堡子公司F36断层局部出水机理分析及防治措施

李 荣

(阳泉煤业集团沙钢矿业投资有限公司，山西 临汾 043500)

0 引言

带压开采矿井导水断层突水是矿井采掘中最常见的突水灾害事故之一，由于断层破坏了岩层的完整性，常常成为含水层间的水力通道，经常造成掘进头或工作面停产，甚者可至淹没矿井。断层的某一区段是否导水，导水性强弱，是沿破碎带上下连通还是仅水平方向接触导水，取决于断层的力学性质、断层带的成分结构、断层的后期移动、断层两侧岩层对接关系、含水层的水压以及采矿活动引起的围岩压力对断层的重新破坏作用。通过分析堡子公司2#煤层带压区F36断层局部出水机理，对判断断层富水性、导水性对承压区断层水防治具有一定的指导意义。

1 地质概况

1.1 矿井地质条件

堡子井田位于山西省沁水煤田晋城矿区西南部。根据地表出露、钻孔勘探及井下揭露，井田地层由老到新发育有奥陶系中统峰峰组，石炭系中统本溪组、上统太原组，二叠系下统山西组、下石盒子组、上统上石盒子组，第四系中、上更新统及全新统。受区域构造带的影响总体为一走向北西，倾向北东的单斜构造，次一级构造为向南仰起的向斜构造，地层倾角一般8°～13°，局部达25°～35°。井田内发现褶曲1个，断层57条，其中以往地质勘探推断16条、井下揭露41条，未发现陷落柱。

井田内可采煤层为山西组2#和太原组9#煤层。2#煤层位于山西组中部，为本区主要可采煤层之一，煤层厚度1.85～5.85 m，平均4.17 m，含0～1层夹矸，顶板以泥岩为主，粉砂岩次之，底板以粉砂岩为主，泥岩次之。2#煤层厚度变化不大，稳定可采，结构简单，夹石易于对比，为全区稳定可采煤层。9#煤层位于太原组下段顶部，为全区主要可采煤层之一。其厚度为0.88～5.32 m，平均3.55 m，含0～2层夹矸，顶板为K2石灰岩，底板以铝质泥岩为主，泥岩次之。9#煤层厚度变化不大，稳定可采，结构简单，夹石易于对比，为全区稳定可采煤层。

1.2 二采区地质条件

目前主要开采2#煤层二采区。二采区位于井田的东北部，现已形成3个工作面，分别为2201工作面、2202工作面、2203工作面，二采区2#煤层平均厚度4.5 m，煤层直接顶为砂质泥岩，厚度1.0 m；老顶为粗粒砂岩，厚度3.0 m；直接底为泥岩，厚度2.0 m；老底为细砂岩，厚度2.0 m。二采区(2201、2202、2203工作面)煤层底板标高+790～+910 m，总体为一走向NW、倾向NE的单斜构造。二采区(2201、2202、2203工作面)采掘揭露断层7条，其中断层F36落差为37 m，产状走向NE，倾向SE，井田内延伸长度1 100 m，其余均为小型正断层，落差小于5 m，如图1所示。

图1 二采区(2201、2202、2203工作面)采掘工程平面示意图

根据B1-2、ZK601、ZK2号(未揭露奥灰)钻孔资料，二采区(2201、2202、2203工作面)2#煤层底板距离K2灰岩顶板厚度分别为43.33 m、62.50 m、56.17 m，平均厚度54 m；2#煤层底板距离奥灰顶界面厚度分别为75.30 m、92.29 m，平均厚度约84 m，如图2所示。

图2 2#煤层距离K2灰岩、奥灰距离示意图

1.3 二采区(2201、2202、2203面)水文地质条件

2#煤层充水水源主要为二叠系砂岩裂隙含水层水(K8砂岩)，其次为底板太灰水和奥灰水。其中二采区(2201、2202、2203工作面)2#煤层底板标高+790～+910 m，奥灰水水位标高+944 m左右，2#煤层底板至奥灰顶界面平均厚度84 m，二采区(2201、2202、2203工作面)奥灰水突水系数介于0.026～0.039 MPa/m。

2 探巷出水点及断层情况

2.1 2202工作面探巷出水点情况

二采区2202工作面探巷施工70 m时停掘，探巷17°上山，停掘位置距F36断层25 m。2017年1月17日，探巷底板裂隙出水(裂缝约10～20 mm的宽度)，出水量达到150 m3/h。另外2203工作面回风顺槽穿越F36断层时也出现出水，最大为2 m3/h，当 2202工作面探巷出水后，2203工作面回风顺槽穿越F36断层位置出水量逐步衰减，出水点如图1所示。

2202工作面探巷出水点处煤层底板标高约+815 m，奥灰水位标高+944 m，出水点奥灰水带压约1.3 MPa。

通过探巷出水点水质化验资料和B1-2水文孔奥灰水质化验资料中阳离子(Ca2+、Mg2+、Na+、K+)的含量、阴离子(Cl-、SO42-、HCO3-、NO3-、CO32-)含量，以及pH值、总硬度比对，确定充水水源为奥灰水。

2.2 F36断层揭露情况

在井巷施工过程中有8次揭露F36断层(如图3所示，绿色标注为巷道揭露F36断层位置)，2#煤运输大巷和2#煤回风大巷揭露并通过F36断层，两处未发生出水情况；2203切巷与F36断层之间共施工掘采巷道7条掘采巷道，巷宽4 m，巷高要求见顶见底，煤柱5 m，施工期间有5条巷道揭露F36断层，均未发生出水情况；2203工作面回风巷揭露F36断层，未发生出水情况。

图3 巷道揭露断层示意图

3 出水机理分析

二采区属于带压开采区域，受F36正断层影响，中奥陶统碳酸盐岩岩溶裂隙含水层和上石炭统太原组(K2、K3、K4石灰岩)相互导通，是本次出水的出水水源。

出水通道是2202探巷附近F36和F38附近及交汇处，地应力集中，顶、底板岩石受地应力作用，节理裂隙比较发育，形成的节理裂隙密集带(应力集中带)，是本次出水的出水通道。

2202探巷掘进前方，F36正断层落差较大(37 m)，造成掘进工作面掌头煤层底板岩层与断层下盘K2灰岩垂距仅17 m左右，如图4所示；同时采掘工程位于F36和F38附近及交汇处，地应力集中，顶、底板岩石受地应力作用，节理裂隙比较发育；另外2202探巷的施工，形成了矿山压力集中区，矿山采动矿压对底板的破坏深度达15 m，如图5所示。在地应力和矿山压力双重作用下，2202探巷掌头底板承受不住奥(太)灰水压，将底板节理裂隙溃破或扩大，奥(太)灰水沿断层及节理裂隙涌入巷道。

图4 2202探巷前方断层示意剖面图

图5 采动矿压对底板的破坏深度

4 带压区构造导水的防治措施

4.1 做好勘查工作

涉及带压开采矿井必须通过水文地质勘探、地面三维地震、地面电法勘探等先进手段查明煤层下伏岩溶含水层位、富水性、水位标高，煤层与含水层之间隔水层的厚度、岩性组合、力学性质，煤层的底板标高、空间变化，断层、陷落柱的分布及导水性，并进行带压开采安全评价。一旦发生底板突水，要查明突水通道，采用注浆办法进行封堵。

4.2 做带压开采安全配套措施

矿井防排水系统：矿井排水系统与相应防水系统的建立，是实现安全带压开采必备的环节之一，必须符合《煤矿安全规程》规定之要求。矿井在加强防治水工作的同时，必须保证达到《煤矿防治水规定》要求的抗灾抢险的排水能力和相应的防水系统，只有这样，矿井的安全生产才能得以保证。在水量一旦意外增大的情况下，能够避免淹井事故的发生，至少能争取时间撤出危险区的工作人员。

供电系统：供电系统要与水泵供电负荷相匹配，并保证双电源双回路供电，以便一路电源发生故障时，另一路电源能立即供电，保障排水系统的不间断正常工作。配电设备的能力应当与工作、备用和检修水泵的能力相匹配，并能保证全部水泵同时运转。

抗灾强排水系统：在矿井遭遇突水灾害时，中央排水系统能力不足或失效的情况下，可启动强排水系统，也是提高矿井抗灾能力及灾后救援能力的有效措施。

5 结论

(1)在分析断层的导水性时，不要轻易将某条断层简单地划分为导水断层、隔水断层或贮水断层，而应充分注意断层的水文地质性质具有方向性和局部性，即一条断层可以在某一方向导水，而在另一方向上隔水，或同一断层的某一部位导水，而在另一部位隔水。有些断层在初次揭露时隔水，但随采矿扰动可能发生滞后导水。所以，在研究的探测断层的水文地质性质时，对不同部位具有不同应力状态，不同部位具有不同水理性质的复杂面状地质结构体，进行整体分析和分区评价。

(2)在没有掌握断层各区段的导水性之前，应该把整个断层作为导水断层对待。在巷道掘进前应根据巷道的布置情况，对可能揭露的断层进行分析、评价，分析其对巷道掘进的威胁程度，按照《煤矿防治水规定》的有关规定执行，留设防隔水煤岩柱。当巷道掘进至断层附近时，首先采用超前物探探测技术对该断层进行探测，初步探查富水性，确定断层位置，再采用钻探进行验证，精确探查其落差、倾角和水文地质性质。此后根据探查结果，依据相关规程的要求留设合理的防水煤(岩)柱或采取其他防治水措施。

(3)防治煤层下伏含水层(岩溶含水层)水，一定要坚持“查明条件、查治结合、预防为主”、“探、防、堵、截、排”及“预测预报、有疑必探，先探后掘、先治后采”的防治水原则，把防治水与矿井的长远发展作为一个整体来考虑，进行统筹安排；依靠先进技术，把水害事故消灭在萌芽状态。