内蒙古鄂托克前旗新上海一号煤矿111084工作面突水原因与机理

吕玉广，齐东合

（内蒙古上海庙矿业有限责任公司，内蒙古鄂尔多斯016299）

内蒙古鄂托克前旗新上海一号煤矿111084工作面突水原因与机理

吕玉广，齐东合

（内蒙古上海庙矿业有限责任公司，内蒙古鄂尔多斯016299）

针对111084工作面发生的携沙突水事故，根据矿区砂泥质沉积建造特点以及煤层与含水层之间角度不整合关系，提出富水性指数和突水危险性指数概念，利用两个指数分别绘制富水性等值线图和突水危险性等值线图，结果表明：位于富水区同时又位于突水危险区是顶板突水的充要条件；在“离层蓄水”和“泥沙自封堵”双重作用下突水呈间歇式进行。研究成果为后续资源开采制定相应措施，避免类似事故的发生提供了依据。

工作面突水；含水层分析；富水性指数；突水危险性指数；突水机理；西北干旱区

0引言

煤矿属鄂尔多斯盆地上海庙矿区，面积1154 km2，煤炭资源总量约143亿t，其中侏罗系煤层占总资源量的85%以上。规划分14个井田，新上海一号煤矿是首期建设的矿井，开采侏罗系煤层，水文地质条件及水害类型具有一定代表性。111084工作面是8煤层第二个回采工作面，2014年6月24日投产，推进141 m时88#支架前端顶板突水，水中携带大量泥沙。突水过程历时3.5个月，为间歇式突水，瞬时最大水量2000 m3/h，总出水量约23.3万m3，溃出泥沙量3.58万m3。工作面（长度210 m）以及上顺槽约500 m巷道、下顺槽约2000 m巷道均被泥沙淤塞，造成淹面埋架严重事故。《地质报告》认定井田水文地质条件简单，直接充水含水层为基岩孔隙—裂隙水，富水性弱。在西北干旱地区砂岩弱含水层引起如此严重的携沙突水事故值得深入研究，以期为后续资源开采制定防范措施提供技术依据。

1地层及含水层

1.1地层

井田总体为单斜构造，地层走向近南北，倾向东，倾角6°～9°，由老至新简述如下：

1）三叠系延长组（T3y）：属大型内陆湖泊型碎屑岩沉积建造，埋深215.86～780.95 m，以中粗粒砂岩为主，夹粉砂岩及泥岩，顶部为古侵蚀面，与上覆地层假整合接触。

2）侏罗系（J）：为河流-湖泊-湖泊三角洲相碎屑岩沉积建造，自下而上划分为延安组、直罗组。

（1）延安组（J2y）：平均厚度为332.09 m，西部缺失中上部部分地层。岩性组合为不同粒径的砂岩、粉砂岩、泥岩夹煤层、炭质泥岩等，为区内含煤地层，与上覆地层小角度不整合接触。

（2）直罗组（J2z）：平均厚度103.88 m，岩性组合为不同粒径的砂岩、粉砂岩、砂质泥岩、泥岩等组成，底部粗粒石英长石砂岩俗称“七里镇砂岩”，与上伏地层角度不整合接触。

3）白垩系（K1zd）：平均厚度187.01 m，上部以杂色泥质、粉砂岩、泥岩为主，夹中粗砂岩、细砂岩、粉砂岩薄层；下部为灰白色的砂砾岩。砾石成分以石英岩、砂岩为主，砾石直径0.3～5 cm，次棱角状，泥、钙质胶结。

4）古近系（E）：平均层厚35.53 m，以杂色泥岩为主，夹灰色、灰白色的细砂岩、粉砂岩、中粗砂岩及砂砾岩。

5）第四系（Q）：层厚1.00～6.45 m，由砂土、风成砂组成。

1.2含水层

主要含水层自上而下包括：

1）白垩系砾岩含水层。位于白垩系下部，平均厚度65.45 m，水位标高+1248.84～+1278.26m，单位涌水量0.052 7～0.3675 L/（s·m），渗透系数0.0564～1.5200 m/d，水质以Cl·SO4-Na型为主，富水性弱-中等，为孔隙-裂隙型含水层，正常情况下对煤层开采无影响。

2）侏罗系直罗组“七里镇砂岩”含水层。位于直罗组底部，平均41.20 m，水位标高+1229.11～+ 1261.42 m，单位涌水量0.0179～0.1456 L/（s·m），渗透系数0.0432～0.344 0 m/d，水质为SO4·Cl-Na型，富水性弱-中等，为孔隙-裂隙型含水层，井田东部煤层隐伏露头与本含水层直接接触。

3）侏罗系延安组砂岩含水层组。煤系内赋存不稳定的薄层砂岩含水层，为孔隙裂隙水。岩性为粗粒砂岩、中粒砂岩、细粒砂岩。单位涌水量0.003～0.0274 L/（s·m），渗透系数0.0030～0.1867 m/d，水质为Cl·SO4-Na型，富水性弱。

2工作面突水

2.1突水情况

11084工作面是8煤层第二个回采工作面，西侧设计有111086工作面，尚未开采；东侧111082工作面于2013年9月回采结束，最大涌水量约5 m3/h。工作面向长度1880 m，宽度210 m，煤层平均厚度3.5 m，开采深度358～414 m，与相邻工作面之间留设煤柱20 m。构造简单，未揭露断层。

工作面于2014年6月20日开始回采，同年7月27日推进141 m时第88#综采支架前端顶板出现淋水，28日5：00达到最大水量2000 m3/h，此后水量快速衰减，1周后水量稳定在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后水量稳定在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后水量稳定在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周后水量稳定在5 m3/h，此后水量稳定。

2.2突水含水层分析

工作面附近Z1、Z3水文孔观测侏罗系直罗组“七里镇砂岩”含水层水位，Z6、Z7水文孔观测8煤层顶板砂岩含水层的水位。2014年7月28日111084工作面突水，根据突水前后含水层水位数据绘制水位变化曲线图1。从图1可以看出，工作面突水过程中，直罗组含水层Z1孔水位累计下降了37 m，Z3孔水位累计下降了48 m，水位升降变化与工作面突水过程密切相关；8煤层顶板砂岩含水层水位（Z6、Z7孔）水位没有明显变化。此外，突水后探测上部白垩系砾岩含水层水位保持稳定。综合判定直罗组“七里镇砂岩”含水层是主要突水水源。

2.3含水层富水性

图1　含水层水位变化曲线图Figure 1 Aquifer water level variation curve

根据《内蒙古鄂托克前旗新上海一号井田精查地质报告》（2007年10月），直罗组为砂质岩层与泥质岩层交替沉积。图2是直罗组底部60 m地层部分钻孔柱状图。所谓“七里镇砂岩”实为砂岩较为发育的一段地层的总称，属典型的砂泥质沉积建造，此类含水层富水性不均一。本次用富水性指数法研究其富水规律。

图2　直罗组与下伏煤系沉积关系示意图Figure 2 A schematic diagram of relationship between Zhiluo Formation and underlying coal measures

1）富水性指数。砂泥质沉积建造的岩性可分为两大类：砾岩、粗砂岩、细砂岩等因其颗粒较粗、脆性较高称为砂质岩石（或脆性岩石）；粉砂岩、泥岩、砂质泥岩、炭质泥岩等因其颗粒较细、可塑性较强，又称泥质岩石（或塑性岩石）［1-2］。砂质岩石原生孔隙度大于塑性岩石，在同等应力作用下容易产生大量网络裂隙，这些孔隙或裂隙即为储水空间［3］。砂质岩层之间所夹的泥质岩层对裂隙的扩展有限制作用，沉积旋回的不确定性和物源构成的复杂性等因素，共同决定了这类含水层的富水性具有各层异性、各向异性特点［4］。可见砂泥质沉积建造的富水性主要取决于砂岩层的发育程度，本文把某一层段（目标层）内砂质岩石累加厚度占该段地层总厚度的百分比称为富水性指数，其计算公式为：

式中：FZH——富水性指数，无量纲；

MC——目标层内脆性岩石累加厚度，m；

Dg——目标地层总厚度，m。

2）目标层确定。直罗组以角度不整合上覆于煤层之上（图2），在煤层隐伏露头处直罗组受影响的高度最大，远离隐伏露头受影响的高度越来越小甚至不受影响，因此本文“借用”防水安全煤岩柱的概念，将导水裂隙带和保护层厚度之和确定为研究范围。“借用”的涵义是这里所说的“防水安全煤岩柱”与传统的概念有所不同，仅仅是用来确定我们要研究的上覆间接充水含水层的范围，即目标层。本矿8煤层最大采高3.8 m，根据井田开采技术条件从《三下开采规程》附表6-2中选择公式，计算出导水裂缝带高度最大33.66 m，保护层厚度最大19 m，可以认为111084工作面突水水源来自于直罗组下部52.66 m。为便于计算，将直罗组下部60 m设为研究的目标层（图2）。

3）富水性等值线图。富水性指数计算运用了大数据原理、以全井田所有钻孔揭露的地层统计资料为基础，按照公式1计算出直罗组下部“七里镇砂岩”含水层的富水性指数为0.9～84.6，平均39（限于篇幅数据表省略）。富水性指数越大代表富水性越强，指数越小代表富水性越弱。

将计算所得的富水性指数导入Surfer智能绘图软件，即可绘制直罗组底部（七里镇砂岩）富水性等值线图（图3）。

从图3可以看出，111084工作面靠近切眼部分（上顺槽从切眼向外700 m、下顺槽从切眼向外560 m）富水性指数50～84.6，可见工作面切眼附近为富水区，向外富水性指数逐渐变小（0～50）。

水源（水量）是突水的必要条件，111084工作面已回采部分正位于富水区内，具备了突水条件之一。至此产生一个疑问，111082工作面与111084工作面相邻（相隔20 m），111082工作面也有一部分位于富水区内，为什么涌水量仅5 m3/h？

图3　直罗组底部（七里镇砂岩）含水层富水性等值线图Figure 3 Isogram of Zhiluo Formation bottom（Qilizhen sandstone）aquifer water yield properties

2.4突水危险性

2.4.1突水性指数

如前文所述，直罗组与下伏煤系之间呈角度不整合关系，沿着煤层倾斜方向煤层顶板至上覆含水层之间隔水层厚度逐渐增大，只有隔水层厚度小于导水裂缝带高度时，才能将上部水导入。这里引入突水危险性指数概念。计算公式为：

式中：TZH——突水危险性指数，无量纲；

Hg——煤层顶板至含水层底界距离（隔水层厚度），m；

Hfs——防水安全煤岩柱高度，m。

根据井田开采技术条件，从《三下开采规程》附表6-2中选择相应的公式，可以计算出防隔水煤岩柱高度，根据地层资料计算出煤层顶板至含水层底界距离（隔水层厚度），最后将计算结果代入突水危险性指数计算公式，得到全井田突水危险性指数。指数为0代表突水临界点，指数为正值代表无突水危险，且数值越大越安全；指数为负值代表有突水危险，且绝对值越大突水可能性越大，负值区即突水危险区。需要指出的是，这里假定工作面沿着煤层顶板割煤，如果工作面留顶煤或破顶板割煤，Hg代表的是采空区顶界至含水层底界距离。

2.4.2突水危险性等值线图

将计算所得的突水性指数导入Surfer智能绘图软件绘制突水危险性等值线图（图4）。

图4　8煤层突水危险性等值线图（局部）Figure 4 Isogram of coal No.8 water bursting hazards（partial）

从图4可以看出，111082工作面突水危险性指数大于零，不在突水危险区内，因此没有导入“七里镇”砂岩水；111084工作面突水危险性指数大多小于零，即工作面大部分位于突水危险区内，因此导入了“七里镇”砂岩水。

2.5突水条件

通过上文分析可以得出结论：直罗组底部含水层为砂泥质互层沉积，富水性不均一。工作面位于富水区内是突水条件之一，并不一定突水；工作面位于突水危险区内是突水的另一条件，也不一定突水；两个条件同时具备才是突水的充要条件。

3突水机理与突水过程分期

3.1突水机理

北京煤炭科学研究院刘天泉院士利用长壁采煤后覆岩变形破坏特点及其导水性能，将上覆岩层分为冒落带、裂隙带和整体弯曲下沉带。随后山东科技大学高延法教授突破了传统的三带观念，提出岩移“四带”模型，将“三带”中的冒落带、裂隙带合称为“破裂带”；将传统的弯曲下沉带进一步划分为三部分，其下部为“离层带”，上部为“松散冲积层带”，中间部分仍称为弯曲下沉带［5］（高教授没有给出具体的数学模型）。

111084工作面煤层平均3.0～3.8 m，根据《三下开采规程》经验公式，计算导水裂隙带高度30.1～33.66 m，保护层厚度为15～19 m，突水点附近煤层顶板上距含水层仅32 m。根据“四带”观点，破裂带与导水裂隙带相对应（30.1～33.66 m），煤层顶板32 m隔水层全部位于破裂带内，失去隔水作用。离层带内离层裂隙不是唯一的，只有破裂带上位相近的离层裂隙才与矿井充水有关，根据煤层与含水层之间距离推算，离层裂隙带发育在直罗组“七里镇砂岩”内，砂岩裂隙水向离层裂隙内汇集形成“自由”水体，隔水层的缺失导致了突水。离层汇水作用强化了短时突水强度，在水动力作用下弱胶结软岩容易分解并被水携带，表现为携沙突水；自由水体快速释放后裂隙水补给不畅，随着水动力作用衰减，泥沙堆积于突水通道内产生“自封堵”效应，突水暂时中止；离层封闭空间再次蓄水，当水量水压达到一定程度时再次突水，如此反复表现出间歇性突水特点。

3.2突水过程分期

1）离层蓄水期。工作面推进0～60 m期间，破裂带处于发育发展阶段（＜33.6 m），离层裂隙尚未出现或刚刚起动，含水层水位无异常。工作推进60～110 m期间，破裂带快速发展趋近于最大值（30.1～33.66 m）；离层裂隙带处于快速发展期，砂岩裂隙水持续向离层空间汇集形成自由水体，表现为含水层水位Z1孔下降13.598 m、Z3孔水位下降8.105 m（7月3日～7月18日观测数据）。

2）弯曲带形成期。工作面推进110～143 m期间，破裂带发育趋近成熟，覆岩整体下沉（根据地表观测结果），覆岩下沉压缩了已经形成的离层空间，表现为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日观测数据）

3）第一次突水。工作面推进141 m时，离层裂隙内自由水体在静水压力和围岩遇水弱化双重作用下，突破了离层封闭空间充入矿井。2014年7月27日下午工作面顶板出现淋水，28日5：00时水量达到2000 m3/h，大量泥沙随水溃出，以后工作面停止推进。

4）第一个突水休止期。水体溃出后离层空间内水压降低、水动力作用减弱，泥沙“自封堵”效应封闭了突水通道，进入第一个突水休止期，8月5日水量减少到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日观测数据）。

5）第二次突水。突水通道被封堵后，离层空间继续蓄水，当水量水压增大到一定程度时再次被冲开突水通道，8月30日瞬时水量1 500 m3/h。

6）第二个突水休止期。8月31日～10月16日为第二个休止期，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，短时水量300 m3/h，2 h后水量快速衰减，逐渐稳定在10 m3/h左右。表现为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日观测数据）。

8）第三个突水休止期。10月27日～12月17为第三个休止期，水量稳定在10 m3/h左右，水位稳定中稍有波动。

9）突水过程结束。12月18日再次突水，水量30～70 m3/h，持续时间约4 h，随后水量逐渐减小并长期稳定在8 m3/h左右，突水过程结束。

4结论

1）111084工作面突水水源为直罗组“七里镇砂岩”裂隙水，回采区位于富水区又位于突水危险区，具备了突水充要条件。

2）离层裂隙汇水作用强化了突水强度，在水动力作用下弱胶结砂岩表现出流砂特性。

3）隔水层不足导致离层水体在静水压力作用下突破封闭空间溃出。

4）离层蓄水和泥沙自封堵两种作用交替演化，突水过程表现出间歇式发展。

［1］任智德，吕玉广，郑纲.利用脆性岩石含量指数预测裂隙型含水层富水区［J］.煤田地质与勘探，2011，35（4）.

［2］吕玉广，任智德，肖庆华，运用脆弱性系数法研究砂岩裂隙型含水层［M］//中国水害防治技术.江苏徐州：中国矿业大学出版社，2010：392-396.

［3］赵宝峰.基于含水层沉积和构造特征的富水性分区［J］.中国煤炭地质，2015，（4），30-34.

［4］李新凤.砂岩含水层富水性预测及水害危险性评价研究［D］.2010.

［5］程新明，赵团芝，李小琴，等.离层积水存在的矿井工作面涌水量预计［J］.煤田地质与勘探，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

吕玉广（1969—），男，江苏宿迁人，高级工程师，硕士，防治水副矿长，从事矿井地质及煤矿防治水工作。

2016-06-27

责任编辑：樊小舟