单家村煤矿八采区奥灰突水机理研究

彭敬琛，苏雁军

（山东裕隆矿业集团有限公司，山东 曲阜273100）

0 引 言

煤矿水文地质灾害一直是制约煤矿安全发展的关键性问题之一，国内外很多煤矿开采中都不同程度地受到底板岩溶水的影响[1]。在我国华北型石炭二叠纪煤田，最为典型的就是奥陶系石灰岩溶水，其煤系基底为奥陶系石灰岩含水层（以下简称奥灰含水层），奥灰岩溶水以其分布广，补给畅通，水量充沛，水压高成为煤田开发过程中的重要水害。

国内外对煤矿底板岩溶水的研究己有100 多年的历史，在底板岩体结构的研究、探测技术及防治水措施等方面，积累了丰富的经验。虽然许多专家与学者在煤矿底板突水方面在近些年也进行了很深的研究，并且取得了巨大的成就，但小断层诱发的突水机理和断层的滞后突水机理的仍值得加强研究[2]。因此，开展煤矿奥灰突水机理研究具有重要的理论意义与实际价值。

本文采用实证研究和经验总结两种方法分析八采区奥灰滞后突水原因、结合奥灰水文观测孔数据，研究八采区奥灰含水层特征和突水机理。

1 八采区水文地质条件简述

山东裕隆矿业集团有限公司单家村煤矿位于山东省曲阜市西约10km，隶属兖州煤田。八采区位于井田东北部，北至F32 断层，东F33 断层，南至矿井边界，西到SDF17-1 断层、西北到SDF13 断层。采区正常涌水量为16m3/h，最大涌水量为24m3/h。

采区内对生产有影响的主要含水层有：第四系砂层含水层、二叠系山西组3 煤顶底板砂岩水、石炭纪太原组第三、十下灰岩裂隙水、第十四层灰岩水和奥陶系灰岩溶隙水。上述各含水层除第四系砂层含水层、奥陶系灰岩水外，均以静储量为主。其中3 煤顶板砂岩水一般以淋水为主，对采掘活动影响较小；采区内三灰水已探放，对生产无影响；十下灰岩裂隙水对采掘活动无影响；奥灰水受采区断层构造发育影响，与3 煤发生对接，可能成为3 煤的直接充水含水层，威胁3 煤的开采。

2 八采区奥灰水文地质情况分析

单家村煤矿八采区曾发生过奥灰滞后突水事故，本章节以此为例，结合矿奥灰水文观测孔观测数据，综合分析八采区奥灰突水机理。

2.1 八采区奥灰滞后突水及封堵情况说明

2.1.1 突水经过

单家村煤矿八采区皮带巷掘进过程中，后方巷道P5 点前147.6m 处底板发生突水，水量逐渐增大至70m3/h，最大达到160m3/h，后逐渐稳定在108m3/h。突水点位置及附近地质构造见图1 及图2。

图1 原突水点附近地质构造示意图

图2 实际突水点附近地质构造示意图

2.1.2 封堵工程总结及效果

封堵工程共施工钻孔33 个，实际完成钻探工程量2803.71m，共注入水泥7133.65t，注入速凝剂12t吨及裂隙填充物，施工井下瞬变电磁超前探测1 次。

经最终验证孔钻进验证，钻进过程中孔内无水，未出现漏浆和大规模注浆情况，加压后仍无法注浆，表明断层破碎带及巷道附近奥灰富水区已被有效封堵和加固，本次封堵工程达到预期效果。堵水结束后，巷道涌水量4m3/h，取水样化验分析结果为3 煤底板砂岩水或上部灰岩水（见表1），分析认为剩余涌水量应为原来巷道内的自然淋水，至此注浆堵水工程施工结束，达到了设计目的及要求。

表1 封堵后水质化验结果

2.2 奥灰滞后突水原因分析

发生突水时，八采轨道大巷和皮带大巷均已掘进至突水点前240m 外，且岩石层位已正常。八采轨道、皮带大巷掘进及出水之前两巷道均以淋水为主，未发现明显突水点。期间多次取水样化验（表2），对比水质化验台账中相同或相近层位化验单，结果均判断为上部灰岩水（因处断层破碎带中，地质情况不明确，无法判断具体层位）。根据上述所有资料，可判断为两巷道淋水为断层破碎带导通的上部某层灰岩水，水量稳定，约为1～2m3/h。皮带巷底板发生突水后，又多次取水样进行化验（见表3），发现水样中硫酸根离子、碳酸根离子以及钙、镁离子含量明显升高，通过比对，确定为奥灰水。

表2 突水前水质化验结果

八采巷道从淋水到突水相隔近一年，为典型的断层滞后突水。

八采区皮带巷在P7 号导线点附近揭露奥灰约20m，出水位置为奥灰尖灭即SDF17-1 断层与DF15断层交差位置。通过构造分析、地层对比，认为八采皮带巷P7 号导线点以北的局部区域有地垒（奥灰顶高出巷道底板），该地垒是由SDF17-1、DF14、DF15 三条断层形成。突水原因可归纳为：原SDF17断层在巷道掘进范围内并不存在，取而代之的为DF14（倾角75°，落差70m）、DF15（倾角75°，落差45m）两条倾向相反的断层，两断层中间形成地垒，造成了下部奥灰上台，直至出露至巷道内。巷道掘进通过后，受动压影响，断层活化，由不导水断层变为导水断层，奥灰水通过断层破碎带涌入到巷道内，最终形成奥灰滞后突水。

表3 突水后水质化验结果

该地垒在巷道标高-440 水平切面上呈梯形，走向南北，南部（巷道揭露位置）最窄，由南向北逐渐加宽，向北延伸至F32 断层（H＞250m）处，宽度大于20m。奥灰顶界面倾向正南，靠近八采皮带巷位置最低标高为-425m，高出巷道底板标高约15m。巷道揭露的奥灰位置为SDF17-1 断层面，奥灰突水位置分析见图3。

图3 奥灰突水位置平面图

2.3 八采区奥灰水文地质情况分析

2.3.1 采区周边断层赋存情况及富、导水性

八采区周围共存在三个大断层，其中SDF17 断层深入至采区内部。F32、F33 两断层落差很大，均超过250m，使奥灰含水层大幅度抬升，即八采区东部和北部被奥灰含水层包围，采区3 煤层通过断层直接和奥灰连接。根据单家村煤矿所做物探资料显示，F32、F33 断层均具有一定富水性，富水性不均一，但由于其落差太大，将奥灰强富水性层位抬升至与3 煤层对接。因此，在八采区采掘活动时应判断两个断层为导水断层，且计算、留设防隔水煤岩柱时应采用“煤层位于含水层上方且断层导水时防隔水煤岩柱的留设”的方法。

图4 八采区地质构造纲要图

2.3.2 采区内部断层赋存情况及富、导水性

八采区内部断层发育，除SDF17 大断层外，还有DF14、DF15 两条较大断层，另有数条F32、F30 断层分支断层及许多小断层。

八采区发生奥灰滞后突水后，在封堵过程中对SDF17、DF14、DF15 断层及下部奥灰都进行了注浆加固，改造了巷道围岩和下部岩层，使其变为了有效的隔水层。因此，八采区轨道、皮带大巷范围内三条断层应判断为不含水、不导水，但其他区域至今未进行有效探查，断层富、导水性不明。

采 区 内 部DF35、DF716、SDF21 断 层 分 别 为F32、F30 断层分支断层，导水性尚不明确。

采区内其他小断层不具有水害威胁。

2.3.3 区内奥灰含水层特征表现

通过研究奥灰滞后突水和封堵过程及矿后续打设的奥灰长观孔监测数据可得：

1）单家村煤矿八采皮带巷发生奥灰突水后，井下堵水工程虽有成果，但仍不甚理想，巷道跑浆、漏浆情况较为严重。

2）八采皮带巷发生奥灰突水时，封堵之前井下水量一直比较稳定。

3）地面打钻注浆时，不同深度注浆效果不同。

4）单家村煤矿井上有一个奥灰水文观测孔，与出水点相距约两公里，水文动态系统实时监测表明从出水到成功封堵，观测孔内奥灰水位均未发生变化。

5）井下突水初期，单家村煤矿也曾做过奥灰连通性试验，在奥灰孔内投放洋红，但井下连续监测未发现有洋红溶液流出。

2.3.4 八采区与矿井其他区域奥灰含水层特征对比

单家村煤矿目前有三个奥灰水文长观孔。井上一个，2011 年打设，终孔深度288.01m，终孔层位进入奥灰60.1m，全孔进行抽水试验1 次，采取水质样品1份，奥灰上部70m 富水性弱，下部富水性逐步增强；井下两个，其中-240 奥灰孔2014 年打设，终孔深度96.4m，终孔层位进入奥灰46.4m，奥灰上部50m 富水性弱，下部富水性逐步增强，全孔进行放水试验1 次，采取水质样品1 份；-450 奥灰孔2019 年打设，终孔深度152.44m，终孔层位为奥灰顶部，全孔进行放水试验1 次，采取水质样品1 份。三个观测孔均安装了奥灰水文动态观测系统。根据2011 年至今的奥灰水文观测系统实时动态数据分析得出，旱季奥灰水位明显下降，降水后水位又明显回升，同时通过对第四系和奥灰水分别进行取样化验，化验结果数据基本相同。

八采区与矿井其他区域奥灰含水层特征对比见表4。

表4 奥灰含水层特征对比表

综合分析以上几点，单家村煤矿八采区奥灰含水层的特性可总结如下：

1）八采区巷道突水点周围至奥灰深部之间裂隙极其发育，导水通道众多。

2）单家村煤矿奥灰水水量非常丰富，奥灰内部溶洞极其发育但不同区域富水性不均一，区域之间连通性较差。

3）矿井区域内奥灰上部50m 内富水性弱，八采皮带巷出水可定义为受断层破碎带影响的奥灰滞后突水。

4）矿井区域内奥灰水与上部第四系联系密切，受地面水补给。

3 奥灰突水机理

结合单家村煤矿1994 年三采区-290m 水平3321 溜子道和本次八采区两次奥灰突水，以及矿井生产过程中实际地质、水文地质资料，可认为单家村煤矿八采区主要水害威胁为断层导水引起的奥灰突水，其突水机理总结如下。

3.1 机理一

单家村煤矿为老矿井，三维地震资料和结合其分析、解释出的井田地质构造结果较为久远，受当时技术和条件限制，很多构造没有解释清楚，位置、产状、富导水性均不明确，这点在矿井后续采掘活动中也已逐步证实。1994 年三采区-290m 水平3321 溜子道和八采区两次奥灰突水的直接原因均为地质构造资料不准确，断层位置和形态偏差很大，致使巷道掘进过程中直接揭露奥灰，断层破碎带及奥灰岩溶裂隙形成出水通道，引发奥灰突水。

由此可见，单家村煤矿八采区乃至全矿井奥灰突水机理之一为地质资料不准确导致采掘活动直接揭露奥灰引发突水。

3.2 机理二

单家村煤矿八采区3 煤底板至奥灰顶界面垂直距离约为200m，奥灰水头值约为+21m，采区3 煤最深埋藏标高为-600m，奥灰最大水压为6.2MPa，按照突水系数计算公式，正常条件下，其突水系数为：T=P/M=6.2/200=0.03，远低于T 小于1 的安全评价标准。所以，八采区正常块段内，底板没有奥灰突水风险。

但矿井内地质构造较为发育，断层的相互作用可能会使地层抬升，或局部抬升，缩小奥灰水导高，原有的突水系数计算公式不再适用。另外，奥灰抬升过程中如果和其他含水层对接，则可成为这些含水层的直接充水水源，使水文地质条件更加复杂，突水威胁进一步增大。

因此，单家村煤矿八采区奥灰突水机理之二为断层抬升奥灰含水层，导致3 煤层与下部含水层之间隔水层厚度不足引发奥灰突水。

3.3 机理三

采掘活动会导致地质构造活化，影响断层导水性，使原不导水断层变成导水断层，引发奥灰滞后突水。本次八采区奥灰突水就是典型的受采掘活动影响形成的断层滞后突水。

因此，单家村煤矿八采区奥灰突水机理之三为采掘活动引起断层活化，改变其导水性引发奥灰滞后突水。

4 结 语

目前，兖州煤田乃至全国奥灰突水事故虽然并不少见，但大多是采掘工作面直接揭露奥灰引发的突水或采煤工作面附近隐伏构造导致的滞后突水，掘进巷道受断层影响直接揭露奥灰而导致的断层活化、滞后突水却并不常见。本次研究填补了兖州煤田在巷道掘进过程中断层导致奥灰滞后突水方面的空白。

八采区为单家村煤矿最后一个采区，能否顺利开采对矿井长远接续具有十分重要的意义。本次研究为八采区水害防治工作和下一步合理布置采掘工作面提供了技术依据，为确保采区的安全生产打下了坚实基础，也为同类受水害威胁的矿井提供了重要借鉴。