铁法煤田大明矿EW416综采工作面顶板离层水成因分析

2018-03-23张新成刘敬陶

中国煤炭地质 2018年1期

张新成，潘旭，刘敬陶，周鹏

(辽宁省调兵山市铁煤集团矿建公司，辽宁调兵山 112700)

0 前言

矿井水害事故预防一直是矿井安全生产的重点和难点问题。工作面顶板离层水是一种少见的矿井水害类型。“空腔型” 离层水是工作面顶板离层水的主要类型，具有瞬时涌水量大、突水征兆不明显、危害大等特点，相对于采空区水害来说更难预判，如果处理不及时，轻则导致工作面设备损坏、停产，重则矿井被淹，甚至造成人员伤亡。2013年9月17日15时30分，大明煤矿EW416综采工作面回顺14#钻场6#瓦斯抽放孔发生钻孔涌水，涌水带压，浑浊，呈乳白色，伴有轻微的腥臭味，瞬时涌水量达185 m3/h，造成采区部分巷道被淹，工作面停采一个多月，给生产造成很大影响。

1 工作面地质及水文地质条件

EW416综采工作面位于东翼采区西侧，东南以回顺为界与火成岩侵入体相邻；西南以设计采止线为界与EW专用回风道相邻；东北以切眼为界与DF22号断层和EW415里段采空区相邻；西北以运顺为界与EW417采空区相邻(图1)。工作面上、下方无其它工作面，对应地表为创业村小朴屯西侧、小冮家屯东侧耕田，倾向长576～628m，走向长130～220m，距离地表垂深366.7～445.6m。

1.1 地质

大明井田位于铁法煤田北部，其地层为前震旦系花岗片麻岩系构成的煤系基底之上发育的中生界白垩系和第四系。前震旦系形成之后，本区长期处于剥蚀状态，使整个古生界和部分中生界缺失，直到燕山运动晚期形成断陷盆地，下降接受白垩系早期含煤地层沉积。白垩系自下而上分别为阜新组和泉头组。

阜新组为本井田的含煤地层，自下而上分别为底部砂砾岩段、下含煤段、中部砂泥岩段和上含煤段。其中下含煤段厚度110～370m，含煤7层，分别为12、 15-1、15-2、16-1、17-1、17-2、17-3煤层。上含煤段厚度90～230m，一般厚度150m，含煤3层，分别为4-1、4-2、7煤层。

工作面回采煤层为4-2煤层，煤层结构复杂，煤质较好。工作面回采范围内煤层厚度变化趋势为南部分叉北部合层，南部煤层分为4幅，由上至下分别为4-1上幅煤层、4-1下幅煤层、4-2上幅煤层、4-2下幅煤层，北部合为4煤层。煤层厚度2.80～5.37m，平均厚度3.74m，1005钻孔附近煤层厚度最大，并以此为分界点向东西两侧逐渐变薄。

泉头组仅发育在井田南半部(由于地层抬升，该地层在井田北部被剥蚀)，假整合于阜新组之上，厚度37～181m，一般厚度150m，主要由紫红色砾岩及灰白色粗砂岩组成，夹有薄层泥岩、粉砂岩、砂岩，成分以石英为主，长石次之，含有少量暗色矿物。

1.2 构造

在构造运动的影响下，大明井田从北至南形成了大明二矿向斜、大明一矿背斜和朴起屯向斜。本工作面所处位置为大明一矿背斜南翼，朴起屯向斜北翼。由于背斜核部地层抬升，工作面形成北浅南深，北缓南陡的单斜构造，地质条件较为复杂。工作面区域内地质构造以断层为主，褶曲次之。地层走向N35°W，倾向S55°W，倾角5°～23°。

2005年对-410m水平西翼采区进行三维地震勘探时发现本工作面东南侧有较大面积的岩床侵入，侵入岩体形态为小型岩床，岩性主要为辉绿岩，玄武岩次之。铁法煤田岩浆活动可分为三个时期。早期发生于白垩纪中期，以喷出为主，主要形成玄武岩及安山岩，产状为喷出岩被。中期发生于白垩纪末，以浅层侵入为主，主要形成粗面岩、英安岩等，产状主要为岩墙和岩株。晚期发生于，以浅层侵入为主，主要形成辉绿岩，产状为复式岩床。本工作面东南侧大面积岩浆岩侵入(侵入面积约0.17km2)为喜山运动的产物。

1.3 水文地质

根据本井田水文地质、抽水试验及水文观测资料分析，工作面顶板有两个较大的含水层，从上到下为第四系含水层和白垩系阜新组砂岩含水层。白垩系阜新组砂岩含水层可细分为上部砂砾岩孔隙承压含水层和下部砂砾岩孔隙承压含水层。

上部砂砾岩孔隙承压含水层为4煤层开采的直接充水含水层，该层被第四系覆盖，底部与白垩系下统阜新组中部砂泥岩段接触，除井田北部受构造影响被剥蚀外，其它地区均有沉积。由北向南逐渐增厚，最大厚度165m，平均厚度90m。主要由紫红、灰绿、灰白色粗砂岩、砂砾岩组成。据842孔抽水试验结果，含水层渗透系数为0.000 416m/d，单位涌水量0.047 6～0.054 5 L/(m·s)，水质属CaHCO3-Na型水，富水性弱。

下部砂砾岩孔隙承压含水层在北部露头区与第四系接触，其它地区位于阜新组4煤层之下，一般厚度为120m，由灰白色、灰黑色砂岩及砾岩组成，中间夹有泥岩、煤及炭质泥岩，大部分为泥质胶结，钙质胶结很少。据351孔抽水试验得知：渗透系数为0.002 124m/d，单位涌水量0.047 6～0.054 5 L/(m·s)。水质属CaHCO3-Na型水，富水性弱。

第四系含水层距离4煤层较远，加之第四系含水层中下发育有一层隔水性良好的亚粘土及薄层淤泥，因此，第四系含水层对4煤层开采没有明显影响。影响4煤层开采的主要含水层为白垩系上部砂砾岩孔隙承压含水层，该含水层水为EW416综采工作面顶板离层水补给来源。

2 工作面6#瓦斯抽放钻孔涌水概况

EW416综采工作面于2013年6月8日开采。 2013年9月17日下午3时30分，工作面回顺瓦斯抽放孔施工人员发现14#钻场6#抽放孔有涌水现象(14#钻场共施工6个瓦斯抽放钻孔，其中6#钻孔孔深114m，仰角26°，终孔位置与工作面顶板高差约68m，位置如图1所示)，涌水带压，涌水浑浊，呈乳白色，伴有轻微的腥臭味，涌水量为10 m3/h。9月18日涌水逐渐增大，19日涌水量达到最大值185 m3/h，之后涌水量逐渐减小，水质逐渐变清。11月14日6#抽放孔停止涌水，14#钻场顶板淋水，涌水量约17 m3/h左右。11月17日，顶板淋水逐渐停止，工作面共计涌水61 900 m3，造成采区部分巷道被淹，工作面停采46d，给生产造成很大影响。

3 涌水水源分析

工作面发生涌水后，立即对井下涌水、第四系潜水进行了取样化验，同时在地面进行了EH4物探，查探上覆岩层中含水层的富水情况。

3.1 水质化验

水质化验结果如表1所示。

图1 EW416综采工作面位置Figure 1 EW416 full mechanized face location

表1 水质化验结果

注：小冮屯水井涌水前原始水位标高+57.6m

3.2 EH4大地电磁探测

由图2可见：工作面涌水地点上覆岩层深度125～300m段赋存一视电阻率30Ω·m以下的低阻层，厚度约120m。该低阻层呈东高西低态势，中部有较明显落差。在探测线两端部区域，低阻层显示有2个低阻团A、B，视电阻率20Ω·m以下(含水较丰富)。西侧低阻团位于工作面运顺上方，赋存深度125～225m；东侧低阻团位于工作面回顺上方，赋存深度200～300m。二次加密探测未现其他异常区。低阻层下方50～70m为出水钻场钻孔分布区域，距离B低阻团距离约65m，距离A低阻团最小距离约150m。低阻团所处位置地层为白垩系下统阜新组上含煤段4煤层顶板白垩系上部砂砾岩孔隙承压含水层中，岩性为灰白色细砂岩、粗砂岩、砂砾岩。

图2 测线视电阻率剖面Figure 2 Prospecting line apparent resistivity section

3.3 顶板导水裂隙带高度计算

工作面采高3.2m，根据参考文献[3]成果，取最大值计算，EW416工作面导水裂缝带高度为50.0m，垮落带高度为13.98m。参照大兴矿的实测资料，导水裂缝带最大高度为采厚的19.45倍(计算时取20)计算，导水裂缝带最大高度为64m。按参考文献[5]中附录六给出的覆岩岩性为中硬的预计公式计算，导水裂缝带最大高度为74m 。本着“就高不就低”的原则，EW416综采工作面导水裂缝带最大高度取最大值74m。

3.4 涌水水源初步判定

从水质化验结果分析来看，第四系含水层水与工作面突水有着很大区别，而且涌水前后工作面对应地表小冮屯水井水位也无明显变化，可以排除第四系含水层水通过地质钻孔导入井下的可能。工作面导水裂缝带最大高度为74m，EW417和EW415工作面回采中未发生顶板裂隙涌水现象，说明汇水构造下部粉砂岩隔水性能较好，同时也说明离层带发育位置高于导水裂缝带最大高度。由EH4电磁探测结果，可以定性的确定，工作面上覆岩层中存在汇水构造(低阻异常区)，即工作面上覆岩层中存在储水离层。根据08-06与1005号钻孔资料，工作面上方导水裂隙带内砂岩、泥岩交替沉积，岩性粗砂岩成份以石英为主，砂质胶结，坚硬，局部含薄层泥岩。粉砂岩，泥质胶结，局部与细砂岩互层沉积。

从涌水的浑浊度分析，涌水开始呈乳白色，这与正常的含水层水形成的离层水有点不同。结合铁法矿区大隆矿W1 901工作面、晓南矿W2采区、晓明矿N3408工作面火成岩附近开采顶板裂隙涌水情况，可以断定汇水构造在火成岩附近。根据08-06与1005号钻孔资料分析，距工作面107～157m位置发育有厚层火成岩，厚度70.4～190m。颜色深灰色-灰黑色，致密，隐晶质结构，块状构造，局部岩心破碎，裂隙较为发育。火成岩下部岩层岩性以灰绿-灰白色粗砂岩、砂砾岩为主，灰色-灰黑色粉砂岩、泥岩次之。岩浆侵入时的高温、挤压，孔隙水的热对流可能与离层水的形成有一定的关系。从出水量与气味分析，水量较大-，涌水初期有轻微的腥臭味，这与老窑水近似，可以从侧面说明，本工作面离层水形成年代较为久远。至于离层水为火成岩侵入体时伴生形成还是由于煤层采动影响形成，缺乏相关证据，也未有过相关方面的研究，在此不做讨论。

综合以上分析，初步认为，大明矿EW416工作面涌水源为工作面上部厚层火成岩下层间离层水，根据水量可以进一步断定涌水水体为工作面顶板“空腔型”离层水。

4 工作面顶板离层水成因分析

工作面地质剖面示意图如图3所示。

煤层顶板“空腔型”离层水是顶板离层裂隙接受补给形成的封闭水体。“空腔型”离层水形成需同时具备：①周边有补给水源；②离层空间存在的时间要足够长；③离层空间周围的围岩存在裂隙；④坚硬岩层下发育有泥岩、粉砂岩等隔水层。

从工作面水文地质情况来看，工作面上方沉积了由紫红、灰绿、灰白等粗砂岩、砂砾岩组成的白垩系上部砂砾岩孔隙承压含水层，是离层水的补给水源。

铁法煤田在新近纪形成的浅层侵入岩，主要岩性为辉绿岩，产状为复式岩床，工作面东南侧大面积火成岩(侵入面积约0.17km2)无论是岩性，还是产状，都与新近纪形成的浅层侵入岩特征吻合。工作面顶板离层水为岩浆侵入时的孔隙水的热对流作用还是仅由于煤层采动影响形成，缺乏相关证据，也未有过相关方面的研究。但无论是伴生形成还是采动影响形成，从涌水开始呈乳白色，并伴有轻微的腥臭味来分析，与老空水极其相似，这一点从侧面证明了工作面顶板离层空间存在的时间年代久远。

在火成岩与围岩的侵入接触带，除围岩原有的裂隙外，由于火成岩侵入时的高温、挤压，接触变质作用以及后期的构造变动影响，常形成密集的张性裂隙。这些裂隙成了顶板离层水的补给通道。

从08-06钻孔岩性来看，距工作面煤层顶板100m左右发育有一层约2.0m厚的粉砂岩，粉砂岩遇水崩解软化，重新胶结，形成了性能良好的隔水层。由于隔水层的形成，隔绝了白垩系含水层向下补给径流，上覆及周边白垩系砂岩水不断补给，积聚成一定规模。在工作面采动和人为因素 (瓦斯抽放

图3 EW416回顺地质剖面Figure 3 EW416 face air-return crossheading geological section

孔施工)影响下，离层空间平衡结构被破坏，岩层破裂，离层水通过裂隙和钻孔涌出，造成工作面涌水。

5 结论

工作面煤层顶板离层水作为一种少见的矿井水害类型，在生产中难以预判，对矿井安全生产是一种潜在的巨大威胁。因此，在工作面水文地质分析中，应对工作面上覆岩层岩性作为重点进行分析，尤其是在火成岩侵入体附近，分析上覆岩层是否具有形成离层水的条件。在计算采动形成的导水裂隙带时，不应仅仅立足于理论系数与经验公式，还应充分考虑火成岩侵入产生的裂隙带在工作面推移过程中与采动形成的导水裂隙带逐渐连通，以及施工瓦斯抽放钻孔对顶板岩层完整性的破坏。

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