导水断层突水机理分析及预防

杨 军，邵元虎，刘彦俊

(1.霍州煤电集团晋南公司，山西 河津 043300;2.霍州煤电集团地质测量部，山西 霍州 031400;3.霍州煤电集团防治水中心，山西 霍州 031400)

断层及断层破碎带的导水作用是最具威胁的矿井水害之一，主要表现为断层在垂向上的导水作用，而许多矿井的突水事故都是由断层沟通水源造成的。有的隔水断裂带在采动以后由于水压的作用，断层带破碎的岩体被水浸泡变软而变为导水断裂带，导致断层的滞后突水。本文以山西霍州煤电集团干河矿2#煤1081返掘巷道导水断层滞后出水的综合治理和预防为例，简述在掘进过程中发现断层滞后出水，通过分析、治理、预防，消除了断层导水给矿井带来的危害，实现矿井安全生产。

干河矿井田位于霍州矿区南部，汾河西岸的干河、平垣、小河村一带，主要可采煤层为1#、2#、10#和11#，属于带压开采矿井。矿井奥灰静水位标高517 m，2#煤开采最低标高 － 70 m，最大承压 5.9 MPa。1081返掘巷位于+80水平一采区的右翼，巷道煤层标高+87 m。由于靠近已探查的F13断层，工作面于2012年11月25日掘进至298 m时发生断层滞后突水，水量最大时约为600 m3/h。

1 水文地质情况

干河矿2#煤层顶板为下石盒子组K8、K9砂岩含水层。K8砂岩为2#煤层的顶板，最大厚度9.94 m，成为煤层直接充水含水层，裂隙不甚发育。K9砂岩位于K8砂岩层以上40 m左右，水文地质特征与K8砂岩相似，为富水性弱的裂隙含水层。2#煤底板为太原组K2、K3灰岩岩溶裂隙含水层，距2#煤约75 m左右，平均厚度分别为8.96 m、1.46 m，岩性为深灰色致密坚硬石灰岩，裂隙溶隙较发育，为富水性弱－中等的溶隙含水层。

中奥陶统石灰岩溶隙含水层水位标高约为+519 m，高于2#煤层的开采标高，平均厚度617 m，是该井田煤系地层下伏的主要含水层，属富水性中等－强的溶隙含水层。在有导水构造等通道存在的条件下，奥灰水将进入2#煤层采掘工作面。

2 断层出水情况分析

2.1 煤层揭露

2－1081返掘工作面相对位于+80水平一采区的右翼，与已探查的F13断层相对平行掘进，根据《煤矿防治水规定》中防水煤柱留设标准，留设防水煤柱40 m。由于断层位置偏向2－1081巷道，原留设断层煤柱40 m实际减少至22～25 m，2#煤层(上盘)与太灰(下盘)层间距减少至20 m，加之矿压大、水压大，开凿扰动，造成巷道底鼓变形、顶板锚索断裂，最终导致断层滞后出水。出水点位置平面图见图1，剖面图见图2。

2.2 涌水量变化

图1 2－1081返掘巷出水点位置平面图

图2 2－1081返掘巷出水点位置剖面图

初次发生突水时，水量约50 m3/h，随后衰减至10 m3/h左右，经过钻探探水及水质化验，推测为K2灰岩水。第二次发生突水水量增大时，高峰水量约600 m3/h，最终衰减至300 m3/h，水量衰减系数为50%。高峰期水量受瞬时水压和静储量的影响，水量最大，水量持续下降一段时间后达到稳定值，由于本区域奥灰水为间接补给，水量再次增加的可能性不大。涌水量变化情况见图3。

图3 2－1081反掘巷突水前后巷道涌水量变化曲线图

2.3 水文孔观测

图4 突水前后井田太灰及奥灰观测孔水位变化曲线图

从图4可以看出，2个K2灰岩观测孔均出现了明显的水位降深，4个奥灰孔仅1个水位变化较明显，显示了出水点对K2灰岩水位影响大，奥灰次之的特点，进而推测K2灰岩岩溶裂隙水为主要充水水源(也是直接充水水源)。

2.4 水质分析

工作面初次出水时，采取水样，对出水点水质进行了化验。通过水质化验结果分析，出水点水质类型最初为HCO3·SO4－Na型水，矿化度为819.4～894.93 mg/L，与2008年2－101工作面出水(K2灰岩水位大幅下降和回升)水质类型相同、矿化度相当。

第二次突水涌水量增大时，水质类型逐渐转化，(HCO3·SO4－ Ca·Na·Mg→HCO3·SO4－ Ca·Mg·Na→SO4·HCO3－ Ca·Mg·Na)，SO42－、Ca2+、Mg2+离子在不断增加，矿化度为 783.7～865.75 mg/L，显示有不断向奥灰水质变化的趋势。

因此，根据F13断层两侧钻孔资料比对、矿压显现情况、出水点位置、涌水量、水质、K2灰岩和奥灰水位等动态和流场综合分析，初步认定本次突水的直接充水水源为K2灰岩，间接充水水源为奥灰水。

3 注浆堵水方案分析

采用注浆直接封堵出水点的方法在水害治理工程中十分常见，按施工地点一般分地面封堵和井下封堵，但结合干河突水实际情况，将两种方案进行分析发现，出水点直接封堵效果不利于后期安全生产，主要表现在两个方面:

1)对于F13断层带而言，注浆封堵后，水被封堵在2－1081正巷及返掘巷以外的煤柱附近，煤柱两侧的水压差为4.2 MPa，即便反掘巷出水点附近煤柱安全，也难以保证回采时2－1081正巷矿与F13断层间的煤柱在高水压作用下不突水。

2)对于2－1081工作面及周边工作面而言，回采时同样面临底板出水问题。临近矿井如团柏、白龙、回坡底等矿，K2灰岩水构成了矿井涌水量的主要部分，均以回采过程中的自然疏放为主，李雅庄矿在底板出水之后，K2灰岩水经过长期疏放，回采时的底板带压问题也得到较大程度缓解。

通过承载力计算式可知，对高速公路桥梁承载力影响较大的因素包括混凝土材料、钢筋和截面尺寸等。在具体施工中，应综合考虑桥梁的结构、跨度和级别3个要素。

由此而言，封堵K2灰岩水对后期采掘活动将产生不利影响。

4 综合治理

对于煤矿突水的治理，针对不同的水害类型，《煤矿防治水规定》中采取防、堵、疏、排、截的总体思路，具有指导意义。“防”主要指合理留设各类防隔水煤(岩)柱和修建各类防水闸门或防水墙等。“堵”主要指注浆封堵具有突水威胁的含水层或导水断层、裂隙和陷落柱等通道。“疏”主要指探放老空水和对承压含水层进行疏水降压。“排”主要指完善矿井排水系统，排水管路、水泵、水仓和供电系统等必须配套。“截”主要指加强地表水(河流、水库、洪水等)的截流治理。

1)“防”:设计防水密闭墙。

通过分析矿井及出水点的水文地质情况，为不影响2－1081工作面后期回采，在2－1081反掘巷内设置永久隔水防渗墙一道。防渗墙的设计承受水压为5 MPa，大于2#煤底板带压。墙体平面几何形状采用倒截锥形。考虑井下的实际情况和作业环境，很难达到地面混凝土的施工条件，实际施工提高一个等级，采用C30混凝土配比。墙体厚度，除考虑墙体自身强度满足耐压要求以外，混凝土与煤壁的黏结强度也应满足耐压要求。因此，设计墙体厚度为6.78 m。

2)“疏”:留设过水管路。

在建立防水密闭墙的同时，在墙体内埋设过水管路疏放涌水，由于本次突水主要为K2灰岩水，奥灰参与程度不高，因此通过疏放K2灰岩水，达到降低煤柱两侧水压差，减少2－1081工作面回采涌水量的方案是可行的。

3)“排”:增强矿井排水能力。

干河矿副井井底中央水仓总容量为6 000 m3，中央水泵房安装5台水泵，其中MD280－65×8三台，电机功率710 kW，MD500－57×9二台，电机功率1 400 kW。5台水泵交替运转，分别与325排水管路3趟、273管路2趟并联，排水管路经副井井筒排至地面，经污水处理后，排至团柏河，排水高度470 m。同时矿井建设有应急强排水系统，安装BQ550－536/14－1400/w－s，目前矿井实际排水能力为2 000 m3/h。

另为排放反掘巷出水点涌水，现2－1082巷已安装6台75 kW、流量150 m3/h的水泵，通过6趟6英寸排水管路排至一采区轨道巷经水沟排至中央水仓，掘进头已形成900 m3/h排水能力。

综上所述，综合考虑技术、成本、时间、后期回采影响等四大因素，采用井下“防、疏、排”相结合的方案，具有可行性。即通过井下密闭墙封堵，对出水点水量自然疏降，通过矿井正常排水即可保证安全生产，有利于矿井回采，施工工艺简单，费用较低。

5 结语

1)本次断层滞后出水主要是存在侥幸心理，对带压开采构造滞后导水认识不足，巷道沿断层走向布置，未考虑断层向巷道偏移情况，是导致此次突水的主要原因。

2)采用注浆直接封堵出水点的做法十分常见，但综合考虑出水点的水文地质情况，通过《煤矿防治水规定》中提出的5项综合治理措施，逐步逐条的处理和预防，同样能达到实现安全回采的整体目标。

3)工作面出水要重视水质化验分析，及时收集整理矿井各含水层的水质资料，发生突水时，做好资料对比分析，利于矿井水害的预防和治理。

4)带压开采矿井布置采掘工作面时，要充分考虑井田内的地质构造、陷落柱的影响。掘进工作面沿断层走向布置时，要充分考虑断层向巷道偏移的情况，另在落差大的断层附近，工作面不易沿断层走向平行布置。

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