国强煤矿轨道大巷X1富水异常区构造特征与富水机制探讨

国强煤矿轨道大巷X1富水异常区构造特征与富水机制探讨

李文龙

山西朔州平鲁区国强煤业有限公司 山西朔州 036032

摘 要：煤矿井下水富水异常区的发育状况及其分布，是影响煤矿安全生产和职工生命安全的重要隐患之一。以中煤华昱集团有限公司国强煤矿X1富水异常区为研究对象，综合运用钻探、物探相结合的方式，并结合煤层对比、煤层顶底板完整性评价、水质分析与对比等方法，揭示了各煤层发育层序特征及其顶、底板的稳定性。分析发现各煤层顶、底板发育完整，排除了X1富水异常区为陷落柱的可能性；钻探结果显示出连续的两条断层（XF1和XF2），确定其为该区域的主要导水通道；并证实了由XF1和XF2及次生裂隙而导通的底板奥灰水，是该区域导致富水异常区发育的主要原因。并根据水压与水化学对比确定了突水水源，指出水源判断是防治水中的关键环节。

关键词：富水异常区；煤层对比；奥灰水；断层。

0 前言

随着我国对浅层（500m）煤炭资源的持续开采，其资源储量以不能满足当今的市场需求，煤矿开采深度逐渐增大。山西北部的朔州矿区，其开采深度也从200m向400m深，或500m深迈进。随着开采深度的不断增加，冲击地压、底板奥灰水的突水危险性也在不断增大[1-6]。在巨大产量和采掘进度不断增加的影响下，采深增加的速度会越来越快，冲击地压、水压压力亦会同步增大，防治水难度加大[7-8]。

统计结果显示：61.5%的煤炭资源受到奥灰含水层的影响，经计算，水头压力与有效隔水层厚度之比，即突水系数超过了0.06MPa/m临界值，具有突水的危险性，一旦突水造成很多的损失，不仅经济损失，造成人员损失更为严重，达到了暂不可采的程度[9]。很多地区开展了区域底板注浆工程，把奥灰孔隙充填水泥浆液，达到堵水的作用。因此底板奥灰水的勘察与治理成为了煤炭安全绿色开采的重大科研课题，陷落柱、断层导水或隔水层厚度不足成为了深部开采预防事故发生的重点工作。

在采煤后，在奥灰含水层的带压开采区域与范围，因采动卸压的影响，下部岩层形成了“底三带”学说[10]，底板形成的导水裂隙带，特别是构造或陷落柱发育的区域、底板溶洞发育区域，富含水的区域，是容易诱发底板突水的地方，上部采煤安全受到威胁，因此必须重视底板构造发育特征与突水机理研究，为底板治理提供基础资料。

1 研究区概况

国强煤业位于朔州市平鲁区东南16km处，行政区划属于平鲁区陶村乡管辖。井田位于宁武煤田平朔矿区东南部，可采煤层为太原组4-1号、9号、11号煤层；本井田位于神头泉域中北部径流区，灰岩地层岩溶发育，富水性强，奥灰水位标高为+1056.5-1060.5m，现回采工作面为4-1号煤层64103综放工作面，工作面标高在+920.406-1022.964m，属带压开采。

井田范围内发育有X1陷落柱，长轴约80m，短轴约75m，不规则椭圆状，经探查出水量50m3/h，水压1.3MPa，推测为奥灰水源。但是陷落柱异常区构造特征与出水机制仍存在不确定性，需要探查其原因甚为重要，为下一步治理提供依据。

2 探查结果

本研究共设计了3个钻场，施工钻孔47个，取到了如下的成果：

2.1煤层分布规律

对各个钻孔揭露的9煤进行了统计，42个钻孔中有41个钻孔遇到9号煤层，28个钻孔较大8号煤层，23个钻孔见到11号煤层；其中XZ2-3钻孔分别在孔深80m、90m遇到了断层，出现返水黄色砂泥、断层角砾岩岩块。岩块大小为3-5cm不等，表面为铁锈；岩芯中也见到了裂隙，其裂隙面内也有铁质侵染现象，是含氧动态水作用的结果，断层发育过程中，形成了水流通道，由静态水转变为动态水，导入氧气，造成二价铁转变为三价铁，呈现为褐红色。

通过地层与煤层对比，煤层基本连续，地层层序完整（图1），如煤层顶底板为泥岩，岩屑为灰色、呈鳞片状。为了证实异常区内是否发育陷落柱，进行了取芯钻探，钻探结果表明，岩性较为完整，层序正常，内部没有陷落柱杂乱岩块现象，充分说明异常区内的陷落柱是不存在的。

图1  三号钻场地层对比图

Fig. 1 stratigraphic correlation of No. 3 drilling site

2.2  富水区域预测

钻探揭露有2个含水层分别为4-9煤之间的含水层，9煤下至奥灰顶面的含水层，不同钻场出水量大小具有明显的差异。

（1）三号钻场：钻孔的统计所示，4-9煤上含水层的最大出水量自东向西逐渐增大，XZ13孔达到最大值60m³/h，Y1钻孔为0；出水量较大区域位于XZ10-XZ13-XZ9一带。11煤下出水量较大区域有所扩大，位于XZ10- XZ13 -XZ9 -XZ13- XZ11一带（图2）。从垂向上单孔的出水量随深度增加而增加，出水量最大钻孔为XZ9-1，出水量达到54m³/h。

（2） 二号钻场：9煤上最大出水量区域位于XZ3至XZ4附近一带。XZ1、XZ2探查线一带的9煤上地层无水。因此，4煤的运输大巷掘进是安全的，也证明了该结论。而11煤下区域有所扩大，自北向南逐渐增大。XZ1-2钻孔的9煤下含水层最大出水量达到了70m³/h。揭示了富水区与导水通道继续向南延伸，越过了运输大巷与回风大巷。对后期9、11煤开采有一定的威胁。

图2 底板完整性评价图

Fig. 2  bottom plate integrity evaluation diagram

3 构造发育特征

3.1 XF1断层

前期槽波勘探解释为SDF1号断层，二者发育位置大致相同，断距0-8m。探查过程中，在3号钻场施工的XZ8-1、XZ8-2，煤层不连续，煤层底板等高线相差大。XZ2-4在孔深142m处出现黄色砂泥，XZ12揭露8煤、9号煤层重复，煤层厚度变薄，预测断距为17.8~18.1m（见表1，图3）。可能为同一断层。

表1 钻孔揭露断层标志

Table1 fault marks exposed by boreholes

图3  XF1断层发育特征（逆断层，断距17.8-18.1m）

Fig. 3 development characteristics of xf1 fault (reverse fault, fault distance 17.8-18.1m)

3.2 XF2断层

2号钻场的XZ2-3孔81m处出现空推0.5m，返水为黄色，以及黄沙，在孔深90m处冲洗出来大块的岩块或断层角砾岩，岩块（表1）。MZ21号钻孔73m出现黄色返水与黄沙。2号钻场钻孔剖面显示，发育一逆断层，断距3.8~11.1m（图4）。

图3  XF2断层发育特征（逆断层，断距3.8-11.1）

Fig. 4 development characteristics of xf2 fault (reverse fault, fault distance 3.8-11.1)

2号钻场XZ1线至XZ4线，施工12个钻孔，打在下盘的钻有6个，分别为XZ1-1、XZ2-1、XZ3-1、XZ3-2、XZ4-1、XZ4-2占50%；

XZ2-2、XZ2-3、XZ3-2、XZ4-4钻孔4个在9煤上部穿越断层，仅有XZ1-2、XZ4-3在9煤底板下遇到断层，占比16%，80%以上钻孔没起到控制断层作用等。

研究成果表明：

（1）该区域发育2条逆断层，XF1断层呈北东-南西方向，倾向北西，断距为18.1~17.8m。XF2断层呈北西-南东方向，倾向北东，断距为3.8~11.1m。

（2）富水区域XZ9线以西，SDF1断层以南，西部以DZ4-1终孔为界线。圈定了9煤上与9煤下富水区，以及主要的富水区，距离断层近出水量大，距离断层远出水量小。2条断层为主要的导水通道。

（3）在钻探过程中除断裂带之外的其它区域没有发现空推、卡钻、返水变色等现象；

（4）其他区域，没发现地层与煤层缺失现象；

以上证据表明，原有X1异常区范围内除了XF1断层外，没有发现陷落柱证据，在X1异常区外侧又发现了XF2断层。

4 富水区异常区形成的机制

4.1 水的来源

国强煤矿在4-1号煤层轨道大巷三岔口外 61m处施工的T2 钻孔。 终孔70m处50m³/h，压力稳定在1.35Mpa左右。本次探查对部分钻孔进行了水质分析，矿化度平均值402mg/L，与东坡矿奥灰水的矿化度接近，该两个矿邻近具有对比意义。井工一矿奥灰水的矿化度不大于200mg/L，比国强矿奥灰水大一倍以上。造成矿化度较高的原因是该井田位置低，为该矿区的汇水区，水流不畅造成的。因此，水源化学分析要慎重使用，要进行多种因素分析，特别要注意水压这一关键指标。2011年曾因为矿化度较高造成水源误判造成突水事故。表明水源判断是防治水工作中的关键环节。

井田及周边奥陶系灰岩含水层水文参数特征表（表2）： 

表2 水化学分析统计表

Table 3 Statistics of water chemical analysis

4.2导水通道

在断层面或附近出水量较大，在远离断层位置出水量较少；如一号钻场出水量小于10m³/h，钻遇断层的XZ2-3出水量达到50m³/h以上。表明断层是造成异常区富水的关键原因。为下一步工程治理提供了较为扎实的基础。

5结论

（1）通过钻探资料，进行了煤层对比、煤层顶底板完整性评价、水质分析与对比，该区域各煤层层序稳定，顶、底板完整，判定X1陷落柱不存在；

（2）根据本次探查发现并基本查明存在两条断层（XF1和XF2），确定了该区域的主要导水通道；该区域煤层顶、底板富水均为这2条断层（XF1和XF2）及次生裂隙导通奥灰水所致；

（3）根据水压与水化学对比确定了突水水源，并指出水源判断是防治水中的关键环节。

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