水含水層及通道的空間位置關(guān)系，單因素地將峰峰礦區(qū)突水類型劃分為7 個(gè)大類、28 個(gè)亞類、50 個(gè)細(xì)類；同時(shí)，系統(tǒng)地總結(jié)了致災(zāi)成因的多種因素，多角度分析了突水的表現(xiàn)形式，歸納了9 種突水模式，并結(jié)合典型的突水案例，闡明了其突水模式的主要特征和機(jī)理。

1 礦區(qū)概況

1.1 地理位置和地層

1）地理位置。峰峰礦區(qū)位于河北省邯鄲市的西南部，距邯鄲市中心34.5 km。礦區(qū)北起南洺河、鼓山北部拐頭山，南至水治，西鄰太行山，東為華北平原，地理坐標(biāo)為北緯36°20′～36°34′，東經(jīng)114°3′～114°16′之間。峰峰礦區(qū)總面積約850 km2，地理位置優(yōu)越，交通十分便利。

2）地層。峰峰礦區(qū)地表大部分被0～40 m 厚的第四系松散沉積層所覆蓋，區(qū)內(nèi)基巖出露較少[18]。與礦區(qū)內(nèi)采煤、防治礦井水等過程密切相關(guān)的地層主要為奧陶系中統(tǒng)、石炭系、二疊系、三疊系和第四系地層。峰峰礦區(qū)地層綜合柱狀圖如圖1。

圖1 峰峰礦區(qū)地層綜合柱狀圖Fig.1 Comprehensive histogram of strata in Fengfeng Mining Area

1.2 礦井和突水概況

1）礦井概況。峰峰礦區(qū)范圍內(nèi)現(xiàn)有10 對(duì)生產(chǎn)礦井，其中梧桐莊礦、新屯礦、九龍礦和辛安礦4 對(duì)極復(fù)雜型礦井，孫莊礦、羊東礦、大社礦3 對(duì)復(fù)雜型礦井，大淑村礦、牛兒莊礦、萬年礦3 對(duì)中等型礦井，峰峰礦區(qū)各礦井分布示意圖如圖2。

圖2 峰峰礦區(qū)各礦井分布示意圖Fig.2 Distribution diagram of each mine in Fengfeng Mining Area

2）突水概況。1966—2019 年間，峰峰礦區(qū)發(fā)生突水事故72 次，其中60 次由太原組薄層灰?guī)r水和奧陶系灰?guī)r水所致，5 次為老空水所致，4 次由煤層頂板砂巖水所致，3 次因地表水灌入造成淹井。礦區(qū)突水量最大的突水事故是1995 年12 月3 日梧桐莊礦奧灰水突水，突水量34 000 m3/h，造成具大的經(jīng)濟(jì)損失和17 人的傷亡。綜觀72 次突水案例，主要突水水源為老空水、頂板砂巖水、太原組薄層灰?guī)r水和奧陶系灰?guī)r水，其中奧灰水占突水水源的31.9%；主要突水通道為斷層、陷落柱、采空區(qū)、巷道、采煤引起的頂、底板導(dǎo)水裂隙和封閉不良鉆孔等。

2 峰峰礦區(qū)突水類型

在分析峰峰礦區(qū)歷年72 次突水案例的基礎(chǔ)上，單因素地對(duì)突水類型進(jìn)行了劃分。首先，總體上根據(jù)突水水源的補(bǔ)給來源、開采煤層與突水含水層及通道的空間位置關(guān)系，將突水類型劃分為7 個(gè)大類，即：大氣降水突水、地表水突水、地下水突水、頂板突水、底板突水、貫通型突水、老空水突水；在細(xì)類中結(jié)合不同的降水程度、水體特征、空間組合、位置關(guān)系、水力特征進(jìn)一步細(xì)分，最后再結(jié)合突水量的大小、危害形式、經(jīng)濟(jì)損失、人員傷亡及時(shí)效特征劃分的峰峰礦區(qū)突水類型，峰峰礦區(qū)突水類型劃分表見表1。

表1 峰峰礦區(qū)突水類型劃分表Table 1 Water inrush type classification table in Fengfeng Mining Area

3 峰峰礦區(qū)突水模式

通過對(duì)峰峰礦區(qū)突水事故的整理和分析，根據(jù)峰峰礦區(qū)2011—2019 年生產(chǎn)礦井的水文地質(zhì)報(bào)告、礦井水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)、開采方式、突水類型等資料，多角度綜合了突水的致災(zāi)因素和表現(xiàn)形式，對(duì)峰峰礦區(qū)突水模式進(jìn)行了歸納。其主要突水模式有：非法越層開采突水模式、隱伏微型陷落柱突水模式、復(fù)合構(gòu)造突水模式、貫穿斷層突水模式、隔水層原生裂隙擴(kuò)展突水模式、工作面外圍補(bǔ)給突水模式、頂板裂隙擴(kuò)展突水模式、底板垂向裂隙擴(kuò)展突水模式、大氣降水集中潰入突水模式等。

3.1 非法越層開采突水模式

非法越層開采突水模式是指峰峰礦區(qū)內(nèi)部分小煤礦無視國(guó)家法律，開采無序、越層越界、亂挖亂掘，甚至開采防水煤柱和礦井邊界煤柱，從而引發(fā)煤礦水害的發(fā)生。峰峰礦區(qū)內(nèi)分布數(shù)10 個(gè)小煤礦，小煤礦在生產(chǎn)期間開采獲得批準(zhǔn)的2#、4#邊角煤，但大部分小煤礦不僅僅滿足于開采上組煤，甚至開采受奧灰水威脅極大的下組煤。部分小煤礦與主要開采礦井相連通，其采空區(qū)分布范圍、積水范圍、積水量和水頭壓力，以及與其它水源的聯(lián)系等情況無法實(shí)測(cè)和調(diào)研，一旦發(fā)生突水事故，大青水、奧灰水等通過采空區(qū)潰入主要開采礦井，水大勢(shì)急矸屑俱下，給主要生產(chǎn)礦井的水害防治造成了極大的困難。牛兒莊特大突水事故[18]是典型的永順小煤礦非法越層開采下組煤，導(dǎo)致奧灰水進(jìn)入該礦主副井筒，沿采空區(qū)從上而下潰入牛兒莊礦井，最終導(dǎo)致牛兒莊礦井被淹沒，非法越層開采突水模式圖如圖3。

圖3 非法越層開采突水模式圖Fig.3 Water inrush mode of illegal cross layer mining

3.2 隱伏微型陷落柱突水模式

隱伏微型陷落柱突水模式是指峰峰礦區(qū)礦井在開采煤層過程中，意外揭露或后期鉆探治理中，發(fā)現(xiàn)突水通道為隱伏微型陷落柱的突水事故。峰峰礦區(qū)內(nèi)存在許多陷落柱，根據(jù)區(qū)域礦井多年開采的資料，已形成礦區(qū)內(nèi)陷落柱體型大、基本不導(dǎo)水的傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)認(rèn)識(shí)，而九龍礦15423N 工作面隱伏微型陷落柱突水通道的發(fā)現(xiàn)，突破和顛覆了傳統(tǒng)的水文地質(zhì)條件認(rèn)識(shí)，深部陷落柱體積小，隱伏性高，運(yùn)用物理勘探手段很難發(fā)現(xiàn)其蹤跡，在高承壓水和強(qiáng)烈的開采擾動(dòng)作用下，可成為奧灰含水層補(bǔ)給野青灰?guī)r含水層良好的突水通道[19]?！霸粡埩押土阄黄茐摹崩碚揫20]在九龍礦15423N 工作面突水的過程及機(jī)理中得到了很好的體現(xiàn)。隱伏微型陷落柱突水模式圖如圖4。

圖4 隱伏微型陷落柱突水模式圖Fig.4 Water inrush model of hidden micro collapse column

3.3 復(fù)合構(gòu)造突水模式

復(fù)合構(gòu)造突水模式是指峰峰礦區(qū)礦井在發(fā)生突水事故時(shí)，其突水通道不僅僅為單一的構(gòu)造組成，而是由多種復(fù)合構(gòu)造構(gòu)成。峰峰礦區(qū)內(nèi)存在大量的斷層和陷落柱，這些斷層和陷落柱貫穿煤層或隱伏于煤層之下，在強(qiáng)烈的開采擾動(dòng)和高承壓水的聯(lián)合作用下，斷層、陷落柱和采動(dòng)裂隙相聯(lián)通，形成良好的突水通道。突水通道為隱伏陷落柱+隱伏斷層+采動(dòng)裂隙的辛安礦112106 工作面突水是典型的復(fù)合構(gòu)造突水模式。辛安礦112106 工作面在回采2#煤時(shí)，在采動(dòng)應(yīng)力和高水壓的綜合作用下，隱伏陷落柱頂端的裂隙突破完整巖層帶與工作面底板礦壓破壞帶裂隙貫通形成良好的集中突水通道，從而引發(fā)采空區(qū)底板滯后突水，復(fù)合構(gòu)造突水模式圖如圖5。

圖5 復(fù)合構(gòu)造突水模式圖Fig.5 Water inrush model of composite structure

3.4 貫穿斷層突水模式

貫穿斷層突水模式是指峰峰礦區(qū)內(nèi)礦井在發(fā)生突水事故時(shí)，其突水通道為貫穿煤層的斷層。在深部煤層開采過程中，不可避免地接近或揭露未探明的斷層構(gòu)造，導(dǎo)致斷層破碎帶不斷擴(kuò)展與工作面采空區(qū)礦壓破壞帶相連通或處于準(zhǔn)連通狀態(tài)，進(jìn)一步的開采擾動(dòng)不僅造成斷層帶附近巖體破壞，還使巖體內(nèi)局部的地應(yīng)力得到釋放，會(huì)誘發(fā)底板承壓水瞬間沖破隔水關(guān)鍵層，從而引發(fā)突水事故。辛安礦112124 掘進(jìn)工作面突水通道為1 條走向?yàn)镹E10°、傾向NW、落差近120 m 的貫穿斷層F55-1，落差為120 m F55-1貫穿斷層的存在，將7.9 MPa 的奧灰承壓水作用在底板隔水層的距離縮短了110 m。在強(qiáng)烈的開采擾動(dòng)和高承壓水的聯(lián)合作用下，112124 工作面運(yùn)輸巷掘進(jìn)期間高壓奧灰水突破煤層底板完整巖層帶，從而發(fā)生底板奧灰特大突水災(zāi)害，貫穿斷層突水模式圖如圖6。

圖6 貫穿斷層突水模式圖Fig.6 Water inrush model of through fault

3.5 隔水層原生裂隙擴(kuò)展型突水模式

隔水層原生裂隙擴(kuò)展型突水模式是指煤層隔水層存在許多原生裂隙，減小了隔水層的有效厚度和阻水能力，縮短了高承壓原始導(dǎo)升帶與礦壓破壞帶距離。與開采淺層上組煤不同，深部煤層開采產(chǎn)生的原生裂隙在高承壓水的壓裂擴(kuò)容作用下更易擴(kuò)展。同時(shí)，在開采擾動(dòng)和高地應(yīng)力作用下原生裂隙周圍不斷產(chǎn)生翼狀等次生裂隙，形成局部化剪切貫穿斷裂帶。由于高承壓水流楔劈、沖刷、軟化和壓裂擴(kuò)容的相互作用、相互促進(jìn)，隔水層原生裂隙沿最薄弱的方向進(jìn)一步擴(kuò)展，與周圍的剪切貫穿斷裂帶逐步溝通，形成更大范圍的破壞帶，并最終突破完整巖層帶與礦壓破壞帶相連，形成良好的突水通道并導(dǎo)致突水事故的發(fā)生[21]。九龍礦15252N 工作面底板隔水層原生裂隙較發(fā)育，在強(qiáng)烈的開采擾動(dòng)、礦壓和高壓奧灰水的聯(lián)合作用下，致使15252N 工作面回采2#煤層期間高壓奧灰水突破巷道煤層底板完整巖層帶，發(fā)生底板奧灰特大突水災(zāi)害，隔水層原生裂隙擴(kuò)展型突水模式圖如圖7。

圖7 隔水層原生裂隙擴(kuò)展型突水模式圖Fig.7 Water inrush model of original fracture expansion in aquiclude

3.6 工作面外圍遠(yuǎn)程補(bǔ)給突水模式

工作面外圍遠(yuǎn)程補(bǔ)給突水模式是指采前對(duì)工作面進(jìn)行了地面區(qū)域治理和區(qū)域注漿改造，增強(qiáng)了工作面底板隔水層的抗壓強(qiáng)度和有效厚度，降低了底板主要含水層突水的幾率和突水程度。但加固的范圍有限，未擴(kuò)大到工作面外圍，若工作面外圍存在斷層相交、向斜軸部垂向裂隙等導(dǎo)水構(gòu)造，在礦壓和高承壓水的作用下，大青與奧灰含水層通過導(dǎo)水構(gòu)造遠(yuǎn)程側(cè)向補(bǔ)給工作面下伏的含水層，從而導(dǎo)致突水事故的發(fā)生。

梧桐莊礦182602 工作面外側(cè)存在導(dǎo)水構(gòu)造鐘離村向斜，向斜軸部密集斷裂帶成為工作面外圍奧灰含水層遠(yuǎn)程側(cè)向補(bǔ)給2#工作面下方野青含水層的天然通道，受強(qiáng)烈的開采擾動(dòng)及高地應(yīng)力的作用，密集斷裂帶進(jìn)一步擴(kuò)展、貫通、并產(chǎn)生新的裂隙破壞帶，在下部高承壓奧灰水流楔劈、沖刷及擴(kuò)容作用下，突水通道越來越暢通，工作面外側(cè)的奧灰含水層遠(yuǎn)程補(bǔ)給野青含水層的水量大幅度增加，隨著時(shí)間推移突水通道進(jìn)一步擴(kuò)大，最終導(dǎo)致工作面外側(cè)奧灰水的直接突出，從而造成較大的底板奧灰突水事故，工作面外圍遠(yuǎn)程補(bǔ)給突水模式圖如圖8。

圖8 工作面外圍遠(yuǎn)程補(bǔ)給突水模式圖Fig.8 Water inrush mode of remote recharge around working face

3.7 頂板裂隙擴(kuò)展突水模式

頂板裂隙擴(kuò)展型突水模式是指煤層采出后，上覆巖層失去支撐、頂板圍巖發(fā)生移動(dòng)、變形以至破壞和垮落。頂板隔水層產(chǎn)生離層裂隙，在采動(dòng)和礦壓的影響下，裂隙不斷擴(kuò)展、集中、相互貫通形成宏觀裂隙，導(dǎo)致巖層的垮落，依次形成垮落帶、斷裂帶、彎曲下沉帶[22-23]。當(dāng)開采煤層上方存在老空水、水倉(cāng)或地表水體時(shí)，裂隙延伸與其貫通，就會(huì)造成頂板突水事故。羊東礦開采2#煤層時(shí)，在強(qiáng)烈開采擾動(dòng)和礦壓影響下，導(dǎo)水?dāng)嗔褞Р粩嘞蛏涎由欤c2#煤層上方的老空水和石盒子組砂巖含水層相連，導(dǎo)致砂巖水和老空水進(jìn)入工作面，從而造成煤層頂板突水，頂板裂隙擴(kuò)展突水模式圖如圖9。

圖9 頂板裂隙擴(kuò)展突水模式圖Fig.9 Water inrush mode of roof crack expansion

3.8 底板垂向裂隙擴(kuò)展型突水模式

底板垂向裂隙擴(kuò)展型突水模式是指開采煤層位于背斜軸部上側(cè)，底板隔水層垂向裂隙發(fā)育，且延伸很深，在礦壓和水壓的聯(lián)合作用下，垂向裂隙沿最薄弱的方向進(jìn)一步擴(kuò)展，形成更大范圍的密集斷裂帶。采前對(duì)目標(biāo)含水層進(jìn)行了疏水降壓措施，單一的疏水降壓措施使垂向裂隙相互促進(jìn)、相互作用，降低了隔水層強(qiáng)度、完整性及阻水能力，奧灰含水層補(bǔ)給目標(biāo)含水層的通道越來越順暢，從而引發(fā)底板奧灰含水層突水。梧桐莊182102 首采工作面位于韋武-神崗背斜軸部，大煤底板自上而下發(fā)育了垂直或高角度的密集斷裂帶。開采條件下受強(qiáng)烈的采動(dòng)及疏水降壓影響，垂向裂隙擴(kuò)展、貫通并產(chǎn)生新裂隙，在水壓和礦壓的共同作用下，承壓水遞進(jìn)導(dǎo)升帶裂隙向上發(fā)展與礦壓破壞帶貫通，182102 工作面下伏野青含水層水和高承壓奧灰水就呈突發(fā)形式進(jìn)入工作面，從而形成了底板突水，底板垂向裂隙擴(kuò)展型突水模式圖如圖10。

圖10 底板垂向裂隙擴(kuò)展型突水模式圖Fig.10 Water inrush model of vertical crack expansion in floor

3.9 大氣降水集中潰入突水模式

大氣降水集中潰入突水模式是指由于大氣降雨引起的突水事故，其致災(zāi)時(shí)間與大氣降水時(shí)間具有同步相關(guān)性或固定時(shí)間的延遲相關(guān)性，其突水量一般與降水量呈正比關(guān)系。在暴雨季節(jié)，地表水位（河水位）抬升高于井口（或隱伏的古井筒、封閉不良的鉆孔、地面坍陷坑與井下存在水力聯(lián)系時(shí)）標(biāo)高時(shí)，將沿這些集中通道潰入井下，從而造成突水事故。辛安礦突水時(shí)恰逢雨季，受暴雨影響，地表洪水水位大幅度提高，由于辛安井田柳條東沖溝存在大量歷史久遠(yuǎn)、位置不明、充填不密實(shí)的隱伏古井筒，其成為地表洪水潰入礦井工作面的良好導(dǎo)水通道。煤層采出后，上覆巖層失去支撐、頂板巖層發(fā)生移動(dòng)、變形以至破壞和垮落。受開采擾動(dòng)和礦壓的影響，煤層頂板圍巖開始大范圍地產(chǎn)生裂隙并沿原生節(jié)理、裂隙發(fā)展擴(kuò)大，即導(dǎo)水?dāng)嗔褞?。?dǎo)水?dāng)嗔褞c隱伏古井筒貫通，形成集中突水通道，從而引發(fā)大氣降水突水，大氣降水集中潰入突水模式圖如圖11。

圖11 大氣降水集中潰入突水模式圖Fig.11 Water inrush model of concentrated precipitation outburst

4 結(jié) 語

1）將峰峰礦區(qū)突水類型劃分為7 個(gè)大類，即：大氣降水突水、地表水突水、地下水突水、頂板突水、底板突水、貫通型突水、老空水突水；在細(xì)類中結(jié)合不同的降水程度、水體特征、空間組合、位置關(guān)系、水力特征進(jìn)一步細(xì)分了28 個(gè)亞類、50 個(gè)細(xì)類。

2）通過對(duì)峰峰礦區(qū)突水事故的整理和分析，系統(tǒng)地總結(jié)了致災(zāi)成因的多種因素，多角度分析了突水的表現(xiàn)形式，基于其致災(zāi)關(guān)鍵因素不同，歸納了9 種突水模式，并結(jié)合典型的突水案例，闡明了其突水模式的主要特征和機(jī)理。