左明星，韓 亮

(1.中國煤炭地質總局第一勘探局，河北邯鄲 056004； 2.中國煤炭地質總局一一九勘探隊，河北 邯鄲 056004)

0 引言

煤層底板突水是煤礦生產的重大災害之一，20世紀80年代以后，隨著開采深度的延伸，底板突水日趨嚴重。特別是華北型煤田，60%以上的煤炭儲量受其威脅而不能正常開采。由于我國煤礦地質條件復雜，開采方式各異，再加上生產技術、探測技術、監(jiān)測技術水平的限制，導致礦井突水事故時有發(fā)生。永城礦區(qū)主采煤層二2煤層底板突水主要是通過構造(斷層、裂隙等)引發(fā)的底板突水。

1 地質條件[1]

1.1 地層

永城礦區(qū)屬華北地層區(qū)，魯西分區(qū)徐州小區(qū)。井田內鉆孔穿見地層自下而上為：寒武系(∈)、奧陶系中統(tǒng)(O2)、石炭系上統(tǒng)(C2)、二疊系下統(tǒng)(P1)和上統(tǒng)(P2)、新近系(N)和第四系(Q)。

1.2 煤層

礦區(qū)主要含煤地層為石炭系、二疊系，屬華北型沉積。一般來講，石炭系上統(tǒng)太原組含煤3～5層，均不可采。二疊系下統(tǒng)山西組含煤3～4層，其中二2煤為各礦井主采煤層，賦存穩(wěn)定，結構單一。

1.3 構造

區(qū)內的主要構造線方向為NNE，其次為NWW和NW，北北東斷層與永城復式背斜共同構成本區(qū)基本構造格架。東西向斷層較少，但規(guī)模大，并切割其它方向的構造線。永城復背斜是永夏煤田的主體構造，其構造線方向由南而北呈NNE—SN—NNW—NW向展布，區(qū)內高角度正斷層發(fā)育，其中以縱向斷層為主，斜向斷層次之，橫向斷層稀疏。巖漿活動比較頻繁，其中燕山期的巖漿巖分布廣泛。侵入層位較多，自奧陶系至上石盒子組均有侵入，以侵入山西組和下石盒子組者較為普遍。

2 礦區(qū)水文地質條件

2.1 含水層

根據含水層的巖性、空隙性質及埋藏條件，可以劃分為4個含水巖組：

1)新生界松散層孔隙含水層組。自上而下由第四系全新統(tǒng)和新近系5個含水砂層組成，由于新生界底部有厚層黏土隔水層，新生界各含水層的沙層水不會滲入井下，僅在局部天窗部位對淺部露頭附近的煤層有一定充水作用。

2)二疊系砂巖裂隙承壓含水層組。由二疊系石盒子組、山西組中細粒砂巖組成。砂巖裂隙發(fā)育極不均一，富水性差異甚大。該含水層對礦井生產影響不大，礦井生產中僅局部出現滴水、淋水現象，一段時間后會逐漸減少至停止。

3)太原組灰?guī)r巖溶裂隙承壓水含水組。太原組總厚140～160 m，含灰?guī)r11層(L1～L11)，分為上段(L7～L11)和下段(L1～L6)，其中L8、L2兩層灰?guī)r沉積厚度穩(wěn)定。L11灰?guī)r厚1～2m，含水很弱，上距二2煤層底板約50 m，上部有厚約10m的海相泥巖。L9、L10灰?guī)r厚度分別為3～5 m，富水性亦較差。L8灰?guī)r上距二2煤層底板約80 m，厚度8～18 m，平均13 m，巖溶發(fā)育，富水性強，連通性好，傳遞速度快，水壓大，礦井開采初期，在不同的開采深度，水壓在3～6MPa，單位涌水量最大為2.87，是灰?guī)r突水的主要水源。在煤層底板完整的情況下隔水層有足夠的厚度，不會發(fā)生突水。但如果受落差較大的斷層影響或有深大斷裂導通，就會發(fā)生突水。L2灰?guī)r平均厚約12 m,巖溶發(fā)育，富水性強，上距二2煤層底板約150 m，不會發(fā)生直接突水。L8灰?guī)r上距二2煤層底板約80m。

4)奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙承壓水含水組。奧陶系灰?guī)r含水層上距二2煤底板200 m左右，區(qū)內揭露厚度約480 m，由石灰?guī)r、白云質灰?guī)r、白云質大理巖、大理巖組成，區(qū)內鉆孔揭露厚度約480 m，含豐富的巖溶裂隙水。由于上距二2煤底板200m，奧陶系灰?guī)r一般情況下不會發(fā)生直接突水。

2.2 主要隔水層

礦區(qū)內各含水層之間存在有良好的隔水層，影響礦井充水的主要有兩層：

1)新生界底部隔水層。新生界底部絕大部分沉積有厚度為17.72～112.39 m的黏土層，平均厚度46 m，阻斷了新生界含水層向煤系地層充水。

2山西組底部隔水層。二2煤層底板與太原組第一層灰?guī)r間距32.14～72.58 m，平均51m左右，其巖層主要由細、粉砂巖及泥巖組成，下部發(fā)育有厚層的海相泥巖，厚度10m以上，巖石致密、完整，抗壓強度一般在31.6～64.0 MPa，抗拉強度一般在1.6～3.4 MPa，具有較好的力學性質，為良好的隔水層段，在無構造破壞的情況下，可以避免發(fā)生灰?guī)r突水事故。

2.3 充水條件分析

1)充水水源。礦區(qū)充水水源包括大氣降水和地表水、新生界松散孔隙承壓水、頂板砂巖裂隙承壓水、太原組上段灰?guī)r巖溶裂隙承壓水、太原組下段灰?guī)r及奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙水、老空水，其中，煤層頂底板砂巖裂隙水是礦井主要的直接充水水源，太原組上段灰?guī)r巖溶裂隙承壓水是開采二2煤層時的間接充水水源。

2)充水通道。礦區(qū)充水通道主要包括地質構造、頂板導水裂隙[2]、底板導水裂隙[3]、未封孔或封閉不良鉆孔。其中，地質構造主要包括斷層破碎帶、陷落柱和褶曲。

2.4 水文地質物理概念模型

綜合分析礦區(qū)的地質條件和水文地質條件，建立永煤礦區(qū)水文地質物理概念模型(圖1)。

圖1 永煤礦區(qū)水文地質物理概念模型Figure 1 Yongcheng mining area hydrogeology physical conceptual model

3 煤層底板突水評價研究

永城礦區(qū)目前主要開采二2煤層，煤厚2～3m，開采深度450～800m，開采中受底板灰?guī)r水的嚴重威脅，其中車集礦井投產后回采6個工作面突水淹了5個，幾乎無法生產。永城礦區(qū)灰?guī)r突水特征與華北各大水礦區(qū)截然不同，絕大部分與隔水層厚度不夠或斷層無關，而屬原生裂隙導水。按裂隙的導通程度分為開放裂隙突水、閉合引張裂隙突水和遞進導升突水。

3.1 底板巖層裂隙突水機理數值模擬

本次數值模擬研究根據現場地質與生產技術條件、結合現場實測、巖石物理力學試驗和相似模擬試驗結果，運用美國明尼蘇達大學和美國Itasca Consulting Group Inc.開發(fā)的三維有限差分計算軟件——FLAC3D(Fast Lagrangian Analysis of Continua)進行三維采場力學過程的計算分析[4]。

為研究底板裂隙突水的機理，以永城礦區(qū)開采二2煤層為背景，采煤工作面埋深取-450 m，相應的太灰埋深為-500 m。模型中包括二2煤層與頂底板巖層，取平均煤層傾角15，煤層厚度3 m，工作面傾斜長度180 m，海相泥巖厚10 m，中細砂巖厚42 m。煤層底板斷層發(fā)育。模型上部受巖石自重應力邊界，太灰中受孔隙水壓的影響，如圖2。

圖 2 工程概念模型示意Figure 2 A schematic diagram of engineering conceptual model

建立FLAC3D三維計算模型進行數值模擬。模型沿走向長300m，沿傾斜寬540m，模型高度為240m。三維模型共劃分有87 480個三維單元，共93 940個結點。沿走向、傾向做剖面圖。其中節(jié)理利用軟弱夾層和接觸面(Interface)來模擬。模型側面限制水平移動，模型底面限制垂直移動，模型上部施加垂直載荷模擬上覆巖層的重量。

根據現場取樣和巖石力學試驗結果表1。

表1 巖性巖石力學參數

3.2 模擬結果及底板裂隙突水分析

由于底板裂隙發(fā)育，再加上煤層采動的影響，形成了導水通道，從而引發(fā)底板裂隙突水。通常有三種情況：開放裂隙突水、閉合引張裂隙突水和遞進導升突水，其中前兩種情況都是由于本來就切割工作面和含水層間的巖層的裂隙引起的突水，可以稱為連接裂隙突水。所以采用數值模擬底板裂隙突水可以分為兩種情況：連接裂隙突水和遞進導升突水。本次主要對連接裂隙突水進行研究。

圖3為在采長為90m時，距切眼45m處沿煤層傾向的切面剪應變增量分布圖。模擬結果表明，在裂隙發(fā)育的地方，剪應變的增量最大。剪應力的增大有利于裂隙張裂，從而使原來不導水的裂隙導水，使原來導水的裂隙導通性更強。如圖4為采長為90m時，距切眼45m處沿煤層傾向方向沿X方向的位移，也就是垂直裂隙走向方向的位移， 從圖上可以看出，裂隙發(fā)育的地方位移較大，在裂隙兩側位移方向不同，其中裂隙左側位移方向向左，裂隙右側位移方向向右。對于裂隙同一側，位移從上到下也依次增大。從圖中可以得到，由于垂直應力和太灰孔隙壓力的共同作用，再加上采動影響，致使裂隙發(fā)生擴張，并且距工作面越近擴張的越厲害。

圖3 采長為90m時，距切眼45m處沿煤層傾向的剪應變增量Figure 3 Shear length 90m, away from open-off cut 45m along coal seam dip shear strain increment

圖4 采長為90m時，距切眼45m處沿煤層傾向方向沿X方向的位移Figure 4 Shear length 90m, away from open-off cut 45m along coal seam dip X axis displacement

為了更好地模擬連接裂隙突水的原理，本次特建立了只含一條裂隙的模型(圖5),該裂隙切割煤層底板和太灰含水層，并距切眼45m處，裂隙兩旁分11層設置了22個監(jiān)測點見圖6。圖上白點表示監(jiān)測點，數字表示第幾層。每個監(jiān)測點將全程監(jiān)測該點在X方向的位移。同一層監(jiān)測點X方向上相對位移即可表示裂隙在該層擴展的寬度。

圖7為采長90m時，距切眼45m處的位移矢量圖，其中綠色的是裂隙所在的位置，由圖可以看出在裂隙的左側節(jié)點的位移方向上偏左，裂隙右側節(jié)點位移方向上偏右。在裂隙上方位移量較裂隙下方大。從圖上也可以得出結論，裂隙發(fā)生了擴張，且裂隙上方擴張比較厲害。

圖5 只含一條裂隙沿煤層傾向的模型Figure 5 Only one fissure along coal seam dip model

圖6 距切眼45m監(jiān)測點布置Figure 6 Monitoring point arrangement awayfrom open-off cut 45m

圖7 采長為90m時，距切眼45m處位移矢量Figure 7 Shear length 90m, away from open-off cut 45m displacement vector

當開采90m時，各監(jiān)測點X方向位移見表2。從表中可以看出對于裂隙左邊監(jiān)測點，位移量較大，并且從上到下位移量逐漸減小，其中第1層左側監(jiān)測點位移量為-0.021 24 m，左側第11層的監(jiān)測點的位移為-0.000 413 8 m，位移方向向左。右側監(jiān)測點相對左側監(jiān)測點位移量較小，第1層監(jiān)測點位移量為0.005 746m，方向向右，第11層監(jiān)測點位移量為0.005 746 m，方向向右。

表2 采長90m時，各監(jiān)測點X方向的位移

對于同一層兩個監(jiān)測點的相對位移即可表示裂隙擴張的寬度，由表2可以看出裂隙上方擴張較為厲害，第一層擴展寬度為0.026 986m。越往下裂隙擴展的寬度越小，見圖8。

圖8 各監(jiān)測層裂隙擴張寬度Figure 8 Monitoring layer fissure expansion widths

從上面分析可知在垂直應力及太灰水水壓的共同作用下，煤層采動會影響應力的分布，特別在裂隙發(fā)育區(qū)內，這樣會致使裂隙張裂。從而使原生閉合或細微的張開裂隙發(fā)生擴張，使原來張開的裂隙進一步擴張，裂隙寬度加大，形成導水通道。即底板原生裂隙，且切割到灰?guī)r，其突水的機理為：在采空區(qū)或巷道底部豎直向上的壓力和強大的灰?guī)r水壓力下，裂隙張開或擴張，從而導致灰?guī)r突水，形成開放裂隙突水或閉合引張裂隙突水。

4 結論

1)永城礦區(qū)主采煤層二2煤層底板突水主要是通過構造斷層、裂隙等引發(fā)的底板突水，主要屬于原生裂隙導水。

2)底板裂隙突水通常有三種情況：開放裂隙突水、閉合引張裂隙突水和遞進導升突水，其中前兩種情況都是由于本來就切割工作面和含水層間的巖層的裂隙引起的突水，可以稱為連接裂隙突水。底板裂隙突水可歸納分為連接裂隙突水和遞進導升突水。

3)研究區(qū)連接裂隙突水的機理為：在采空區(qū)或巷道底部豎直向上的壓力和強大的灰?guī)r水壓力下，裂隙張開或擴張，從而導致灰?guī)r突水，形成開放裂隙突水或閉合引張裂隙突水。

參考文獻:

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《煤礦巖溶水精細探測、防治技術理論與實踐》方向清編著

本書于2018年6月8日由《中國學術期刊(光盤版)》電子雜志社有限公司出版。本書系統(tǒng)研究了華北型煤田巖溶地下水與煤炭的相互關系，提出了巖溶地下水系統(tǒng)模式、煤礦充水模式、巖溶水勘查模式、煤礦突(涌)水模式及治理模式等系列理論。根據作者30多年的實踐，總結了地下水成因分析及評價方法，特別是建立了煤礦靜涌水量、動涌水量計算方法，以及基于單位面積靜涌水量的煤礦頂板危險性評價方法。本書是研究華北型煤田巖溶水非常實用的參考書。http://bianke.cnki.net/Home/Corpus/16611.html