趙元強(qiáng)，李肖蘭

(1.山東省煤田地質(zhì)局第二勘探隊(duì)，山東 濟(jì)寧 272100；2.山東地礦新能源有限公司，山東 濟(jì)南 250100)

0 引言

近年來，隨著煤礦開采向深度的不斷延伸，開采技術(shù)條件也越來越復(fù)雜，突水淹井事故不斷出現(xiàn)，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，2012—2016年全國煤礦發(fā)生特大突水事故35起，死亡233人[1]。嚴(yán)重影響和威脅礦井安全生產(chǎn)。煤礦的水文地質(zhì)條件受地層、構(gòu)造、巖漿巖等影響因素較大，就使得水害的類型繁多，特別是對隱伏型導(dǎo)水構(gòu)造的精細(xì)探查預(yù)測能力不足，使其成為了礦井水害的重要導(dǎo)水通道。通過對霄云煤礦突水情況和治理措施的分析研究(1)山東省煤田地質(zhì)局第二勘探隊(duì)，霄云煤礦1313工作面突水點(diǎn)注漿封堵報告，2018年。，以期能提高技術(shù)人員對隱伏地質(zhì)構(gòu)造的認(rèn)識，加大對礦井隱伏構(gòu)造的排查力度，避免生產(chǎn)中因突水災(zāi)害帶來的人員和經(jīng)濟(jì)損失。

1 地質(zhì)概況

霄云煤礦位于山東省金鄉(xiāng)縣東南蘇魯交界處的霄云鎮(zhèn)。東北與魚臺縣接壤，主井井口距金鄉(xiāng)縣城20km，距魚臺縣城25km。井田東西長8.1km,南北寬2.9km，面積為23.42km2，礦井設(shè)計(jì)年生產(chǎn)能力0.90Mt,服務(wù)年限41年。大地構(gòu)造位置屬于華北陸塊(Ⅰ級)、魯西隆起(Ⅱ級)、魯西南潛隆起區(qū)(Ⅲ級)、菏澤-兗州潛隆起(Ⅳ級)樓淺凹陷(Ⅴ級)中部(圖1)[2]，為華北-柴達(dá)木地層大區(qū)(Ⅴ)華北地層區(qū)的魯西地層分區(qū)。

1.1 地層概況

該區(qū)為沖積層全覆蓋區(qū)，地層由老至新為奧陶紀(jì)馬家溝群、石炭-二疊紀(jì)本溪組、太原組、山西組、二疊紀(jì)石盒子群、古近紀(jì)官莊群、新近系、第四系。區(qū)內(nèi)含煤地層主要為石炭-二疊紀(jì)月門溝群太原組和山西組，山西組煤層厚度沉積穩(wěn)定。目前礦井開采煤層為山西組3煤層，厚度0.4～7.69m，平均3.61m。煤層厚度有一定變化，但規(guī)律性較明顯，煤層厚度可采性指數(shù)Km為0.95，厚度變異系數(shù)γ為38%，含2個煤類，煤質(zhì)變化中等，面積可采性指數(shù)為0.67，屬穩(wěn)定煤層。

圖1 區(qū)域構(gòu)造綱要圖

1.2 井田構(gòu)造

該區(qū)位于金鄉(xiāng)煤田的東南部，西部為區(qū)域斷層曹馬集斷層。井田內(nèi)地層走向近EW，傾向N。傾角10°～25°，淺部傾角大、深部傾角較小，為一向N傾斜的單斜構(gòu)造[3]。區(qū)內(nèi)構(gòu)造復(fù)雜程度中等，斷層較多，共組合斷層201條。其中落差大于100m的有6條；落差50～100m的有3條；30～50m的有12條，其余的均小于30m。

1.3 巖漿巖

根據(jù)區(qū)域資料，金鄉(xiāng)煤田內(nèi)巖漿巖屬燕山晚期巖漿活動的產(chǎn)物。在燕山晚期，巖漿大多是沿著大的斷裂等構(gòu)造破碎帶，由南向北侵入含煤地層，以巖墻和巖脈的形式產(chǎn)出[4]。

區(qū)內(nèi)在勘探過程中僅在J2-2號孔孔深897.70m位置見巖漿巖侵入于山西組頂部，巖性為中性閃長玢巖，厚度143m，對煤質(zhì)沒有影響。在1309工作面和1312工作面掘進(jìn)過程中揭露巖漿巖侵入體形成的巖墻，由于巖墻厚度較小，故對煤層、煤質(zhì)、瓦斯影響不大。

2 水文地質(zhì)

2.1 各含水層富水及涌水的基本規(guī)律

(1)區(qū)內(nèi)各充水含水層包括深部的奧陶紀(jì)灰?guī)r在內(nèi)，其補(bǔ)給、徑流、排泄條件一般，含水層主要以靜儲量為主[5]。第四紀(jì)砂礫層含水層主要接受大氣降水和邊緣地帶基巖裂隙水的側(cè)向補(bǔ)給，基巖各含水層則主要通過隱伏露頭接受第四紀(jì)砂礫層含水層的滲透補(bǔ)給。

(2)正常情況下，礦井投產(chǎn)初期及開采淺部煤層時，礦井涌水量較大，隨著開采時間和井下開拓面積的延長，礦井涌水量就會在穩(wěn)定一段時間之后出現(xiàn)緩慢減小的趨勢。開采3煤層時，其直接充水含水層為3煤層頂板砂巖，在淺部區(qū)域以巷道頂部淋水形式為主，深部區(qū)域主要為巷道頂部滴水形式或無水[6]。三灰及十下灰等薄層灰?guī)r在礦井淺部多以底板涌水形式為主(圖2)，深部區(qū)域多以淋水形式為主。如果十下灰含水層在深部與奧灰通過斷層導(dǎo)通，則會變?yōu)橛克问健?/p>

(3)含煤地層的基底奧灰強(qiáng)含水層對煤礦生產(chǎn)的威脅主要集中在煤田淺部，據(jù)金橋煤礦奧灰含水層抽水試驗(yàn)資料，水位高程+33.31m～+33.98m，單位涌水量為0.0427～0.938L/s·m，滲透系數(shù)0.08～3.32m/d。奧灰是石炭-二疊紀(jì)含煤地層的沉積基底，是區(qū)域性的強(qiáng)含水層，它主要以底鼓涌水的形式對礦井開采形成威脅[7-11]。

2.2 斷層導(dǎo)水性

區(qū)內(nèi)有斷層19條，落差大于50m的斷層7條，其中有5條落差大于100m，均為正斷層。根據(jù)區(qū)內(nèi)各條勘探剖面圖可以得知，當(dāng)斷層落差大于50m時，斷層上盤的3煤層層位會與下盤的太原組三灰形成對口；當(dāng)斷層落差大于150m時，3煤層層位就會與下盤的太原組底部灰?guī)r及奧灰強(qiáng)含水層形成對口接觸，受煤層采動影響，對盤的巖溶裂隙水含水層可沖破斷層軟弱帶和兩側(cè)裂隙帶以底鼓的方式對采煤造成不利影響。

該區(qū)的鉆孔在揭露或穿過斷層或近斷層處均未發(fā)現(xiàn)沖洗液漏失現(xiàn)象，簡易水文觀測消耗量均在正常變化的范圍內(nèi)，沒有發(fā)生突然增大的現(xiàn)象，這都可以證明該區(qū)斷層基本不含水或不導(dǎo)水，斷層的富水性與導(dǎo)水性均較弱。

1—鉆孔；2—石灰?guī)r含水層；3—煤層；4—斷層圖2 霄云煤礦8線水文地質(zhì)剖面圖

3 礦井突水過程及突水量的變化情況

2018年9月10日22時45分，霄云煤礦1313工作面在正常生產(chǎn)過程中，發(fā)現(xiàn)43#架底板出現(xiàn)輕微滲水(圖3)，初始出水量約10m3/h，至9月11日凌晨1時，工作面突水量逐漸增加至100m3/h。至11日凌晨3點(diǎn)，工作面突水量水量突增至約400m3/h，因突水量過大(預(yù)測最大約為1500m3/h)，超過了礦井設(shè)計(jì)排水1200m3/h的能力，水位持續(xù)上升，嚴(yán)重威脅礦井安全，11日21點(diǎn)10分井下170人全部安全升井。9月13日10點(diǎn)20分，測算突水量約為3673m3/h，截至9月27日早7時，礦井水位一直在上升中，奧灰長觀孔的水位一直在下降中，兩水位差正逐步接近(圖4)。

1—河流；2—煤巷；3—斷層；4—煤層露頭線及鳳氧化帶；5—孔號◎鉆孔煤厚圖3 1313工作面出水點(diǎn)位置示意圖

4 1313工作面充水因素分析

根據(jù)1313工作面兩順槽揭露情況、區(qū)域內(nèi)抽水試驗(yàn)及井下水文地質(zhì)鉆孔取得的成果，對1313工作面水文地質(zhì)情況分析如下。

(1)3煤頂板砂巖水。3煤頂板砂巖單位涌水量0.00001295～0.00821L/s·m，滲透系數(shù)0.000599～0.016m/d，總體評價富水性弱，連通性差，主要以靜儲量為主，易于疏干。局部可能會出現(xiàn)頂板滴淋水情況，通過疏放可以降低甚至解除對礦井開采的影響[12]。

圖4 奧灰長觀孔水位、副井井筒水位及涌水量關(guān)系圖

(2)三灰水。根據(jù)三灰抽水試驗(yàn)結(jié)果，該含水層為弱含水層，且3煤底板距離三灰頂平均為42m，且兩者之間發(fā)育數(shù)層泥巖，經(jīng)計(jì)算，大于安全隔水層厚度，正常情況下可以起到很好的隔水作用[13]。根據(jù)在1313膠帶順槽P33#點(diǎn)探水硐室內(nèi)施工的三灰孔取得的參數(shù)，采用突水系數(shù)[14]計(jì)算公式：Ts=P/M=1/42=0.024，故1313工作面總體不存在三灰水突水的危險性。在實(shí)際掘進(jìn)回采過程中也未出現(xiàn)三灰水突水現(xiàn)象，僅有揭露斷層時少量的斷層裂隙出水現(xiàn)象，基本排除了三灰突水的可能性，但應(yīng)注意斷層及構(gòu)造帶附近滯后突水的防護(hù)措施。

(3)斷層水。該工作面切眼外西北方向的13-9斷層(H=6m)經(jīng)過鉆探驗(yàn)證，該斷層區(qū)域內(nèi)富水性較弱，不含水、不導(dǎo)水。工作面揭露的13-1等11個斷層，落差在1.0～3.5m，這些斷層導(dǎo)水性和富水性同樣較差，以上斷層均沒有發(fā)生出水。因此1313工作面回采期間受斷層水的威脅較小。

(4)鉆孔水。經(jīng)核實(shí)，工作面回采范圍內(nèi)沒有鉆孔，不會受鉆孔水威脅。

(5)老空水。該工作面與1307老空區(qū)相鄰，相鄰范圍約740m。1313工作面在1307工作面傾向上方，積水線在1313工作面垂直標(biāo)高5m下，1307老空水通過泄水巷進(jìn)行持續(xù)排放，平均涌水量為7m3/h。因此在1313工作面回采期間做好1307持續(xù)排水，維護(hù)好排水系統(tǒng)正常運(yùn)行的前提下，1307老空水對回采影響較小。同樣根據(jù)相關(guān)公式計(jì)算并結(jié)合實(shí)際情況確定，1309老空水對1313工作面回采基本無影響。

(6)奧灰水。區(qū)內(nèi)勘探階段有兩個鉆孔揭露奧灰含水層，揭露厚度均小于20m。巖性為石灰?guī)r及白云質(zhì)灰?guī)r，其中J8-3號孔位于淺部巖溶裂隙發(fā)育帶，鉆進(jìn)中發(fā)生沖洗液全漏失(漏失量>15m3/h)。區(qū)內(nèi)3煤層底板到奧灰頂平均距離為194.6m，平均隔水層厚度164.78m，奧灰水位高程在礦井突水前為-11.93m，1313工作面回采的最低點(diǎn)約-675m，經(jīng)計(jì)算突水系數(shù)為0.04。

按照《防治水細(xì)則》和相關(guān)經(jīng)驗(yàn)值，認(rèn)為區(qū)內(nèi)奧灰含水層在正常情況下對礦井生產(chǎn)不會構(gòu)成威脅[15]。

(7)火成巖侵入體及其他地質(zhì)構(gòu)造。該工作面內(nèi)揭露火成巖侵入體巖墻3條，受此侵入體影響，在采動作用下易形成導(dǎo)水裂隙，從而溝通3煤頂板砂巖裂隙含水層[16]，1313工作面兩順槽在掘進(jìn)至火成巖侵入體附近時，頂板出現(xiàn)滴淋水現(xiàn)象，兩順槽最大淋水水量在2～3m3/h左右，出水層位集中在3煤層頂板以上6～9m的中砂巖含水層位內(nèi)。其導(dǎo)水通道為火成巖侵入體附近局部因裂隙發(fā)育導(dǎo)通了頂?shù)装搴畬?，出現(xiàn)局部頂板淋水現(xiàn)象，預(yù)計(jì)對回采將會產(chǎn)生一定影響(圖5)。

1—鉆孔；2—石灰?guī)r含水層；3—煤層；4—陷落柱；5—工作面；6—斷層圖5 工作面各充水因素剖面圖

5 突水水源及通道分析

5.1 突水水源分析

5.1.1 水質(zhì)

5.1.2 水位

(1)奧灰長觀孔水位變化情況。2018年9月11日—15日，奧灰水位從-13.77m下降至-104.50m，平均下降速率為0.90m/h；9月15日—9月22日，奧灰水位從-104.50m下降至-189.84m，平均下降速率為0.50m/h；9月22日—9月28日，奧灰水位從-189.84m下降至-228.00m，平均下降速率為0.23m/h；9月28日—10月12日，奧灰水位從-228.00m上升至-193.00m，平均上升速率為0.11m/h。

自2018年10月12日開始進(jìn)行鉆孔注漿堵水后，奧灰含水層水位呈持續(xù)上升狀態(tài)，至2018年12月16日奧灰水位上升至-90.70m。期間累計(jì)注漿量61424.78m3。

(2)副井井筒水位變化情況。2018年9月12日—9月28日，副井水位從-790.00m上升至-344.00m，平均上升速率為1.16m/h；9月28日—10月12日，副井水位從-344.00m上升至-198.00m(圖6)，平均上升速率為0.43m/h。

圖6 奧灰長觀孔和副井水位變化趨勢及鉆孔注漿量關(guān)系圖

自2018年10月12日開始進(jìn)行鉆孔注漿堵水后，副井水位開始下降，并于11月7日開始排水，至12月16日，副井水位下降至-785.50m，副井累計(jì)排水量1457700.0m3。

(3)水溫。通過測量突水的水溫，發(fā)現(xiàn)稍高于老空滲水的溫度，說明其為煤層底板以下地層來水。經(jīng)綜合對比分析，該次礦井突水的水源來自奧灰含水層。

5.2 突水通道分析

該次礦井突水通道可能有鉆孔封閉質(zhì)量差或鉆孔未封閉、斷層、陷落柱等。

5.2.1 鉆孔通道

1313工作面內(nèi)及突水點(diǎn)附近無施工鉆孔,故不存在鉆孔導(dǎo)水的可能。

5.2.2 斷層通道

DF61大斷層距離1313工作面切眼超過200m，位于斷層上升盤，因此斷層導(dǎo)水的可能性極小，該工作面與DF61斷層之間無連接的其他斷層，工作面位于留設(shè)的斷層保護(hù)煤柱外[17]，DF61斷層對1313工作面影響較小。

5.2.3 陷落柱通道

開采區(qū)域位于三維地震范圍內(nèi)，根據(jù)三維地震時間剖面特征，1313工作面西部區(qū)域3煤層反射波穩(wěn)定連續(xù)，受地震技術(shù)手段的限制，3煤層之下巖煤層分辨率很低，報告中未提及有陷落柱；三維地震精細(xì)報告及井下瞬變電磁成果均未解釋此區(qū)域內(nèi)有陷落柱發(fā)育。但通過后期的注漿鉆孔揭露情況發(fā)現(xiàn)在3煤層底板以下存在一陷落柱構(gòu)造。根據(jù)鉆探注漿情況對導(dǎo)水構(gòu)造的分析能夠更清晰的得到此結(jié)論(表1)。

表1 鉆孔鉆遇地層數(shù)據(jù)

(1)鉆探施工泥漿漏失(注漿位置)與地層、構(gòu)造的對應(yīng)性。

(2)鉆探施工泥漿漏失特征。通道注漿過程中，吸漿量大，注漿時間長，井口產(chǎn)生負(fù)壓現(xiàn)象，說明通道十分暢通，受漿容積大。根據(jù)以往注漿堵水經(jīng)驗(yàn)，該次注漿與斷層通道注漿特征不相符，較符合陷落柱吸漿特征，所以突水通道類型基本確定為陷落柱。

(3)導(dǎo)水通道分析。按照礦井水文地質(zhì)資料，三灰、五灰、十下灰其富水性較弱，未發(fā)現(xiàn)有大的溶洞[18-20]，在水泥漿的擴(kuò)散半徑之內(nèi)，含水層的裂隙不會存儲高達(dá)36000余立方的水泥漿，在鉆孔軌跡附近存在大的陷落柱式的導(dǎo)水(儲水)構(gòu)造。

(4)陷落柱半徑的計(jì)算。1#孔總注漿量2.4萬m3，基本全部進(jìn)入到鉆孔附近裂隙孔隙以及推斷的陷落柱中。該孔揭露的泥巖、粉砂巖未發(fā)現(xiàn)有沖洗液消耗情況，注水泥漿過程中漿液會滲入到含水層的裂隙中，2#孔施工至741.00m處巖粉中發(fā)現(xiàn)有凝固的水泥塊，此處距1#孔30.00m，以此可以作為水泥漿的擴(kuò)散半徑。陷落柱未發(fā)育至3煤層，根據(jù)鉆孔施工中泥漿漏失深度推算，其頂?shù)咨疃确謩e為724.00m和840.00m，陷落柱自身的孔隙率按50%，經(jīng)計(jì)算陷落柱半徑約為9.00m(圖7)。

圖7 陷落柱示意圖

6 結(jié)論

(1)通過礦井水質(zhì)化驗(yàn)結(jié)果和奧灰水文長觀孔的水位變化綜合確定該次礦井突水水源為奧灰水。通過水質(zhì)化驗(yàn)結(jié)果對比和含水層水位在突水前后的變化情況是準(zhǔn)確確定巷道突水水源的最重要的辦法，并依此為依據(jù)制定合理的治理方法。

(2)通過對1313工作面突水點(diǎn)周圍老鉆孔資料和斷層發(fā)育情況進(jìn)行分析，否定了鉆孔、斷層構(gòu)造導(dǎo)致突水的可能性。認(rèn)真排查工作面內(nèi)及其附近老鉆孔封孔情況和斷層發(fā)育情況，是確定導(dǎo)水通道的主要方法。

(3)通過1#孔鉆進(jìn)過程中漿液漏失，注漿時吸漿量大、先期注漿孔口閥門監(jiān)測到負(fù)壓，說明突水通道暢通、裂隙范圍較大，這些都符合陷落柱出水通道的特征；根據(jù)1#孔漿液漏失注漿時漏點(diǎn)的吸漿特征，說明陷落柱位于鉆孔軌跡附近。

(4)奧灰含水層在該區(qū)內(nèi)局部發(fā)育良好的巖溶水通道，具有水壓高、埋深大、在一定范圍內(nèi)補(bǔ)給強(qiáng)的特點(diǎn)，由于此隱伏陷落柱的存在，使得3煤層與奧灰含水層的隔水層變薄，難以阻隔奧灰水強(qiáng)大的水頭壓力，在此作用下，奧灰承壓水在高水頭壓力的作用下，直接涌入巷道，成為本礦井也是絕大多數(shù)被淹礦井的主要水源。

綜合以上資料分析，該礦井1313工作面突水通道為隱伏的陷落柱。1313工作面突水的主要通道是突水點(diǎn)下方存在隱伏的陷落柱，它的存在縮小了工作面煤層底板的有效隔水厚度，在礦井地層壓力、水頭壓力及采煤對陷落柱構(gòu)造的擾動等共同作用下，奧灰水沖破煤層底板而造成的礦井突水。