導水斷層突水機理分析及預防

楊 軍，邵元虎，劉彥俊

(1.霍州煤電集團晉南公司，山西 河津 043300;2.霍州煤電集團地質(zhì)測量部，山西 霍州 031400;3.霍州煤電集團防治水中心，山西 霍州 031400)

斷層及斷層破碎帶的導水作用是最具威脅的礦井水害之一，主要表現(xiàn)為斷層在垂向上的導水作用，而許多礦井的突水事故都是由斷層溝通水源造成的。有的隔水斷裂帶在采動以后由于水壓的作用，斷層帶破碎的巖體被水浸泡變軟而變?yōu)閷當嗔褞В瑢е聰鄬拥臏笸凰１疚囊陨轿骰糁菝弘娂瘓F干河礦2#煤1081返掘巷道導水斷層滯后出水的綜合治理和預防為例，簡述在掘進過程中發(fā)現(xiàn)斷層滯后出水，通過分析、治理、預防，消除了斷層導水給礦井帶來的危害，實現(xiàn)礦井安全生產(chǎn)。

干河礦井田位于霍州礦區(qū)南部，汾河西岸的干河、平垣、小河村一帶，主要可采煤層為1#、2#、10#和11#，屬于帶壓開采礦井。礦井奧灰靜水位標高517 m，2#煤開采最低標高 － 70 m，最大承壓 5.9 MPa。1081返掘巷位于+80水平一采區(qū)的右翼，巷道煤層標高+87 m。由于靠近已探查的F13斷層，工作面于2012年11月25日掘進至298 m時發(fā)生斷層滯后突水，水量最大時約為600 m3/h。

1 水文地質(zhì)情況

干河礦2#煤層頂板為下石盒子組K8、K9砂巖含水層。K8砂巖為2#煤層的頂板，最大厚度9.94 m，成為煤層直接充水含水層，裂隙不甚發(fā)育。K9砂巖位于K8砂巖層以上40 m左右，水文地質(zhì)特征與K8砂巖相似，為富水性弱的裂隙含水層。2#煤底板為太原組K2、K3灰?guī)r巖溶裂隙含水層，距2#煤約75 m左右，平均厚度分別為8.96 m、1.46 m，巖性為深灰色致密堅硬石灰?guī)r，裂隙溶隙較發(fā)育，為富水性弱－中等的溶隙含水層。

中奧陶統(tǒng)石灰?guī)r溶隙含水層水位標高約為+519 m，高于2#煤層的開采標高，平均厚度617 m，是該井田煤系地層下伏的主要含水層，屬富水性中等－強的溶隙含水層。在有導水構(gòu)造等通道存在的條件下，奧灰水將進入2#煤層采掘工作面。

2 斷層出水情況分析

2.1 煤層揭露

2－1081返掘工作面相對位于+80水平一采區(qū)的右翼，與已探查的F13斷層相對平行掘進，根據(jù)《煤礦防治水規(guī)定》中防水煤柱留設標準，留設防水煤柱40 m。由于斷層位置偏向2－1081巷道，原留設斷層煤柱40 m實際減少至22～25 m，2#煤層(上盤)與太灰(下盤)層間距減少至20 m，加之礦壓大、水壓大，開鑿擾動，造成巷道底鼓變形、頂板錨索斷裂，最終導致斷層滯后出水。出水點位置平面圖見圖1，剖面圖見圖2。

2.2 涌水量變化

圖1 2－1081返掘巷出水點位置平面圖

圖2 2－1081返掘巷出水點位置剖面圖

初次發(fā)生突水時，水量約50 m3/h，隨后衰減至10 m3/h左右，經(jīng)過鉆探探水及水質(zhì)化驗，推測為K2灰?guī)r水。第二次發(fā)生突水水量增大時，高峰水量約600 m3/h，最終衰減至300 m3/h，水量衰減系數(shù)為50%。高峰期水量受瞬時水壓和靜儲量的影響，水量最大，水量持續(xù)下降一段時間后達到穩(wěn)定值，由于本區(qū)域奧灰水為間接補給，水量再次增加的可能性不大。涌水量變化情況見圖3。

圖3 2－1081反掘巷突水前后巷道涌水量變化曲線圖

2.3 水文孔觀測

圖4 突水前后井田太灰及奧灰觀測孔水位變化曲線圖

從圖4可以看出，2個K2灰?guī)r觀測孔均出現(xiàn)了明顯的水位降深，4個奧灰孔僅1個水位變化較明顯，顯示了出水點對K2灰?guī)r水位影響大，奧灰次之的特點，進而推測K2灰?guī)r巖溶裂隙水為主要充水水源(也是直接充水水源)。

2.4 水質(zhì)分析

工作面初次出水時，采取水樣，對出水點水質(zhì)進行了化驗。通過水質(zhì)化驗結(jié)果分析，出水點水質(zhì)類型最初為HCO3·SO4－Na型水，礦化度為819.4～894.93 mg/L，與2008年2－101工作面出水(K2灰?guī)r水位大幅下降和回升)水質(zhì)類型相同、礦化度相當。

第二次突水涌水量增大時，水質(zhì)類型逐漸轉(zhuǎn)化，(HCO3·SO4－ Ca·Na·Mg→HCO3·SO4－ Ca·Mg·Na→SO4·HCO3－ Ca·Mg·Na)，SO42－、Ca2+、Mg2+離子在不斷增加，礦化度為 783.7～865.75 mg/L，顯示有不斷向奧灰水質(zhì)變化的趨勢。

因此，根據(jù)F13斷層兩側(cè)鉆孔資料比對、礦壓顯現(xiàn)情況、出水點位置、涌水量、水質(zhì)、K2灰?guī)r和奧灰水位等動態(tài)和流場綜合分析，初步認定本次突水的直接充水水源為K2灰?guī)r，間接充水水源為奧灰水。

3 注漿堵水方案分析

采用注漿直接封堵出水點的方法在水害治理工程中十分常見，按施工地點一般分地面封堵和井下封堵，但結(jié)合干河突水實際情況，將兩種方案進行分析發(fā)現(xiàn)，出水點直接封堵效果不利于后期安全生產(chǎn)，主要表現(xiàn)在兩個方面:

1)對于F13斷層帶而言，注漿封堵后，水被封堵在2－1081正巷及返掘巷以外的煤柱附近，煤柱兩側(cè)的水壓差為4.2 MPa，即便反掘巷出水點附近煤柱安全，也難以保證回采時2－1081正巷礦與F13斷層間的煤柱在高水壓作用下不突水。

2)對于2－1081工作面及周邊工作面而言，回采時同樣面臨底板出水問題。臨近礦井如團柏、白龍、回坡底等礦，K2灰?guī)r水構(gòu)成了礦井涌水量的主要部分，均以回采過程中的自然疏放為主，李雅莊礦在底板出水之后，K2灰?guī)r水經(jīng)過長期疏放，回采時的底板帶壓問題也得到較大程度緩解。

通過承載力計算式可知，對高速公路橋梁承載力影響較大的因素包括混凝土材料、鋼筋和截面尺寸等。在具體施工中，應綜合考慮橋梁的結(jié)構(gòu)、跨度和級別3個要素。

由此而言，封堵K2灰?guī)r水對后期采掘活動將產(chǎn)生不利影響。

4 綜合治理

對于煤礦突水的治理，針對不同的水害類型，《煤礦防治水規(guī)定》中采取防、堵、疏、排、截的總體思路，具有指導意義。“防”主要指合理留設各類防隔水煤(巖)柱和修建各類防水閘門或防水墻等。“堵”主要指注漿封堵具有突水威脅的含水層或?qū)當鄬印⒘严逗拖萋渲韧ǖ馈！笆琛敝饕柑椒爬峡账蛯Τ袎汉畬舆M行疏水降壓。“排”主要指完善礦井排水系統(tǒng)，排水管路、水泵、水倉和供電系統(tǒng)等必須配套。“截”主要指加強地表水(河流、水庫、洪水等)的截流治理。

1)“防”:設計防水密閉墻。

通過分析礦井及出水點的水文地質(zhì)情況，為不影響2－1081工作面后期回采，在2－1081反掘巷內(nèi)設置永久隔水防滲墻一道。防滲墻的設計承受水壓為5 MPa，大于2#煤底板帶壓。墻體平面幾何形狀采用倒截錐形。考慮井下的實際情況和作業(yè)環(huán)境，很難達到地面混凝土的施工條件，實際施工提高一個等級，采用C30混凝土配比。墻體厚度，除考慮墻體自身強度滿足耐壓要求以外，混凝土與煤壁的黏結(jié)強度也應滿足耐壓要求。因此，設計墻體厚度為6.78 m。

2)“疏”:留設過水管路。

在建立防水密閉墻的同時，在墻體內(nèi)埋設過水管路疏放涌水，由于本次突水主要為K2灰?guī)r水，奧灰參與程度不高，因此通過疏放K2灰?guī)r水，達到降低煤柱兩側(cè)水壓差，減少2－1081工作面回采涌水量的方案是可行的。

3)“排”:增強礦井排水能力。

干河礦副井井底中央水倉總?cè)萘繛? 000 m3，中央水泵房安裝5臺水泵，其中MD280－65×8三臺，電機功率710 kW，MD500－57×9二臺，電機功率1 400 kW。5臺水泵交替運轉(zhuǎn)，分別與325排水管路3趟、273管路2趟并聯(lián)，排水管路經(jīng)副井井筒排至地面，經(jīng)污水處理后，排至團柏河，排水高度470 m。同時礦井建設有應急強排水系統(tǒng)，安裝BQ550－536/14－1400/w－s，目前礦井實際排水能力為2 000 m3/h。

另為排放反掘巷出水點涌水，現(xiàn)2－1082巷已安裝6臺75 kW、流量150 m3/h的水泵，通過6趟6英寸排水管路排至一采區(qū)軌道巷經(jīng)水溝排至中央水倉，掘進頭已形成900 m3/h排水能力。

綜上所述，綜合考慮技術、成本、時間、后期回采影響等四大因素，采用井下“防、疏、排”相結(jié)合的方案，具有可行性。即通過井下密閉墻封堵，對出水點水量自然疏降，通過礦井正常排水即可保證安全生產(chǎn)，有利于礦井回采，施工工藝簡單，費用較低。

5 結(jié)語

1)本次斷層滯后出水主要是存在僥幸心理，對帶壓開采構(gòu)造滯后導水認識不足，巷道沿斷層走向布置，未考慮斷層向巷道偏移情況，是導致此次突水的主要原因。

2)采用注漿直接封堵出水點的做法十分常見，但綜合考慮出水點的水文地質(zhì)情況，通過《煤礦防治水規(guī)定》中提出的5項綜合治理措施，逐步逐條的處理和預防，同樣能達到實現(xiàn)安全回采的整體目標。

3)工作面出水要重視水質(zhì)化驗分析，及時收集整理礦井各含水層的水質(zhì)資料，發(fā)生突水時，做好資料對比分析，利于礦井水害的預防和治理。

4)帶壓開采礦井布置采掘工作面時，要充分考慮井田內(nèi)的地質(zhì)構(gòu)造、陷落柱的影響。掘進工作面沿斷層走向布置時，要充分考慮斷層向巷道偏移的情況，另在落差大的斷層附近，工作面不易沿斷層走向平行布置。

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