任楼煤矿F2断层水文地质条件特征分析

赵晶

(恒源煤电股份有限责任公司任楼煤矿，安徽宿州235123)

断层是矿井充水的重要通道之一。从过去大量突水事故分析，底板突水绝大多数是与断层有着直接的关系［1－5］。井径矿区，直接沿断层发生突水占74%，断层影响带 (距断层带15m范围)内占23%［6］。在肥城矿区，与断裂构造有关的突水占72.6%，其中5次大于1000m3/h的突水，均与断裂构造有关［7］。

任楼煤矿地处淮北矿区内，该区内因断层引起的井下突水事故屡有发生。F2断层是任楼煤矿迄今为止所要穿过的规模最大的一条断层，其对中六轨道过断层的位置选择有着重大影响。F2断层是任楼煤矿中四、II2与中六、II6采区的分界压扭性正断层，落差25～125m，倾向NNW－NWWNW，倾角58°，断层走向延伸长度大于5250m，平面上呈S形弯曲。39－14钻孔抽水试验资料表明，该孔揭露F2断层后，观测19h地下水一直由孔内自溢高出地表0.8m，这在任楼煤矿是一个非常反常的现象。同时根据电法资料，F2断层附近存在低阻异常区，其是否存在局部导 (含)水段尚不能明确。考虑以上因素，为了保证矿井今后安全生产，对F2断层的水文地质条件特征进行深入分析有着重要意义。

本文从断层的力学形成机制、断层带物质组成成分、现场试验三方面来对F2断层水文地质条件进行分析。

1 F2断层组力学机制分析

在中国中生代印支期，华夏地块与扬子板块发生碰撞、拼合，形成了一系列的碰撞带。在该期构造应力场的作用下，研究区主压应力 (σ1)轴向近南北 (175～359°)，见图1，拉伸应力 (σ3)方向近东西，形成近东西向褶皱，并伴生轴向逆冲断层及北北东向剪切断层。该期构造应力场奠定了任楼煤矿主要断裂构造行迹为呈近东西向的逆断层。在此基础上，燕山期构造运动对F2断层的形成起到主导作用。

图1 不同构造期主压应力方向示意

2.1 区域构造期次分析

(1)燕山一期 根据区域应力场特征，该期本区主压应力 (σ1)轴向近南北 (140～320°)，见图1，拉伸应力 (σ3)轴方向为 (50～230°)，在该期应力场的作用下，本区地层褶皱成山，形成了童亭背斜，在褶皱转折端出现了放射状伸张断层，并出现NW向逆断层。

(2)燕山二期 该期主压应力 (σ1)为北北西，近南北向，主压应力方向为75°，见图1，晚期转为北东东向。本期构造作用主要表现为对前期形成的构造形迹和力学性质的改造和转换。在构造应力作用下，F2断层总体走向为NEE－NNENE，同时切断了F16，DF1，F12，DF32及FX9断层 (图2)，也表明F2断层的最终形成时间要晚于NW向的断层。

图2 燕山二期F2断层组与各断层位置关系

2.2 断层带内岩芯分析

通过对断层带内岩芯观察，F2断层破碎带内物质大小、成分不一，分选性较差，有粒度较大的角砾岩，也有粒度很小的黏土矿物，见图3;从岩芯断面能明显地看到挤压擦痕、挤压揉皱现象，见图4。这些特征表明，F2断层具有先张后挤压的特点。在张应力作用下，会形成角砾岩等块状物质，而由于后期挤压应力的作用，又会形成高岭石等粒度很小的物质，并有擦痕、挤压现象。

图3 断层带岩芯粒度较大的角砾岩

图4 断层岩芯的擦痕挤压揉皱现象

根据以上两个方面的分析，认为F2断层组是由两期以上构造应力作用下形成的。主要为:在燕山一期，在近230°方向的拉应力作用下，形成拉张性的近NW向的断层;在燕山二期，在近75°方向的挤压应力作用下，断层发生剪切、挤压，使断层走向呈弧形展面 (NEE－NNE－NE)。因此，F2断层具体力学性质表现为先拉张后压剪，见图5。

图5 燕山一、二期F2断层形成过程构造应力示意

一般来说，拉张断层在形成过程中容易形成拉张裂隙、节理，充填物颗粒较大，具有相对较强的导 (含)水性，而压剪断层形成过程中裂隙多以剪切裂隙、节理为主，张开度相对较小，断层带充填物主要为断层泥、糜棱岩等为主，导 (含)水性相对较弱。F2断层先拉张后压剪的力学性质决定了其导水能力向变弱的方向发展。

3 断层带物质组成成分

3.1 镜下观测鉴定分析

镜下观测对象为取自F2断层带内5个岩样，观测放大倍数为100倍。根据镜下观测结果分析:除4号岩样含碎屑类物质达70%外，其余岩样都以黏土矿物为主要成分，含量在55%～85%之间，见表1。其中黏土矿物以鳞片状的自生高岭石为主，颗粒细小，粒径范围分布于0.005～0.05mm。岩芯呈细角砾状结构，角砾间充填物质为泥状－粉砂结构，角砾漂浮其间。

表1 各岩主要矿物成分及命名 %

3.2 X射线衍射分析

利用D8 Advance X－射线衍射仪得出了5组断层带岩样各组分的重量百分比，见图6。由图6可看出，各岩样主要物质组成为高岭石、石英及云母，其中高岭石比重最大，占40.5%～61.3%。

通过镜下观测和X衍射测试，综合得出F2断层内物质组成具有如下特点:

(1)角砾岩与黏土成分并存，大多岩样同时含有这两种成分，这是断层为多期形成的证据之一。

(2)除了岩样4以外，各岩样中均以黏土(高岭石)的含量最高。

图6 衍射测试各岩样矿物重量百分含量

(3)除了岩样4以外，岩样中不存在长石，而高岭石成分含量较高，分析原因为正断层在挤压过程中长石蚀变成了高岭石。

断层带内物质组成是影响断层是否含 (导)水的决定因素之一。根据F2断层内岩样分析结果，断层带内物质组成主要为细角砾岩、石英粉砂岩充填较高含量的高岭石。高岭石自身具有较强的吸水性和可塑性，一方面较高含量的高岭石可减少断层带内的含水量，减弱地下水在断层带内渗流能力;另一方面吸水后的高岭石可塑性强，在挤压应力作用下更易填补闭合断层带物质内的孔、裂隙，进而减弱断层带的导水能力，缩减其储水空间。

4 现场试验成果分析

4.1 抽、注水试验

任楼煤矿至今已对F2断层组进行了3次抽(注)水试验:39－14钻孔于1979年7月28日至7月29日进行了抽水试验，降深13.65m，流量为Q=0.144L/s，单位涌水量q=0.0033 L/(s·m)，渗透系数K=0.0059m/d;38－394钻孔于2006年10月10日至10月15日对F2断层进行了抽水试验，抽水段埋深为 331.63～338.13m，降深11.17m，流量为 Q=0.03L/s，单位涌水量 q= 0.00269L/(s·m)，渗透系数K=0.004915m/d; 39－18钻孔于2012年4月10日至4月13日对F2断层带进行了注水试验，孔内水位埋深为93.30m，注水量Q=8.244m3/d，渗透系数K=0.000376m/ d，钻孔进入断层带时漏失量为0.75m3/d。

抽 (注)水试验能较直接反映断层带物质的富、导水性，结合结果及《煤矿防治水规定》附录二，F2断层组富水性为弱，同时3次试验获取的渗透系数也说明断层带导水能力较差。

4.2 地应力测试

本次地应力测试于36－30断层探查孔共取2组岩样，埋深为 751.08～757.08m和 763.05～760.63m，岩性为细砂岩，制成岩样尺寸为25mm ×25mm×50mm的长方体。测试采用的是声发射法(AE法)，根据凯塞效应确定所对应的地应力值，见表2，再根据公式(1)、(2)、(3)，换算为相应的最大、最小水平主应力，见表3。

表2 测点凯塞点应力值 MPa

表3 任楼煤矿各测点的主应力大小和方向

5 结论

从断层的形成力学机制、断层带物质组成成分、现场试验3方面对F2断层水文地质条件特征进行了分析，并得出以下结论:

(1)F2断层的形成主要受燕山一期、燕山二期构造运动作用，其力学性质表现为先拉张后压剪，由此决定了F2断层带导水能力向变弱的方向发展。

(2)根据镜下观测及X衍射测试成果，F2断层带内充填物中黏土矿物 (以高岭石为主)含量较高。高岭石较强的吸水性及可塑性，能减弱地下水在断层带内渗流能力和导水能力，并缩减其储水空间。

(3)从抽 (注)试验结果可以较直观地看出，F2断层带富水性弱、导水能力差;同时，F2断层带及附近的地应力较高，有利于阻止断层的活化导水可能性。

(4)由上述结论认为任楼煤矿F2断层水文地质条件特征为富水性弱、导水能力差，并且不易发生活化。

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