华北型煤田岩溶水突水模式及承压煤层安全开采的技术措施研究

吴 涛 李 鹏 常致凯

（中国煤炭地质总局水文地质工程地质环境地质勘查院，河北 邯郸 056000）

1 研究区概况

广义的华北型煤田根据成煤时代、区域水文地质条件、煤岩叠置关系等分为华北区和西北区[1]。由于鄂尔多斯盆地石炭二叠系煤层埋藏较深，现在主要开采的是侏罗系煤层。因而本文所讲的华北型煤田指的是鄂尔多斯盆地以东的华北区的华北型煤田，主要开采石炭-二叠系的煤层，绝大多数直接沉积在奥陶系灰岩之上。

2 华北型煤田岩溶水突水案例分析

本次收集整理了以往较大的奥灰突水案例34起，见表1。从这些突水案例中看出，大多数突水是由陷落柱和断层导水引起。其中由导水陷落柱引起的突水有11例，占总案例的32.4%，由导水断层引起的突水有20例，占总案例的58.8%。其他原因突水3例，占总案例的8.8%。由此可见，导水断层及导水陷落柱是奥灰突水的主要因素，煤层底板采动裂隙突水是奥灰突水的次要因素。

另外从薄层灰层的突水案例统计分析中可知，薄层灰岩的突水多数是由于在导水构造的作用下奥灰水直接补给了薄层灰岩含水层，从而使薄层灰岩的突水量增加，造成淹井事故。例如，峰峰-邯郸矿区的大青、伏青灰岩，霍州矿区的K2灰岩，焦作-郑州矿区的二灰（L2）、八灰（L8）灰岩，淄博矿区的徐家庄灰岩，肥城矿区的三灰、四灰等，均受到奥灰含水层的补充[2-3]。其中焦作矿区的L8灰岩突水占岩溶突水的76%以上，淄博矿区的徐灰突水占整个矿区岩溶突水的56%以上。

表1 中国煤矿重大奥灰突水案例一览表[2]

3 岩溶水突水模式

华北型煤田下组煤底板主要突水水源为下伏奥陶系灰岩岩溶裂隙水，其次为煤层地层中的薄层灰岩岩溶裂隙水。通过前面突水案例分析可知，煤层底板突水主要是由导水断层、导水陷落柱引起，其次为底板采动裂隙等。

因此，根据突水类型将岩溶水突水模式大致分为三类：底板型突水模式、断层型突水模式和陷落柱型突水模式。

3.1 底板型突水模式

当采煤工作面自切眼向前推进时，破坏了原岩应力场的平衡状态，使底板岩体产生破坏，产生采动裂隙（见图1），成为底板奥灰水的主要通道，造成底板突水，突水的矿井主要表现为底板隔水层较薄、不稳定等。

图1 煤层底板破坏示意图

3.2 断层型突水模式

断层型突水模式是以断层为主要导水通道，大致可细分为2种突水类型。

3.2.1 大中型断层使煤层直接对接含水层类型

大中型断层由于断距大等特点，对于下组煤来说可直接错断煤层底板隔水层，造成煤层与下伏奥陶系含水层的对接（见图2）。使煤层与被切割的含水层直接发生水力联系。例如郑州矿区米村井田在开采二1煤层时经钻孔揭露发现4条大中型断层（前高村断层、张湾断层、闫家门断层、后高村断层）。其中受闫家门断层、后高村断层的影响，米村井田二1煤层直接对接奥陶系马家沟组灰岩含水层[3-4]。

3.2.2 断层使隔水层变薄类型

由于受大中型断层的影响，使得煤层底板隔水层厚度变薄（见图3），当工作面接近或揭露断层时，煤层底板含水层高压水突破断层充填物或底板隔水层而涌入工作面。

图2 煤层对接奥灰含水层示意图

图3 断层使隔水层变薄示意图

3.2.3 断层为导水通道类型

断层为导水通道的突水类型大致分为2种。一种是断层本身为导水断层，当采掘直接揭露导水断层时，奥灰水沿断层直接进入工作面，产生突水。另一种是断层本身不导水，由于受矿山压力、采动破坏等的影响，诱发断层活化，形成活化导水构造[4]。

3.3 陷落柱突水模式

陷落柱是奥灰突水的主要通道之一，开滦范各庄矿、皖北任楼矿、安阳铜冶一矿、邢台东庞矿、峰峰九龙矿等均发生过岩溶陷落柱突水淹井事故。根据陷落柱的特性及突水特点可将陷落柱突水模式分为以下几种类型：

3.3.1 突发型

当地质和水文地质条件不清楚时，巷道掘进工作面或回采工作面揭露导水陷落柱，使奥灰水通过陷落柱直接涌入工作面，造成突水事故。

3.3.2 缓冲-滞后型

虽然留设了陷落柱防水煤柱，但由于强度不够，在水压矿压等共同作用下，煤柱造成破坏从而突水，水量由小逐渐增大，有一缓冲过程。或煤柱应力突然作用，使得长期完好采掘工程也可能发生滞后突水。

4 承压煤层开采的防治技术措施

4.1 工作面的精细化探测+注浆封堵

利用井下综合物探技术超前探测工作面内或前方存在的导水构造，并通过钻探进行验证。查明工作面存在的导水构造，针对导水构造进行具体的注浆封堵，起到提前预防的作用[5]。

4.2 底板注浆加固+区域治理

当隔水底板厚度明显小于临界厚度时，可用底板注浆的办法将下伏含水层顶部的岩溶、裂隙封闭，使其变为相对隔水层，以增加隔水层底板至大于临界厚度值，从而达到安全采煤的目的。这一方法的效果，取决于事先对下伏含水层顶部的岩溶、裂隙分布情况较清楚。因此可先用物探查明岩溶顶部的岩溶裂缝发育及分布情况，在此基础上针对性地注浆治理。

4.3 疏水降压

对于煤层底板隔水层厚度很薄，但下伏含水层厚度较薄，补给水量有限时可以采用疏水降压的方法，将下伏含水层的水头降至安全开采水压以下。平顶山矿区的二矿、十一矿、五矿、七矿、十三矿、朝川矿结合生成布局，针对性地对石炭系、寒武系灰岩含水层进行疏放，降低了含水层的水位，达到了带压煤层安全开采的目的。邯郸矿区的王凤煤矿带压开采小青、山青煤层时，采用疏水降压技术，将二坑中部以北地区大青水位由+120m降至+60m，实现了带压煤层的安全开采。蔚县矿区单侯煤矿2010～2012年对奥灰水采取“整体疏水降压，局部注浆加固”的措施进行防治，井田内奥灰水位下降最大的首采区最大下降约165m，解放了1号、5号煤炭资源量约15000万t。

5 结语

华北型煤田区岩溶水突水模式大致可以分为煤层底板突水模式、断层突水模式和陷落柱突水模式。其中，断层突水和陷落柱突水最为常见。目前常用的带压煤层安全开采技术措施主要有工作面的精细化探测+注浆封堵、底板注浆加固+区域治理以及疏水降压措施。不同的煤矿井由于水文地质条件不同，相应的防治技术措施也不同。因此，矿井水文地质工作者根据本矿井水文地质条件，制定相应的技术措施保障矿井带压煤层的安全开采。