北辛窑矿南翼大巷突水机理及防治措施

路 喜，何亚东，王 敏

(大同煤矿集团有限责任公司 地质勘测处，山西 大同 037000)

近年来，我国煤炭开采逐渐向深部延伸，受地质构造、多层采空及煤层底板岩溶水等因素的影响越来越大，矿井水害防治成为煤矿安全生产的难题。及时准确判断矿井突(涌)水成因，查找突(涌)水水源，是解决矿井水害的关键，而底板突水问题一直是困扰华北型煤田煤炭工业可持续发展的主要水患。1944年匈牙利学者韦格弗伦斯第一次提出“底板相对隔水层”的概念，认为煤层底板突水与底板隔水层厚度和水压力有关[1-9]。至20世纪80年代，经过各国学者的改进，底板相对隔水层理论日趋完善。我国刘天泉院士最早提出“底三带”理论，而后发展为煤层底板“下三带”理论[10]；施龙青等提出“下四带”理论[11]；荆自刚等对煤层底板突水机理进行了初步探讨。这些理论的提出对底板突水机理及底板破坏演化规律奠定了基础[12]。罗立平等以淮北杨庄煤矿Ⅱ617 综采工作面特大突水事故为研究背景，对承压水体上开采底板突水灾害机理进行研究，认为该矿特大突水灾害的发生，是其岩性场、应力场与渗流场耦合作用的结果，并提出注浆加固与改造底板隔水岩层的防治水技术措施[13]；赵庆彪提出了奥灰岩溶水上带压开采水害治理的“区域超前治理”理念，认为地面水平多分支定向钻进和井下定向钻进是区域超前治理关键技术[14]。

笔者以宁武煤田北辛窑矿南翼大巷底板突水事故为研究对象，分析其突水水源和突水机理，并提出注浆治理措施，解决大巷掘进的突水隐患，为该矿奥灰水防治积累了宝贵经验，同时亦可为我国其他具有类似条件煤矿的防治水工作提供参考。

1 地质及水文地质

北辛窑井田位于宁武煤田中北部转折端，受多期构造应力场影响与控制，断裂构造占主导地位，以正断层为主，逆断层基本不发育[15]。北辛窑井田构造纲要示意图如图1所示，区内褶皱为宽缓的倾伏背、向斜，轴向北东向，多被断裂切割。

图1 北辛窑井田构造纲要示意图

井田内钻孔揭露地层主要有奥陶系中统上下马家沟组(O2s+x)、石炭系本溪组(C2b)、太原组(C2-P1t)、二叠系下统山西组(P1s)、下石盒子组(P1x)、上统上石盒子组(P2s)等。

井田属神头泉域水文地质单元。区内主要含水层有：碳酸盐岩(寒武、奥陶系)岩溶裂隙含水层，碎屑岩裂隙含水层(包括太原组、山西组、下石盒子组、上石盒子组)，第四系松散岩层孔隙含水层。其中奥陶系岩溶裂隙含水层水位标高+1 056～+1 077 m，水质类型以HCO3-Ca·Mg型为主，富水性中等至强。

2 突水点概况

北辛窑矿南翼大巷掘进期间发生过2次大的突水事故，突水点位置如图2所示。

图2 突水点位置示意图

2015年3月1日，+1 040 m水平南翼回风大巷掘进至K0+234 m处，底板右侧突水(即1#突水点)，初始突水量约40 m3/h，最大水量约350 m3/h，稳定水量约300 m3/h。据突水点附近钻孔资料及巷道掘进揭露情况，1#突水点附近可见本溪组下部岩层破碎严重(见图3)，裂隙发育，钙质充填，且存在2条断层F8-1、F8-2，落差分别为0.6 m和4.0～5.0 m，突水点巷道底部距奥灰含水层顶面约12 m。

图3 1#突水点附近本溪组下部破碎岩层

2016年3月15日，+1 040 m水平南翼辅助运输大巷掘进至188 m时，巷道掘进端头右帮角发生底板突水(即2#突水点)，表现为底板裂隙突水，最大突水量约340 m3/h，稳定水量约215 m3/h。2#突水点附近巷道掘进端头地层节理发育，岩层破碎，可见黄铁矿、灰绿色铝土岩。结合突水点附近钻孔资料分析可知，巷道底板已揭露上马家沟组顶部的风氧化不整合接触面。2#突水点附近巷道左帮水沟露头见图4。

图4 2#突水点附近巷道左邦水沟露头

3 突水水源

3.1 突水量分析

1#突水点巷道底板标高+1 045 m，2#突水点巷道底板标高+1 058 m，据矿井水文地质资料，突水点附近奥灰水位标高超过+1 060 m，综合2个突水点相对隔水层厚度及奥灰水位标高分析可知，1#突水点底板带压比2#突水点高。中奥陶系岩溶裂隙水天然流场如图5所示，地下水总体由南向北径流，在突水通道畅通的情况下，1#突水点稳定水量比2#突水点高，与实际相符。且2次突水动态过程相似，最大涌水量接近，故2个突水点应为同一水源，存在水力联系。

图5 中奥陶系岩溶裂隙水天然流场

3.2 奥灰水位观测孔水位变化分析

奥灰水位观测孔分布图如图6所示，井田范围内分布有5个奥灰水位观测孔，分别为BS2、BS3、BS4、BS5、BS6，位于井田中部、南部，距离突水点较近的为BS4、BS6。

图6 奥灰水位观测孔分布示意图

奥灰观测孔水位变化曲线如图7所示，1#突水点发生突水后，BS2、BS3、BS4、BS5、BS6水位标高从2015年3月1日后明显下降，一直持续到2015年 8月 1日，下降趋势减缓；推测2015年3月1#突水点突水后，井田内奥灰水位标高整体下降，2015年 8月，雨季对奥灰水含水层有侧向补给，致使奥灰水位标高下降减缓，但补给量小于涌出量。2016年3月15日2#突水点发生突水后， BS3、BS4、BS5、BS6水位标高曲线图上显示为明显下降趋势，表明井田内奥灰含水层水位标高下降受2#突水点突水影响。

(a)BS2号孔

3.3 突水点水样水化学分析

奥灰水观测孔奥灰水样及南翼大巷水样水化学分析结果如表1所示，可以看出，南翼大巷出水点6个水样的pH值为6.64～8.13，K+Na离子质量浓度介于17.67～28.97 mg/L，Ca离子质量浓度介于67.53～87.01 mg/L，Mg离子质量浓度介于18.51～26.41 mg/L，HCO3离子质量浓度介于277.23～352.21 mg/L。3个样品水化学类型为HCO3-Ca型，3个样品的水化学类型为HCO3-Ca·Mg型。

表1 奥灰水观测孔奥灰水样及南翼大巷水样水质分析结果

据周边其他矿井奥灰含水层水质资料，阳煤集团榆树坡煤矿(北辛窑矿以南10 km)奥陶系马家沟组含水层水化学类型为HCO3-Ca型或HCO3·SO4-Na·Ca型，同煤浙能麻家梁煤矿奥陶系马家沟组含水层水化学类型主要为HCO3-Ca·Mg型。据矿井水文地质资料，该矿奥陶系马家沟组含水层水化学类型为HCO3-Ca·Mg、HCO3-Na·Ca或HCO3-Ca型。井田内BS2、BS3、BS4奥灰水观测孔奥灰水样水化学类型为HCO3-Na·Ca、HCO3-Ca型。

综合以上分析，南翼大巷突水点水化学类型与本区奥灰水一致，为HCO3-Ca·Mg、HCO3-Ca型。

4 突水机理

4.1 构造控水

受印支运动、燕山运动和喜山运动三期区域大型构造应力控制，整个宁武煤田中北部(阳方口—平鲁)被划分为统一的区域水文地质单元，北辛窑井田位于宁武煤田中北部构造转折端，整个井田处于同一水文地质单元[16]。区内西部、北部、南部及东部发育大量的寒武系、奥陶系裸露区，这些裸露区可直接接受大气降水的补给。井田南部、东南部主要受控于NE向宁武大断裂及其他断裂控制，断层北部和西部奥陶系出露多，且地势高，导致井田内奥灰水总体径流方向由南向北流动。井田及周缘没有天然排泄区，地质构造对排泄的影响不大，井田整体处于径流区。构造控水的型式分为：导水型、阻水型和贮水型。井田范围内F8正断层走向NE，倾向SE，倾角75°～79°，自西向东断层落差由220 m逐渐变为140 m。断层切割奥灰含水层，形成良好的导水通道。1#突水点附近揭露的F8-1、F8-2正断层为F8断层的次生小断层，断层处岩层破碎严重，裂隙发育，钙质胶结。巷道掘进破坏断层上下盘围岩稳态，断层面由原压缩区向卸压膨胀区过渡，所受拉应力逐渐增大，断层面逐渐张开，断层带透水阻力逐渐减小，在承压水作用下，不断对断层带进行渗透冲刷，最终发生突水。突水初期通道不畅，突水量小；随着断层面不断张开，断层带物质被冲刷殆尽，突水量达到峰值，当水压稳定后，突水量随之稳定。

4.2 掘进扰动诱发突水

2#突水点处巷道底板揭露奥灰含水层顶部，掘进致使相对隔水层岩体骨架发生屈服破坏，岩体内部形成大量翼状微裂纹。在底板承压水作用下，相对隔水层向卸压区挤压变形，这些微裂纹受到远场拉应力及水压渗透扩展的共同作用，密度不断增加并相互贯通。奥灰承压水沿微裂纹不断溶蚀冲刷开辟通道，由含水层上升进入到底板隔水层不同部位，在矿山压力的传递下，水压增大，奥灰水克服构造裂隙的粘滞阻力，发生突水。长期处于封闭状态的承压水弹性释放，以及传递转换矿山压力的能量，突水初期水量迅速达到峰值，而后突水通道与承压水体达到新的受力平衡，水压受水位控制，突水量即趋于稳定。

5 防治措施

南翼大巷原掘进标高为1 040 m，前方将遇到奥灰地层顶面最高标高为1 071 m，奥灰水位标高为 1 060 m，所遇到的水文地质问题主要表现为2个方面：一是开掘前方遇到构造导水时，易发生水害事故；二是奥灰水带压开掘超过突水系数时存在突水的危险性。根据北辛窑矿突水点和采掘生产活动特点，本次水害治理主要采用井下定向钻孔对大巷底板注浆堵水、加固、掩护掘进等技术手段，具体措施及注浆方案如下：

1)封堵突水点。施工8个常规回转钻孔，分别为T1～T8孔。其中，T1孔为顶板取芯钻孔，目的是为后期施工的顶板定向钻孔D1、D1-1和D2确定目标层位，避开本溪组泥岩段，防止塌孔缩径等事故的发生，提高定向钻孔成孔率；T2、T3和T4孔为2#突水点和南翼辅助运输大巷停掘端头的探查兼注浆钻孔，呈扇形布置于南翼辅运大巷停掘端头；T5～T8孔为1#突水点探查兼注浆钻孔，确保将1#突水点及突水点通道三维立体包围，为后期注浆提供有利条件。首先对1#突水点进行封堵，而后封堵2#突水点。

2)带压区注浆加固，对F8、F9断层进行注浆加固。施工定向钻孔9个，其中底板注浆钻孔6个，分别为Z1～Z6孔；顶板注浆钻孔3个，分别为D1、D1-1和D2孔，定向钻孔工程平面布置如图8所示。

图8 定向钻孔工程平面布置图

底板注浆钻孔平面上布置在南翼大巷各巷道的左右帮外约10 m，3条大巷共计6个钻孔；剖面上钻孔轨迹覆盖奥灰顶面下10～25 m内，通过调整定向钻孔轨迹尽量满足不同钻孔覆盖不同层位，定向钻孔剖面位置如图9所示。注浆完成后，实现对南翼大巷下部一定范围内的奥灰含水层进行改造，封堵裂隙，阻隔奥灰水突水。同时，为防止巷道掘进前方F8、F9断层导水，各底板注浆钻孔不同长度的延伸超过F8、F9断层，实现对F8、F9断层的注浆加固。顶板注浆钻孔布置在南翼回风大巷和南翼辅助运输大巷顶板煤柱上方，一方面通过顶板钻孔实现对F8、F9断层的注浆加固，另一方面疏放巷道上部含水层水。

图9 定向钻孔剖面位置图

注浆工程结束后，分别在顶板和底板施工钻孔取岩芯验证注浆效果，并沿巷道掘进方向施工超前钻孔，钻孔无出水现象，结果表明注浆效果良好。

6 结论

1)北辛窑矿南翼大巷2次突水的动态过程相似，最大突水量和稳定突水量具有可比性，研究显示2个突水点应为同一水源，存在水力联系。

2)南翼大巷6个水样水质化验结果显示，突水点水样pH值、K+Na离子质量浓度、Ca离子质量浓度、Mg离子质量浓度、HCO3离子质量浓度，以及水化学类型与本区奥灰水特征基本一致，确定突水水源为奥灰承压水。

3)区域地质构造控制着井田范围内地下水的补给、径流， 井田内F8断层切割奥灰含水层，形成导水通道。加之掘进扰动使相对隔水层失去隔水效能，致使处于封闭状态的奥灰承压水克服构造裂隙阻力，引发突水。

4)采用井下定向钻孔注浆技术对2个突水点进行封堵，并加固巷道底板，同时对掘进前方导水断层F8、F9进行注浆治理，确保了矿井的安全生产。