煤层底板隐伏断层分类及突水防治措施

刘泽威，刘其声，刘 洋

煤层底板隐伏断层分类及突水防治措施

刘泽威1,2,3，刘其声2,3，刘 洋2,3

(1. 煤炭科学研究总院，北京 100013；2. 中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077；3. 陕西省煤矿水害防治技术重点实验室，陕西 西安 710077)

矿井底板突水系数介于0.06~0.1 MPa/m区域内发育的隐伏断层，是煤矿生产过程中发生突水的关键因素之一，对其进行科学分类有利于制定底板突水防治针对性措施。通过煤层底板隐伏断层特征分析，根据隐伏断层顶界面位置与“下三带”垂向关系，从底板水害防治角度，将煤层底板隐伏断层分为高位、中位及低位3种类型。借助理论与突水案例分析手段，指出存在突水威胁的高位隐伏断层具有全贯通、突发性、水量大及危害程度高等特点；中位隐伏断层具有突水时间难以判断、突水后难以治理的特点。针对高位隐伏断层，提出工作面回采前对煤层底板进行注浆加固等防治措施；针对低位隐伏断层，提出在突水灾害前后采取不同思路的注浆治理措施。研究成果对于煤矿企业应对隐伏断层引起的底板突水灾害提供了重要参考。

断层分类；高位隐伏断层；中位隐伏断层；下三带；突水

根据我国各矿区底板奥陶系灰岩(简称“奥灰”)突水资料分析，底板突水事故大部分发生在回采工作面，其中80%的事故与断层有关[1-3]。随着煤矿开采深度不断加大，矿井工作面底板受到地压与水压的威胁越来越大，底板水的危害日趋严重，断层导致底板突水成为我国矿井水害形式之一[4]。近年来，华北地区煤层开采始终受到底板奥灰水的影响[5]，经常发生由隐伏断层造成的底板突水事故，如山东肥城白庄煤矿8105工作面轨道巷底板发生隐伏断层突水事故，突水量最大达到2 800 m3/h[6]。因此，研究煤层底板隐伏断层对预防及治理煤矿底板突水灾害具有十分重要的现实意义[7-10]。

构造地质学家根据断层两盘的相对运动将断层分为正断层、逆断层及平移断层[11]。为了更好地开展对断层的研究工作，先后有学者从不同角度提出新的断层分类方法，王颂禹[12]对传统的根据断层两盘相对运动方向的形态分类提出补充意见，增加了水平断层、垂直断层与开口断层3种新类型；黎良杰等[13]针对断层突水机理，根据断层性质将断层划分为张开型断层和闭合型断层；曹运兴等[14]按照顺煤断层的成因，提出将其划分为3种基本类型：褶皱型、重力滑动型和转换型；罗群等[15]针对低序级断层，将其划分为拉张正断层、拉张–走滑断层、挤压逆断层、挤压–走滑断层和走滑断层5种成因类型；吴中海[16]根据活断层滑动速率和地震复发间隔指标，提出了活断层的分类方案。上述研究主要从地质角度对断层进行分类，而煤矿发生断层突水除受断层自身性质影响外，更多与采矿活动有关，回采面推进过程中，顶板覆岩作用形成的超前支承压力破坏底板岩层，常引发隐伏断层活化导水。因此，从煤矿防治水角度来在进行隐伏断层类型划分时，应结合采矿因素与水害防治角度对其进行分类，以期为不同类型的隐伏断层防治措施制定提供依据。

由于煤层底板隐伏断层性质、连通性及发育位置千差万别，对矿井的威胁程度则会存在较大的差异，有些工作面无需采取任何措施直接回采即可，有些工作面隐伏断层需要注浆改造方能进行回采，有些需留设防隔水煤岩柱，更有甚者需要采取多种措施并举。因此，为了更好地指导煤矿企业应对隐伏断层引起的底板突水灾害，本文基于煤层底板“下三带”理论，即工作面回采后采空区底板岩层形成的底板导水破坏带、完整岩层带及承压水导升带，根据隐伏断层顶界面与下三带空间上的垂向位置关系，从底板水害防治角度对煤层底板隐伏断层进行分类，评价其突水危险性，依据水害威胁程度的差异提出相应防治策略。

1 煤层底板隐伏断层

一般而言，隐伏断层是指在地表无出露，潜伏地表以下的断层[11]。本文所指的煤层底板隐伏断层，是指在煤层采掘活动过程中未揭露，但可通过物探、钻探手段探查或通过其他地质现象推测的断层。此类断层一般发育于脆性岩层中，伴生于大断裂构造，断层底部直接与灰岩或奥灰含水层沟通。受围岩应力和构造应力共同作用，在未采动的情况下，一般保持稳定状态，受采掘扰动后易发生活化，具备条件时易引发采掘工作面底板突水事故。

煤矿开采实践表明，底板断层滞后突水常常是由隐伏断层引发，而具有一定规模的大断层引起的突水灾害则较为少见[17-18]。主要是由于大断层在煤矿开采前已采用三维地震勘探、水文地质钻探及电法勘探等方法进行了勘查确认，矿井设计阶段通过生产布局进行了有效回避，或作为采区边界、矿井边界；无法回避的断层一般在揭露前会采取注浆或留设防隔水煤柱等措施提前防治。在当前的技术装备条件下，底板隐伏断层的空间位置、走向及延伸长度能够通过物探和钻探手段确定，但断层性质、倾角、倾向、断层开放程度、破碎带宽度等要素难以精确探查。从矿井防治水的角度分析，由于煤层隐伏断层改变了隔水层的完整性及力学性质，增大了煤层与含水层之间联通的可能性。在采掘扰动和底板含水层承压水共同作用下，煤层隐伏断层易被活化或进一步发育，成为底板水进入采掘工作面的导水通道，引发矿井突水灾害的发生。

2 隐伏断层分类

煤层底板隐伏断层的研究结果表明，断层与煤层的相对位置对底板突水有着密切影响[19-23]。文献[18]借助断裂力学推导出煤层底板隐伏断层活化力学判据，并分析发生断层突水的临界水压随着隐伏断层到底板垂向距离的增大而增大。从水害防治角度分析，由于隐伏断层顶界面与下三带垂向关系不同，其水害威胁程度及治理措施将会存在较大的差异，因此，可根据隐伏断层顶界面与“下三带”垂向关系进行分类。

由于各矿区底板隔水层厚度存在差异，针对隔水层厚度大的矿井，底板水对矿井生产不构成威胁，不需要采取措施；底板隔水层超薄的矿井，则划分为禁采区，为了使本文隐伏断层分类更具有针对性及适用性，在分类前须对底板隔水层厚度加以限定，力求划分更科学合理。

根据《煤矿防治水细则》规定[24]，煤层要实现安全回采，在底板受构造破坏地段突水系数一般不大于0.06 MPa/m，正常区段一般不大于0.1 MPa/m，而处于0.06~0.1 MPa/m之间的情况则未作规定，因此，突水系数介于两者之间、煤层底板存在隐伏断层的矿井防治水工作如何开展，是当前技术人员在制定措施时面临的棘手问题。突水系数计算公式为：

=/(1)

式中：为突水系数，MPa/m；为隔水层底板承受水压，MPa；为有效底板隔水层厚度，m。

当突水系数值确定后，针对具体矿井而言，其水压值属于已知条件，隔水层厚度可以直接计算。因此，本文以过渡区的隔水层厚度为约束条件，结合开采扰动影响，根据隐伏断层顶界面与煤层底板下三带相对位置关系，将煤层底板隐伏断层分为高位、中位及低位3类。

a.高位隐伏断层 此类隐伏断层顶界面位置处于底板导水破坏带内(图1a)。在煤层回采阶段，原来完整的底板岩层受到矿山压力影响，连续性遭受破坏，而隐伏断层的存在加大了底板破坏深度，使非导水断层活化为导水断层，断层断距加大，导水性进一步增强。由于断层底端与含水层沟通，工作面回采过程中将会发生即时突水灾害，对矿井安全开采威胁极大。因此，煤层底板含有高位隐伏断层时，无论导水与否回采面极容易发生底板突水灾害，在回采前须采取针对性防治措施进行治理。

图1 不同类型隐伏断层示意

b.中位隐伏断层 此类隐伏断层顶界面位置处于完整岩层带(图1b)。煤层底板含有中位隐伏断层时，由于与上方煤层底板有一定距离，一般不会直接发生突水灾害。然而，随着时间推移，在含水层水压力和构造应力长期双重作用下，加之采空区底板原岩由三维应力状态转变为二维应力状态，中位隐伏断层顶部进一步向采空区方向发育，逐渐穿透完整岩层带，与底板破坏带连通，引发滞后突水灾害。因此，中位隐伏断层虽然对矿井当时开采威胁较小，但时间效应使得采空区底板下的完整岩层产生蠕变、屈服及破坏，易引发底板滞后突水灾害，此类断层也须采取措施进行及早防治。

c.低位隐伏断层 此类隐伏断层顶界面位置处于承压水导升带(图1c)。低位隐伏断层，在含水层的长期水力侵蚀下，虽然导水通道宽度及导水能力均得到了加强，但是由于距煤层底板较远，且中间有完整岩层带阻水，因此，不会引发突水灾害。

3 隐伏断层突水影响因素及防治措施

文献[25]通过数值模拟方法对底板断层突水的主控影响因素展开了研究，结果表明，含水层水压与断层倾角对断层活化突水存在显著影响，据此本文从含水层水压与断层倾角两个主控影响因素出发，分析其对高位与中位两种会引发突水灾害的隐伏断层进行分析，并结合矿井突水实例，提出不同煤层底板隐伏断层突水防治措施及技术思路。

3.1 影响因素分析

a.含水层水压 含水层水压的大小决定着高位隐伏断层底板突水的突发性与突水量，随着含水层水压增大，其突发性增强，突水量也随之增高。针对中位隐伏断层底板突水，含水层水压对突水滞后时间有着明显影响，根据中位隐伏断层特性，需要一定时间才能活化导通含水层，造成突水灾害；而含水层水压越大，会加速活化过程，导致突水滞后时间变短，突水灾害提前发生。

b.断层倾角 已有研究[26]表明，断层倾角越小，煤层底板越不容易发生突水事故。高位隐伏断层倾角越小时，连通含水层的突水通道长度增加，下方含水层的水通过断层进入煤层底板的难度就越大，即突发性减弱，水量也相应减小；中位隐伏断层倾角越小时，断层两盘上下错动难度越大，完整岩层带则不容易受到破坏，导致底板突水滞后时间越长。反之，断层倾角越大，底板突水的时间缩短、突水量加大，防治难度增加。

3.2 不同类型隐伏断层突水防治措施

3.2.1 高位隐伏断层

为了直观说明高位隐伏断层突水防治措施，本文以新密煤田矿井突水为例，分析高位隐伏断层影响因素及采取的防治措施。新密煤田处于华北板块嵩箕构造区嵩箕断隆，区内断层构造较多，落差小则几十米，大则数百米，依次有咕山、龟山等断层。由于新密煤田隐伏断层顶界面多处于底板导水破坏带，完整岩层带容易被破坏，导致其稳定程度与阻水能力大大下降。区域内东沟煤矿、富堡煤矿及裴沟煤矿等在生产过程中，均发生过多次隐伏断层导致的奥灰突水事故，部分矿井甚至造成淹井等灾害。本文以裴沟煤矿某工作面的突水为例进行说明。

图2 裴沟煤矿某工作面底板突水示意

新密煤田裴沟煤矿因隔水层内断层活化发育，导致某工作面发生突水(图2)，由于含水层水压较大，矿井突水量稳定在1 200 m3/h左右。由上述案例及其他矿井资料总结得出新密煤田煤矿发生突水灾害的特点为：突水瞬发性较强，突水水量大，危害程度高，这也是高位隐伏断层突水的典型特征。

从矿井防治水角度分析，高位隐伏断层突水具有全贯通、突发性、水量大及危害程度高等特点，其突水防治措施可按下列步骤进行：

①由于本文讨论的突水系数为0.06 ~0.1 MPa/m，有效隔水层厚度有限，为防止隐伏断层断距加大，扩大导水通道，进一步恶化煤层底板工程地质条件，须采取地面或井下定向钻探技术对煤层底板进行提前注浆加固，一方面可以改善底板破碎程度，提高底板整体抗水压能力；另一方面也可以抑制隐伏断层进一步扩展延伸，阻止其变成大通道导水断层的可能，将突水隐患消除于萌芽状态中。

②长期监测隐伏断层受采动影响的变化情况和下方含水层的水位、水温等指标，发现渗水及水位异常现象，应及时分析原因，采取专项防治措施进行防治。

3.2.2 中位隐伏断层

由于中位隐伏断层顶界面处于完整岩层带，随着时间推移，中位隐伏断层进一步发育，顶界面与底板导水破坏带沟通，并与含水层发生贯通，从而引发滞后突水灾害。此类型突水以邢东矿2228工作面突水实例进行说明。2018年3月4日，邢东煤矿2228工作面机尾发现出水，水量约为60 m3/h，11日水量增至1 100 m3/h左右(图3)。隔水层内具有中位贯通隐伏断层，受采动与水压影响，导致其完整性被破坏。本次突水前工作面因放假停采一周左右，此时隐伏断层只受含水层水压作用，导致其活化加快，并贯通含水层；当工作面再次开始回采作业时发生底板突水事故。对比图2与图3发现，2228工作面底板突水具有典型的滞后现象。

图3 邢东矿2228工作面底板突水示意

从水害防治角度分析，由于中位隐伏断层与上方煤层和下方含水层都有一定距离，整个突水过程可分为两个阶段：第一阶段是发育在隔水层下部的隐伏断层沟通含水层，将灰岩水向上部导引，形成断层水；第二阶段是隐伏断层水在其端部形成尖点效应，高压水驱动裂隙继续向隔水层弱势面方向发育，不断发育的断层裂隙逐渐减小了隔水层的有效厚度，在断层损伤达到隔水层临界阻水能力厚度时，矿井将会发生突水事故。因此，中位隐伏断层具有突水时间难以判断、突水后难以治理的特点，其突水防治措施可按下列步骤进行：

①从水害防控角度来说，通过水压监测及富水性探测的方法掌握灰岩水的导升情况，对含水层水位、水温、水质等进行长期动态观测，建立突水监测预警系统，监测断层受采动影响变化情况。

②工作面回采前采用物探手段对底板疑似区域进行定期的富水性探测，对比分析富水性是否发生改变，监测孔水位是否下降，综合判断断层顶部是否发生导升情况。

③通过物探结果、水压数据等综合判断发现断层水有向上导升现象时，可在断层侧向打孔泄压或注浆改造，对隐伏断层发育区域进行超前治理。

④若工作面回采后，采空区底板发生滞后突水，鉴于隐伏断层已经与含水层发生水力联系，并且出水区域底板岩层已经破坏，须封闭该区域，采用定向钻进行小范围区域静压注浆改造，不可在原出水点直接进行动水注浆，其将恶化出水点的工程地质条件，引发更大的突水灾害。

4 结论

a.根据隐伏断层顶界面与“下三带”垂向关系将煤层底板隐伏断层划分为高位、中位及低位隐伏断层。

b.高位隐伏断层具有突发性和危害大的特点，工作面回采前须对煤层底板进行注浆加固，定期监测隐伏断层受采动影响的变化发育情况。

c. 中位隐伏断层具有滞后性和灾后治理难度大的特点，针对其特点考虑突水灾害前后采取不同治理思路与措施。针对中位隐伏断层突水的滞后性研究还存在一定欠缺，尤其是滞后时间定量化方面，这对断层底板突水的预测防治有着重大意义。因此，应进一步加强对隐伏断层突水滞后性研究。

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Classification of hidden faults in coal seam floor and measures for water inrush prevention

LIU Zewei1,2,3, LIU Qisheng2,3, LIU Yang2,3

(1. China Coal Research Institute, Beijing 100013, China; 2. Xi’an Research Institute Co. Ltd., China Coal Technology and Engineering Group Corp., Xi’an 710077, China; 3. Shaanxi Key Laboratory of Prevention and Control Technology for Coal Mine Water Hazard, Xi’an 710077, China)

The floor hidden faults with mine water bursting coefficient between 0.06 and 0.1 MPa/m have not been classified scientifically in combination with mining. Based on the characteristics of hidden faultsin coal seam floor and the vertical relationship between the location of the top interface of the hidden fault and the "Three Underlying Belts", the hidden faults in coal seam floor are classified into three types: high, middle, and low from the perspective of mine water prevention of the floor. Through theoretical analysis and case analysis of water inrush, it is pointed out that the high hidden fault with the threat of water inrush has the characteristics of full penetration, suddenness, large water volume and high degree of harm. It is difficult to control afterwards. For high hidden fault, preventive measures such as grouting and strengthening the coal seam floor before mining are proposed; for low- hidden faults, different measures for grouting treatment before and after water inrush disasters are proposed. The research results provide an important reference for coal mine enterprises to deal with floor water inrush disasters caused by hidden faults.

fault classification;high hidden fault; middle hidden fault; three underlying belts; water inrush

TD741

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2020.02.022

1001-1986(2020)02-0141-06

2019-12-30；

2020-04-01

国家自然科学基金项目(41807221)；国家重点研发计划项目(2017YFC0804100)

National Natural Science Foundation of China(41807221)；National Key R&D Program of China(2017YFC0804100)

刘泽威，1995年生，男，陕西商洛人，硕士研究生，研究方向为煤矿防治水. E-mail：liu182888@qq.com

刘泽威，刘其声，刘洋. 煤层底板隐伏断层分类及突水防治措施[J]. 煤田地质与勘探，2020，48(2)：141–146.

LIU Zewei，LIU Qisheng，LIU Yang. Classification of hidden faults in coal seam floor and measures for water inrush prevention[J]. Coal Geology & Exploration，2020，48(2)：141–146.

(责任编辑 周建军)