霄云煤矿1313工作面隐伏陷落柱突水机理分析

2020-10-22赵元强李肖兰

山东国土资源 2020年10期

赵元强，李肖兰

(1.山东省煤田地质局第二勘探队，山东济宁 272100；2.山东地矿新能源有限公司，山东济南 250100)

0 引言

近年来，随着煤矿开采向深度的不断延伸，开采技术条件也越来越复杂，突水淹井事故不断出现，据不完全统计，2012—2016年全国煤矿发生特大突水事故35起，死亡233人[1]。严重影响和威胁矿井安全生产。煤矿的水文地质条件受地层、构造、岩浆岩等影响因素较大，就使得水害的类型繁多，特别是对隐伏型导水构造的精细探查预测能力不足，使其成为了矿井水害的重要导水通道。通过对霄云煤矿突水情况和治理措施的分析研究(1)山东省煤田地质局第二勘探队，霄云煤矿1313工作面突水点注浆封堵报告，2018年。，以期能提高技术人员对隐伏地质构造的认识，加大对矿井隐伏构造的排查力度，避免生产中因突水灾害带来的人员和经济损失。

1 地质概况

霄云煤矿位于山东省金乡县东南苏鲁交界处的霄云镇。东北与鱼台县接壤，主井井口距金乡县城20km，距鱼台县城25km。井田东西长8.1km,南北宽2.9km，面积为23.42km2，矿井设计年生产能力0.90Mt,服务年限41年。大地构造位置属于华北陆块(Ⅰ级)、鲁西隆起(Ⅱ级)、鲁西南潜隆起区(Ⅲ级)、菏泽-兖州潜隆起(Ⅳ级)楼浅凹陷(Ⅴ级)中部(图1)[2]，为华北-柴达木地层大区(Ⅴ)华北地层区的鲁西地层分区。

1.1 地层概况

该区为冲积层全覆盖区，地层由老至新为奥陶纪马家沟群、石炭-二叠纪本溪组、太原组、山西组、二叠纪石盒子群、古近纪官庄群、新近系、第四系。区内含煤地层主要为石炭-二叠纪月门沟群太原组和山西组，山西组煤层厚度沉积稳定。目前矿井开采煤层为山西组3煤层，厚度0.4～7.69m，平均3.61m。煤层厚度有一定变化，但规律性较明显，煤层厚度可采性指数Km为0.95，厚度变异系数γ为38%，含2个煤类，煤质变化中等，面积可采性指数为0.67，属稳定煤层。

图1 区域构造纲要图

1.2 井田构造

该区位于金乡煤田的东南部，西部为区域断层曹马集断层。井田内地层走向近EW，倾向N。倾角10°～25°，浅部倾角大、深部倾角较小，为一向N倾斜的单斜构造[3]。区内构造复杂程度中等，断层较多，共组合断层201条。其中落差大于100m的有6条；落差50～100m的有3条；30～50m的有12条，其余的均小于30m。

1.3 岩浆岩

根据区域资料，金乡煤田内岩浆岩属燕山晚期岩浆活动的产物。在燕山晚期，岩浆大多是沿着大的断裂等构造破碎带，由南向北侵入含煤地层，以岩墙和岩脉的形式产出[4]。

区内在勘探过程中仅在J2-2号孔孔深897.70m位置见岩浆岩侵入于山西组顶部，岩性为中性闪长玢岩，厚度143m，对煤质没有影响。在1309工作面和1312工作面掘进过程中揭露岩浆岩侵入体形成的岩墙，由于岩墙厚度较小，故对煤层、煤质、瓦斯影响不大。

2 水文地质

2.1 各含水层富水及涌水的基本规律

(1)区内各充水含水层包括深部的奥陶纪灰岩在内，其补给、径流、排泄条件一般，含水层主要以静储量为主[5]。第四纪砂砾层含水层主要接受大气降水和边缘地带基岩裂隙水的侧向补给，基岩各含水层则主要通过隐伏露头接受第四纪砂砾层含水层的渗透补给。

(2)正常情况下，矿井投产初期及开采浅部煤层时，矿井涌水量较大，随着开采时间和井下开拓面积的延长，矿井涌水量就会在稳定一段时间之后出现缓慢减小的趋势。开采3煤层时，其直接充水含水层为3煤层顶板砂岩，在浅部区域以巷道顶部淋水形式为主，深部区域主要为巷道顶部滴水形式或无水[6]。三灰及十下灰等薄层灰岩在矿井浅部多以底板涌水形式为主(图2)，深部区域多以淋水形式为主。如果十下灰含水层在深部与奥灰通过断层导通，则会变为涌水形式。

(3)含煤地层的基底奥灰强含水层对煤矿生产的威胁主要集中在煤田浅部，据金桥煤矿奥灰含水层抽水试验资料，水位高程+33.31m～+33.98m，单位涌水量为0.0427～0.938L/s·m，渗透系数0.08～3.32m/d。奥灰是石炭-二叠纪含煤地层的沉积基底，是区域性的强含水层，它主要以底鼓涌水的形式对矿井开采形成威胁[7-11]。

2.2 断层导水性

区内有断层19条，落差大于50m的断层7条，其中有5条落差大于100m，均为正断层。根据区内各条勘探剖面图可以得知，当断层落差大于50m时，断层上盘的3煤层层位会与下盘的太原组三灰形成对口；当断层落差大于150m时，3煤层层位就会与下盘的太原组底部灰岩及奥灰强含水层形成对口接触，受煤层采动影响，对盘的岩溶裂隙水含水层可冲破断层软弱带和两侧裂隙带以底鼓的方式对采煤造成不利影响。

该区的钻孔在揭露或穿过断层或近断层处均未发现冲洗液漏失现象，简易水文观测消耗量均在正常变化的范围内，没有发生突然增大的现象，这都可以证明该区断层基本不含水或不导水，断层的富水性与导水性均较弱。

1—钻孔；2—石灰岩含水层；3—煤层；4—断层图2 霄云煤矿8线水文地质剖面图

3 矿井突水过程及突水量的变化情况

2018年9月10日22时45分，霄云煤矿1313工作面在正常生产过程中，发现43#架底板出现轻微渗水(图3)，初始出水量约10m3/h，至9月11日凌晨1时，工作面突水量逐渐增加至100m3/h。至11日凌晨3点，工作面突水量水量突增至约400m3/h，因突水量过大(预测最大约为1500m3/h)，超过了矿井设计排水1200m3/h的能力，水位持续上升，严重威胁矿井安全，11日21点10分井下170人全部安全升井。9月13日10点20分，测算突水量约为3673m3/h，截至9月27日早7时，矿井水位一直在上升中，奥灰长观孔的水位一直在下降中，两水位差正逐步接近(图4)。

1—河流；2—煤巷；3—断层；4—煤层露头线及凤氧化带；5—孔号◎钻孔煤厚图3 1313工作面出水点位置示意图

4 1313工作面充水因素分析

根据1313工作面两顺槽揭露情况、区域内抽水试验及井下水文地质钻孔取得的成果，对1313工作面水文地质情况分析如下。

(1)3煤顶板砂岩水。3煤顶板砂岩单位涌水量0.00001295～0.00821L/s·m，渗透系数0.000599～0.016m/d，总体评价富水性弱，连通性差，主要以静储量为主，易于疏干。局部可能会出现顶板滴淋水情况，通过疏放可以降低甚至解除对矿井开采的影响[12]。

图4 奥灰长观孔水位、副井井筒水位及涌水量关系图

(2)三灰水。根据三灰抽水试验结果，该含水层为弱含水层，且3煤底板距离三灰顶平均为42m，且两者之间发育数层泥岩，经计算，大于安全隔水层厚度，正常情况下可以起到很好的隔水作用[13]。根据在1313胶带顺槽P33#点探水硐室内施工的三灰孔取得的参数，采用突水系数[14]计算公式：Ts=P/M=1/42=0.024，故1313工作面总体不存在三灰水突水的危险性。在实际掘进回采过程中也未出现三灰水突水现象，仅有揭露断层时少量的断层裂隙出水现象，基本排除了三灰突水的可能性，但应注意断层及构造带附近滞后突水的防护措施。

(3)断层水。该工作面切眼外西北方向的13-9断层(H=6m)经过钻探验证，该断层区域内富水性较弱，不含水、不导水。工作面揭露的13-1等11个断层，落差在1.0～3.5m，这些断层导水性和富水性同样较差，以上断层均没有发生出水。因此1313工作面回采期间受断层水的威胁较小。

(4)钻孔水。经核实，工作面回采范围内没有钻孔，不会受钻孔水威胁。

(5)老空水。该工作面与1307老空区相邻，相邻范围约740m。1313工作面在1307工作面倾向上方，积水线在1313工作面垂直标高5m下，1307老空水通过泄水巷进行持续排放，平均涌水量为7m3/h。因此在1313工作面回采期间做好1307持续排水，维护好排水系统正常运行的前提下，1307老空水对回采影响较小。同样根据相关公式计算并结合实际情况确定，1309老空水对1313工作面回采基本无影响。

(6)奥灰水。区内勘探阶段有两个钻孔揭露奥灰含水层，揭露厚度均小于20m。岩性为石灰岩及白云质灰岩，其中J8-3号孔位于浅部岩溶裂隙发育带，钻进中发生冲洗液全漏失(漏失量>15m3/h)。区内3煤层底板到奥灰顶平均距离为194.6m，平均隔水层厚度164.78m，奥灰水位高程在矿井突水前为-11.93m，1313工作面回采的最低点约-675m，经计算突水系数为0.04。

按照《防治水细则》和相关经验值，认为区内奥灰含水层在正常情况下对矿井生产不会构成威胁[15]。

(7)火成岩侵入体及其他地质构造。该工作面内揭露火成岩侵入体岩墙3条，受此侵入体影响，在采动作用下易形成导水裂隙，从而沟通3煤顶板砂岩裂隙含水层[16]，1313工作面两顺槽在掘进至火成岩侵入体附近时，顶板出现滴淋水现象，两顺槽最大淋水水量在2～3m3/h左右，出水层位集中在3煤层顶板以上6～9m的中砂岩含水层位内。其导水通道为火成岩侵入体附近局部因裂隙发育导通了顶底板含水层，出现局部顶板淋水现象，预计对回采将会产生一定影响(图5)。

1—钻孔；2—石灰岩含水层；3—煤层；4—陷落柱；5—工作面；6—断层图5 工作面各充水因素剖面图

5 突水水源及通道分析

5.1 突水水源分析

5.1.1 水质

5.1.2 水位

(1)奥灰长观孔水位变化情况。2018年9月11日—15日，奥灰水位从-13.77m下降至-104.50m，平均下降速率为0.90m/h；9月15日—9月22日，奥灰水位从-104.50m下降至-189.84m，平均下降速率为0.50m/h；9月22日—9月28日，奥灰水位从-189.84m下降至-228.00m，平均下降速率为0.23m/h；9月28日—10月12日，奥灰水位从-228.00m上升至-193.00m，平均上升速率为0.11m/h。

自2018年10月12日开始进行钻孔注浆堵水后，奥灰含水层水位呈持续上升状态，至2018年12月16日奥灰水位上升至-90.70m。期间累计注浆量61424.78m3。

(2)副井井筒水位变化情况。2018年9月12日—9月28日，副井水位从-790.00m上升至-344.00m，平均上升速率为1.16m/h；9月28日—10月12日，副井水位从-344.00m上升至-198.00m(图6)，平均上升速率为0.43m/h。

图6 奥灰长观孔和副井水位变化趋势及钻孔注浆量关系图

自2018年10月12日开始进行钻孔注浆堵水后，副井水位开始下降，并于11月7日开始排水，至12月16日，副井水位下降至-785.50m，副井累计排水量1457700.0m3。

(3)水温。通过测量突水的水温，发现稍高于老空渗水的温度，说明其为煤层底板以下地层来水。经综合对比分析，该次矿井突水的水源来自奥灰含水层。

5.2 突水通道分析

该次矿井突水通道可能有钻孔封闭质量差或钻孔未封闭、断层、陷落柱等。

5.2.1 钻孔通道

1313工作面内及突水点附近无施工钻孔,故不存在钻孔导水的可能。

5.2.2 断层通道

DF61大断层距离1313工作面切眼超过200m，位于断层上升盘，因此断层导水的可能性极小，该工作面与DF61断层之间无连接的其他断层，工作面位于留设的断层保护煤柱外[17]，DF61断层对1313工作面影响较小。

5.2.3 陷落柱通道

开采区域位于三维地震范围内，根据三维地震时间剖面特征，1313工作面西部区域3煤层反射波稳定连续，受地震技术手段的限制，3煤层之下岩煤层分辨率很低，报告中未提及有陷落柱；三维地震精细报告及井下瞬变电磁成果均未解释此区域内有陷落柱发育。但通过后期的注浆钻孔揭露情况发现在3煤层底板以下存在一陷落柱构造。根据钻探注浆情况对导水构造的分析能够更清晰的得到此结论(表1)。

表1 钻孔钻遇地层数据

(1)钻探施工泥浆漏失(注浆位置)与地层、构造的对应性。

(2)钻探施工泥浆漏失特征。通道注浆过程中，吸浆量大，注浆时间长，井口产生负压现象，说明通道十分畅通，受浆容积大。根据以往注浆堵水经验，该次注浆与断层通道注浆特征不相符，较符合陷落柱吸浆特征，所以突水通道类型基本确定为陷落柱。

(3)导水通道分析。按照矿井水文地质资料，三灰、五灰、十下灰其富水性较弱，未发现有大的溶洞[18-20]，在水泥浆的扩散半径之内，含水层的裂隙不会存储高达36000余立方的水泥浆，在钻孔轨迹附近存在大的陷落柱式的导水(储水)构造。

(4)陷落柱半径的计算。1#孔总注浆量2.4万m3，基本全部进入到钻孔附近裂隙孔隙以及推断的陷落柱中。该孔揭露的泥岩、粉砂岩未发现有冲洗液消耗情况，注水泥浆过程中浆液会渗入到含水层的裂隙中，2#孔施工至741.00m处岩粉中发现有凝固的水泥块，此处距1#孔30.00m，以此可以作为水泥浆的扩散半径。陷落柱未发育至3煤层，根据钻孔施工中泥浆漏失深度推算，其顶底深度分别为724.00m和840.00m，陷落柱自身的孔隙率按50%，经计算陷落柱半径约为9.00m(图7)。