古交矿区中奥陶统断层突水机理研究

李俊杰，王 芳，郭明纲，武 威

古交矿区中奥陶统断层突水机理研究

李俊杰，王 芳，郭明纲，武 威

(西山煤电(集团)有限责任公司地质处，山西 太原 030053)

采用MTS电液伺服岩石力学实验系统，利用特制的渗流实验装置，对断裂构造岩的样品，模拟不同应力场条件，测试样品的渗流速度，计算样品的渗透系数，得到不同矿山压力下，断层带的导水能力大小。在古交矿区的地层岩石组合条件下，断层带处在中奥陶统顶板附近的破碎岩石，其导水性较差，断层导通中奥陶统地下水可能性较小。

古交矿区;中奥陶统;断层;突水机理

1 井田构造特征及古构造应力场

1.1 井田构造特征

古交矿区内部以北东向构造为主，主体方位50°～75°，一般由1～3条断层和若干条派生的断层组成，以堑、垒构造形式成群出现，断裂特征多属张性兼扭性正断层，具有一定的平移性质，断裂带间和断裂面两侧，常伴生短轴褶曲，每隔3～8 km出现一组断裂带，相互平行，从北西至南东将矿区东部切割成若干条块。

1.2 古构造应力场分析

古交矿区中生代以来主要分为三期古构造应力场：

第一期构造应力场在区内最发育，最大挤压应力方向为SEE－NWW向，最大主压应力轴统计平均方位为302°∠8°。这期构造应力场发生于燕山运动中、晚期，与之相匹配，形成NNE向压性构造和NW向、NEE向剪切构造。

第二期最大挤压应力方向为NNE－SSW向，最大主压应力轴统计平均方位为15°∠7°。在本期应力场中，沿最小挤压应力方向，即SEE－NWW方向发生应力松驰，导致盆地边界断层(西铭断层、清铭断层)的产生。

第三期最大主压应力迹线呈NEE－SWW向展布，统计平均方位260°∠10°。最小主应力迹线方向为NNW－SSE向，沿此方向的伸展作用，使早期存在的平面共扼剪节理(NNE和NW向)发育正断层活动，从而形成现今构造格局(见图1)。

图1 平面节理分期配套图(据关英斌等，1999)

2 断层导水性预测

2.1 断裂带物质的导水性

本次采集了井下不同标高煤层顶底板和岩巷中的岩石样品，通过室内制备样品，模拟实际矿山压力和地下水压力条件下的渗流实验，研究断层的导水特性及其与断层破碎带物质、矿山压力和地下水压力等因素之间的内在联系，分析矿山压力和地下水压力条件的改变对断层导水性的影响，探讨导致断层破碎带导水能力变化的原因和机制。

1)实验样品制备。

研究区地层的岩石组合大多为砂岩、泥岩或灰岩等沉积岩层，根据其物理力学性质，尤其是水理性质，基本上可分为硬质岩和软质岩两类：硬质岩包括砂岩(粉砂岩～粗砂岩)、灰岩，岩质坚硬，力学强度高，浸水不易被崩解;软质岩主要为泥页岩和砂质泥岩，力学强度低，浸水后易软化崩解。

岩石的物理力学和水理性质对于导水性有很大影响：若断层带中的物质以硬质岩为主，则其能保持原状不易崩解，有利于地下水的流通;若断层带中的物质以软质岩为主，则易于崩解风化，粒径更细小，则不利于地下水的流通。

由于断层形成于多期次的构造运动，在漫长的地质历史时期，在多期、多方向地质构造挤压、伸展等作用下，断层带中破碎岩石经过碾磨、运移和拌合，大致表现为极度的不均一性。在实验样品的制备中，将岩石破碎，大致按照粒径10 mm、5 mm、2.5 mm3种级次，按照1∶1∶1的比例混合制成。

根据古交矿区地层的岩石组合特征选择部分钻孔，在垂向上按照软、硬质岩石类型，分段划分厚度，并分别累加，据此确定实验样品中硬质岩与软质岩的比例为2∶1或3∶2。故在实验中，分别以灰岩∶夹矸 =2∶1、砂岩∶泥岩 =3∶2进行模拟。

2)实验成果及分析。

采用MTS电液伺服岩石力学实验系统，利用特制的渗流实验装置，对断裂构造岩的样品，模拟不同的应力场条件，测试样品的渗流速度，计算样品的渗透系数。(实验中灰岩∶夹矸 =2∶1的样品编号为“古－1”，砂岩∶泥岩 =3∶2的样品编号为“古－2”)。每个样品在固定轴压条件下，分别施加不同的渗流水头压力(渗透压差、水力坡度)，测试其渗流速度和渗透系数(见图2，图3)。

从图2，图3可以看出，a)在较低轴压下(小于5 MPa)，样品的渗透系数与渗透压差成较明显的、非线性反比例关系;b)在较大轴压下(5～10 MPa)，样品的渗透系数与渗透压差仍成反比例关系，但变化幅度很小;c)在很高的轴压下，渗透压差对渗透系数的影响几乎可以忽略;d)泥岩物质含量较大时，相同轴压条件下，渗透压差对渗透系数的影响较小。

在一定轴压下，渗透系数一般是一定值，但瞬间施加较高的渗透压差(水力坡度)，其量值为轴压的30%～100%，使得样品再次被压密，导致孔隙被压缩，因此表现为渗透系数减小。但在很高的轴压下，渗透压差与轴压相比，其量值所占比例较小，因此，对样品的渗透系数影响几乎可忽略。

图2 样品“古－1”的渗透系数与渗透压差关系图

2.2 断裂带导水性预测

1)实验成果的应用。

实验中轴压相当于实地的地应力(矿山压力)，渗透压差为实地的水力梯度。从实验成果可知，对样品渗透系数具有明显影响的因素为轴压，而渗透压差的影响作用较小。选择固定的渗透压差、变化的轴压以及相应的渗透压差，就可以更明显地观察到轴压与渗透系数的相互关系(见图3)。如果知道研究区的渗透压差，就可以从图3上通过插值的方法，得到不同矿山压力下，断层带的导水能力大小(即渗透系数)。

由于实验条件的局限，固定渗透压差条件下的数据相对较少，做图只有渗透压差2 MPa(“古－1”样)和0.5 MPa(“古－2”样)，但因渗透压差较低时的渗透系数大，而渗透压差大时的渗透系数反小(见图2，图3)，故利用图4求取实地的渗透系数是可行的。

图3 样品“古－2”渗透系数与渗透压差关系图

根据调查，古交矿区中奥陶统承压水的水头及渗透压差如表1所示，一般大于2 MPa，所以，可以依据图4估算渗透系数。

假定岩石综合重度按22 kN/m3计算，每100 m深度的地应力即为2.2 MPa。根据地质构造剖面图，古交矿区中奥陶顶板埋深变化较大，本次主要研究了以下几处：

a)西曲矿西北边界，中奥陶顶板埋深为255 m，σ =5.61 MPa;

b)镇城底矿西北边界，中奥陶顶板埋深为312 m，σ =6.86 MPa;

c)镇城底矿与屯兰矿交界，中奥陶顶板埋深为522 m，σ =11.48 MPa。

表1 古交矿区中奥陶统承压水水头及渗透压差

图4 在相同渗透压差下渗透系数与轴压的关系图

对于“古－1”样，从图4(a)中可以量算出：

σ =5.61 MPa时：K=8.3 ×10－3m/d

All patients were encouraged to maintain mobility,and a diet was introduced gradually as tolerated.Patients were discharged when they could tolerate a full diet without signs of sepsis and the absence of rectal bleeding.

σ =6.86 MPa时：K=7.0 ×10－3m/d

σ =11.48 MPa时：K=4.4 ×10－3m/d

对于“古－2”样，从图4(b)中可以量算出：

σ =5.61 MPa时：K=3.9 ×10－3m/d

σ =6.86 MPa时：K=2.7 ×10－3m/d

σ =11.48 MPa时：K=0.7 ×10－3m/d

根据模拟实验的结果，结合古交矿区的矿山压力、承压水头等条件，在古交矿区的地层岩石组合条件下，断层带中处在中奥陶统顶板附近的破碎岩石，其导水性较差，因此，断层导通中奥陶统中地下水的可能性较小。

3)模拟实验与实际情况对比分析。

根据古交矿区的中奥陶统含水岩组的抽水实验资料，中奥陶统含水岩组主要为奥陶系上马家沟组灰岩、峰峰组灰岩，抽水实验资料显示，在奥陶系中统含水层组的渗透系数K一般为1～20 m/d，0＜K≤1 m/d或K＞20 m/d的情形较少。

断层带导水性实验得到的渗透系数比矿区抽水实验计算的渗透系数在数值上小了3～4个数量级，这两者之间并无矛盾：抽水实验得到的渗透系数是承压含水层的(等效)渗透系数;而室内试验得到的渗透系数是断层带自身物质的渗透系数。由于含水层中发育岩溶裂隙、孔洞，故其渗透系数高，而断层带物质级配良好，在较大矿山压力下压密，故其渗透系数低。

3 突水条件分析

古交矿区主要由镇城底井田、马兰井田、屯兰井田、西曲井田和东曲井田组成。镇城底矿断层较发育，且多为高角度正断层，从断层在整个井田的分布看，其北部断层尤为发育，南部断层较少。落差大于20 m的断层主要有F49断层、F72断层。马兰井田小断层较多，且多为NE向，呈地堑、地垒、阶梯状出现。落差较大的断层有白岸正断层(F164)及原相北正断层(F165)，北部落差较大，都在100 m左右，向南变小至70～80 m。从井田内断层的纵向延伸来看，正断层一般延伸较大，落差大于5 m的正断层一般能切割所有煤层，而逆断层一般延伸较小。另外，大、中断层周围常发育羽状小断裂，对煤层顶底板破坏较大。屯兰井田内断层较多，且多属高角度正断层。断距＞30 m的5条，＞100 m的4条，最大的落差达180 m。无论落差大小，其破裂结构面一般都紧闭，摩擦镜面、擦痕和断层透镜体常见。本井田占主导地位的NE向断层虽为正断层，但结构面表现为压扭性断裂面。西曲井田内断层除一条逆断层外，都为NE～NNE向的高角度正断层。多集中在井田西北部，呈平行排列，中部和南部相对较少。断层往往组合成长条形的地堑或地垒，在较大的主干断裂旁侧出现有呈“入”字形的较小断层。井田内断层发育为压扭性。东曲井田内地表断层较多，生产过程中井下揭露出众多小断层，所有断层均为正断层，但落差大者较少。

西山地区的地质构造主要为北东东向断裂带及北北东向断层。这些断裂带由一系列正断层组成断阶。大部分正断层表现出隔水性质。天然状态下，断层水平上具导水性，垂向上则不具备岩溶水沿断层带上升的条件，断层带上无奥灰岩溶水上升现象。

实际生产中揭露的情况也表明，奥灰岩溶水并未沿断层带上升。这个现象就可以用断层带物质在较高矿压下渗透性能极差的实验成果解释之。

综上分析、调查与对比可见，研究区的中奥陶统承压水沿断层带上升到可能性小。实际生产中，尚应注意调查落差较大的张性断层，避免特殊情况下导致奥灰水突入下组煤的事件发生。

4 结论

根据模拟实验的结果，结合古交矿区的矿山压力、承压水头等条件，在古交矿区的地层岩石组合条件下，断层带中处在中奥陶统顶板附近的破碎岩石，其导水性较差，因此，断层导通中奥陶统中地下水的可能性较小。西山地区的地质构造主要为北东东向断裂带及北北东向断层，这些断裂带由一系列正断层组成断阶。大部分正断层表现出隔水性质。天然状态下，断层水平上具导水性，垂向上则不具备岩溶水沿断层带上升的条件。

［1］ 林建平.山西太古代—古生代构造应力场［J］.现代地质，1991，5(4)：355－365.

［2］ 关英斌，李海梅.太原地区构造应力场研究［J］.河北建筑科技学院学报，1999，16(4)：49－53.

［3］ 山东矿业学院.奥灰水威胁煤层开采安全性评价与突水预测专家系统研究报告［R］.1995.

［4］ 王启亮，员孟超，王海生.太原掀斜构造特征及其成因分析［J］.西北地质，2010，43(3)：41－46.

Study on Water－inrush Mechanism of the Middle Ordovician Fault in Gujiao Mining Area

Li Jun－jie，Wang Fang，Guo Ming－gang，Wu Wei

For fracture rock samples，adopts MTSelectro－hydraulic servo of rock mechanics experimental system，with the special seepage experiment device，this article simulated different stress field conditions，tested seepage velocity of samples and calculated their permeability coefficient to get conduct ability of faults under different mining pressure.under rock combination conditions in Gujiao mining area，broken rock in fault zone which near the roof of middle Ordovician，had poor hydraulic conductivity，so the possibility that fault connected groundwater of middle Ordovician was less likely.

Gujiao mining area;The Middle Ordovician;Fault;Water－inrush mechanism

TD745+.21

A

1672－0652(2012)02－0029－04

2012－01－05

李俊杰(1975—)，男，山西静乐人，2010年毕业于中国矿业大学，硕士研究生，工程师，主要从事矿井防治水工作(E －mail)liab75613@sina.com