基于断层封闭性的导水性评价及防隔水煤柱设计

李光辉，王 杰，谢道雷，魏久传，刘 鹏

(1.山东科技大学地球科学与工程学院，山东 青岛 266590；2.山东能源新汶矿业集团有限责任公司，山东 泰安 271200；3.山东能源临沂矿集团王楼煤矿，山东 济宁 273500)

我国是世界上煤炭产量最高的国家，但我国煤田地质类型较多，构造复杂，由于矿井突水隐蔽导致的灾害因素与机理多样性较多[1]，因此我国也是世界上受矿井水害威胁最严重的国家之一。矿井水害不仅影响矿井正常生产，而且矿井突水时有可能淹没采矿区，造成重大人员伤亡和财产损失[2-6]。矿井水害的发生主要有两个条件：一是突水水源；二是突水通道[7]。其中，断层作为地下水中的一个重要导水通道，可使不同含水层之间发生地下水联系，轻可导致矿井涌水量增大，重则引发突水事故[8-10]。因此，对于近断层的煤层开采需要留设防隔水煤岩柱，但是确定防隔水煤岩柱留设宽度需要对断层的导水性进行分析。目前，对于断层导水性的分析主要采用抽(放)水试验、联通试验、渗流场分析等方法，或采用钻探、物探(主要是电法、电磁法)等手段进行探查。但这些方法和手段具有一定的局限性，仅对断层(特别是大断层)的某一地段有效果，不能从整体上把握断层的导水性。分析断层的导水性具有一定难度，尤其对于具有一定规模的断层，无论在垂向上还是横向上，其导水性都是不断变化的，简单认定某断层是导水断层或者不导水断层是不合理的。在油气勘探中，对断层的封闭性研究较多，其中岩性并置法和SGR断层泥比率法可以直观反映出断层上下盘岩性的对接关系，了解断层在侧向上对油气的阻隔性能，而且成图与计算时间短，常用于断层的侧向封闭性评价[11]，用断面正压力判定来评价断层的垂向封闭性[12]。鉴于断层的导水性与封闭性具有密切联系，断层的封闭性越好，说明其阻隔能力越好，即该断层对于水的导通性越差；反之断层的封闭性越差，该断层对水的导通性就越好。因此对煤系断层导水性的评价可以借鉴对断层封闭性研究的理论和方法，探索出一种通过分析断层封闭性进而综合评价断层导水性的方法。

王楼煤矿自建井以来一直受矿井涌水影响，平均涌水量为800 m3/h，其中涌水量较大的有11301工作面、11303工作面、11305工作面，这3个工作面由于受到刘官屯断层的影响，最大涌水量达到450 m3/h。矿井排水系统被多次改造，排水设备高负荷运转，防治水压力较大。由于刘官屯断层在井田内延伸较长，导致断层不同部位的含水性和导水性存在差异。因此本文通过对刘官屯断层的封闭性在侧向和垂向两个方向进行综合评价，进而判断该断层的导水性，并使用公式法和经验法为该断层留设合理宽度的防隔水煤岩柱。实现27309工作面煤层的安全开采，对王楼煤矿后续的其他工作面安全生产有重要的借鉴意义。

1 工程概况

1.1 井田概况

王楼井田位于济宁煤田以南，形状不规则，东西长8.7～13.2 km，南北宽3.4～7.9 km，面积66.585 km2，井田开采深度-1 200～200 m，水文地质类型为复杂型。区内地层自下而上依次为：奥陶系中下统、石炭系、二叠系、侏罗系上统、第四系。主要含煤地层为下二叠统山西组和上二叠统至石炭统太原组。目前矿井主采山西组3上煤层，该煤层厚度较大，赋存情况稳定。3上煤层采用上行开采，采煤方法为走向长壁后退式采煤法，采煤工艺为综合机械化采煤，全部跨落法管理顶板。 井田内主要含水层自上而下有：第四系孔隙含水层、侏罗上统砂砾岩裂隙含水层、山西组3上煤层顶板、底板砂岩裂隙含水层、太原组三灰岩溶裂隙含水层、太原组十下灰灰岩岩溶裂隙含水层、奥陶纪石灰岩岩溶裂隙含水层。

1.2 研究区概况

刘官屯正断层位于王楼井田东部。走向NW～NNW，倾向SW～SWW，倾角75°，断层最大高差为50 m，井田内延展长度为2.24 km，该断层错断侏罗系、二叠系以下全部煤层，属查明断层。刘官屯断层横穿一采区、二采区、七采区，因此根据采区把该断层分为上段、中段、下段。本文以刘官屯断层上段为研究区，27309工作面位于刘官屯断层的上段下盘位置(图1)，该工作面煤层厚2.8 m，主要的水害威胁为3煤层顶底板砂岩水和断层水。

图1 研究区示意图

2 断层含水性、导水性分析评价

对于刘官屯断层是否为导水断层关系到是否需要留设断层防隔水煤柱，同时影响该工作面的安全高效生产。如果刘官屯断层为导水断层，但未采取措施而使井巷工程直接穿过，会导致灾难性后果[13]；但如果刘官屯断层为不导水断层，被当作导水断层处理，势必会留设大量防隔水煤柱，导致工作面无法正常开采。本文从侧向导水性和垂向导水性两方面综合评价刘官屯断层的导水性，分析断层两侧含水层之间的水力联系和断层一侧或两侧不同高程的含水层之间通过断层(带)之间的水力联系。

2.1 侧向导水性评价

断层的侧向导水性取决于断层带两盘含水层对接关系和断层带自身的透水性，可以以断层带泥质充填程度为依据。

2.1.1 岩性并置图法

岩性并置图是评价断层侧向封闭性的基础。在研究流体的砂岩地层时，砂岩视为渗透性地层，泥岩视为非渗透性地层，封堵程度用砂泥对接概率表示。断层会导致地层层位错断，当渗透性地层被非渗透性地层封堵时，封堵程度越高，断层在研究段侧向封闭性越好，这种封闭性是由于不同岩性地层对接产生的。所以通过计算砂泥对接概率来评价断层侧向封闭性时，若砂泥对接概率高则研究层段内砂岩大部分被泥岩封堵，说明断层在该段侧向封闭性好，进而说明其侧向导水性差。通过绘制刘官屯断层上段断面附近的上盘地层岩性图(图2)和刘官屯断层上段断面附近的下盘地层岩性图(图3)，以及上盘岩性图与下盘岩性图叠加得到的刘官屯断层上段岩性并置图(图4)，根据图4中砂岩层对接区域面积占总区域面积的大小来计算砂泥对接概率，进而评价断层侧向导水性(表1)。结果表明，砂泥对接概率越高，导水性越好；对接概率越低，导水性越差[14]。

表1 断层侧向导水程度分级表

图2 刘官屯断层上段上盘地层岩性图

图3 刘官屯断层上段下盘地层岩性图

图4 刘官屯断层上段岩性并置图

图5 SGR计算模型图

由图4可知，该断层砂-砂岩对接窗口几乎不发育，其中砂-砂对接比例占区域的11.47%，砂-砂岩对接概率较低，根据表1的分类标准可以评价该断层侧向导水性差。

2.1.2 断层泥比率法(SGR)

断层泥比率法(SGR)是定量评价断层侧向封闭性的一种方法，由YIELDING等[15]提出。断层岩内的泥质含量基本决定了断层岩能否起到封闭的作用，利用SGR算法预测断层带的泥质含量，计算滑过断层每点岩层的泥质含量(图5)，计算见式(1)。

SGR=∑(Vsh×ΔZ)/D×100%

(1)

式中：ΔZ为断移地层带厚度，m；Vsh为断移地层带泥质百分含量，%；D为断层的断距，m。

SGR算法中假设断裂带内形成的断层泥是滑动段内的围岩以相同比例混合而成。通过SGR算法可以直接计算出由于断裂作用的机械过程所形成断裂带内的物质成分，从而对断层岩进行分类。当SGR<15%时，断层岩为碎裂岩；当SGR>40%时，断层岩为泥岩涂抹；当15%15%时断层导水性较差。

基于图4的断层岩性并置图，再结合断层泥比率SGR算法，根据式(1)计算图4中断层从上到下每点的SGR值，得到刘官屯断层上段岩性并置图及SGR关系图(图6)，进而综合评价断层侧向导水性。

图6 刘官屯断层上段岩性并置与SGR值关系

由图6可知，刘官屯断层上段整体SGR值普遍大于70%，主要集中在75%以上，砂-砂对接区SGR值普遍较大，最大达到80%以上，会出现较强连续的泥岩涂抹，所以断层的侧向封闭性较好，因此刘官屯断层上段综合侧向导水性较差。

2.2 垂向导水性评价

2.2.1 泥岩塑性变形分析

断层垂向导水性需要考虑断裂带的泥质成分能否发生塑性变形从而流动堵塞裂隙。能否发生塑性变形需计算断面正压力。当断层面(带)压力达到或超过5 MPa时，断裂带中的泥岩会发生塑性变形，流动堵塞裂缝[17]，断层垂向导水性弱。

2.2.2 水岩应力作用分析

断面压力与水压共同作用影响断层的垂向导水性，当水压大于断面压力时，水压使断裂面有张开趋势，此时断层垂向导水好；当断面压力大于水压时，水压不足以使断裂面张开，此时断层垂向导水差。

2.2.3 垂向导水性综合评价标准

当断面压力同时小于水压和泥岩塑性变形强度(5 MPa)时，将垂向导水性定义为好；当断面压力小于水压和泥岩塑性变形强度(5 MPa)其中任意一个因素时，将垂向导水性定义为中等；当断面压力同时大于水压和泥岩塑性变形强度(5 MPa)时，将垂向导水性定义为差。

由于要开采的27309工作面位于刘官屯断层上段的下盘，该处煤层受水害威胁的主要含水层为顶部的侏罗系砂岩裂隙含水层，因此，断层是否导通侏罗系砂岩裂隙含水层对矿井的安全影响最大，所以本文评价的断层垂向导水性以断层是否导通侏罗系砂岩裂隙含水层为标准，在开采煤层工作面附近断层处所受的水压即为侏罗系砂岩裂隙含水层在该处的水头压力，断面正压力(图7)计算见式(2)。

P=Z(ρr-ρw)cosα+σsinαsinβ

(2)

式中：P为断层面所受正压力，MPa；Z为断层面埋深，m：取断层附近3煤层底板埋深为-1 067 m；ρr为上覆地层平均密度，kg/cm3，依据该矿井岩石物理力学试验数据取值0.002 7 kg/cm3；ρw为地层水密度，kg/cm3，取值0.001 kg/cm3；σ为区域主压应力，MPa，依据该矿井地应力测试结果取14.75 MPa，方位角取174.5°；α为断层面倾角，(°)，取值75°；β为σ与断层走向夹角，(°)，取值32°。

图7 断层面受力分析示意图

根据式(2)可求得断层面正压力P=7.09 MPa，大于泥质岩的塑性极限5 MPa，但是小于3煤层底板水头压力8.46 MPa，所以刘官屯断层垂向导水性中等。

2.3 综合评价

刘官屯断层上段垂向导水性中等，侧向导水性差，说明该断层两侧含水层的联系通道不发育，但是断层一侧或两侧不同高程的含水层的水力联系较好，断层的封闭性较差。所以综合判定该断层具有一定导水性，需要计算并留设足够宽度的防隔水煤岩柱。

3 刘官屯断层防隔水煤柱留设

结合刘官屯断层的实际发育情况、断层含、导水性分析的综合评价，采用公式法和经验法来确定该断层留设防隔水煤岩柱的最佳安全宽度。最大限度保证要开采的27309工作面既不导水，又能最大限度地回采煤炭资源。

3.1 断层防隔水煤岩柱公式计算

根据《煤矿防治水细则》[18]，煤层与强含水层或导水断层接触，并局部被覆盖，且含水层顶面高于最高导水裂缝带上限，因此刘官屯断层防隔水煤岩柱按式(3)计算。

L=Hacscθ+HLcotθ+HLcotα

(3)

式中：L为防隔水煤岩柱宽度，m；HL为最大导水裂缝带高度，m；θ为断层倾角，(°)；α为岩层塌陷角，(°)；Ha为断层安全防隔水煤(岩)柱的宽度，m。

由于王楼井田没有实际的突水系数资料，因此Ha值按式(4)计算。

(4)

式中：P为防隔水煤岩柱所承受的静水压力，MPa；Ts为临界突水系数，MPa/m。

根据王楼矿井资料P取值8.46 MPa，Ts值取0.10 MPa/m，断层倾角θ取75°，岩层塌陷角α为65°，最大导水裂缝带高度HL取40 m。计算过程见式(5)和式(6)，可得刘官屯断层防隔水煤岩柱宽度为127.3 m。

(5)

LTs=0.1=L1+L2+L3=

Hacscθ+HLcotθ+HLcotα=127.3 m

(6)

3.2 断层防隔水煤岩柱经验判断

刘官屯断层作为采区分界线，断层附近已开采结束的工作面有11301工作面、11303工作面、11305工作面、12303工作面、12305工作面、12307工作面和13302工作面等，部分工作面出水情况见表2。

表2 工作面参数及涌水特点统计表

由表2可知，12303工作面、12305工作面、12307工作面和13302工作面均对刘官屯断层留设了140 m的防隔水煤岩柱，回采过程中水量较小，而一采区出水较大的工作面均对断层留设了50 m的防隔水煤岩柱，特别是11305工作面，回采过程中最大出水量达450 m3/h，造成了掩面事故，分析为采动后刘官屯断层及其次生断层、裂隙导通上部侏罗系砂岩含水层，致使涌水增加。根据以上工作面开采经验教训来看，留设小于140 m断层防隔水煤岩柱的刘官屯断层都出现了不同程度的出水，大于140 m断层的防隔水煤柱断层基本不出水，可以达到安全开采。

3.3 综合确定

结合以上2种方法的结果，刘官屯断层防隔水煤岩柱需要留设至少140 m才能保证该断层下盘27309工作面煤层的安全高效开采。

4 结 论

1) 提出了一种根据断层封闭性推导评价断层导水性的方法。通过岩性并置图和断层泥比率两种方法确定出刘官屯断层上段侧向导水性差，通过比较泥质岩的塑性极限、含水层水压与断层正压力的相对大小分析出刘官屯断层上段的垂向导水性中等，从垂向和侧向两个方面判断出刘官屯断层上段封闭性较差，具有一定的导水性，为下一步留设断层防隔水煤岩柱提供依据。

2) 通过公式法和经验法，结合以往工作面出水情况，综合确定该断层下盘至少需要留设140 m防隔水煤岩柱才能保证下盘27309工作面的安全高效开采，为受该断层影响下的其他工作面开采提供了安全指导。