隐伏型地垒构造在煤矿防治水工作中的探查及防治

文/李永雷

在华北煤田煤矿采掘过程中，经常会遇到局部发育的隐伏型地垒构造，造成中间奥灰含水地层被抬起，地垒两侧上盘煤层下降，不易被三维地震解析，易被误认为小断距、小倾角断层，导致防治水工作被轻视，从而在接近或穿越采掘时引起突水事故。因此，详细分析隐伏型地垒构造的发育状况，做好防治水工作，对于煤矿安全生产意义重大。

一、隐伏型地垒构造的特点与危害

隐伏型地垒构造是指在井田局部，两条或多条位置邻近、走向近平行状、倾向相反的断层，相互切割，地垒上部地层移位，下部地层隐伏于两断层面之下，且被相对抬起的小型地垒构造。

隐伏型地垒构造特点是两条断裂构造距离近，走向近平行状，倾向相反，存在切割关系，两侧地层下降但高差不大（断层断距较大），中间上部地层受断层切割移位，下部地层被抬起，且隐伏于两断层面之下，面积较小，隐蔽性强，极不易被发现。

在华北煤田中，煤系地层下伏奥陶系巨厚层石灰岩，为含水层，被构造带切割抬升后，岩性破碎，含导水性极强。在煤田三维地震勘探中，断层间即使有煤层残存，但受体积效应影响，煤层和地层均不易形成有效的反射波，断层间地层很难被辨别，断层极易被解译为同一期相同产状的断层组或分支断层。从断层两侧稳定的煤层波来推断断层产状，推断结果是断层倾角严重偏缓，断层断距严重偏小。

由于在两断层中间下部含导水地层（如奥陶系灰岩）被相对抬升，与两侧含煤地层距离拉近，甚至是相对接，形成一天然的巨大导水通道（近似一狭长的大型陷落柱，危害程度极大），存在重大突水隐患。该构造被误判时，断层断距极易被严重判小，工作面临近时，防隔水煤柱宽度留设严重偏小，甚至是不留；巷道穿越时直接进入中间含水构造和含导水地层，极易造成重大突水事故。

二、隐伏型地垒构造案例

目前在济宁地区遇到地垒构造已有4处（唐阳矿黄店断层组、金桥矿F7断层、单家村煤矿SDF17-20断层组，霄云煤矿DF61断层），其中先前探明，成功预防的有2处（唐阳矿黄店断层、金桥矿F7断层），造成突水事故2处（单家村煤矿SDF17-20断层，霄云煤矿DF61断层）。

1.唐阳煤矿黄店断层组

2009年，在曲阜市裕隆矿业集团有限公司唐阳煤矿四五采区补充勘探过程中，三维地震勘探初期判定黄店断层为一倾向南西的阶梯状断层组。但在钻探阶段，TY09-8号钻孔在断层带内见一不确定太原组煤层（灰岩压煤），推断为煤16，推算高于两侧同一煤层，判断有倾向两侧的断层，中间为一地垒构造。

2012年，四五采区大巷过黄店断层，设计标高-510m。考虑中间可能有地垒构造，在四采区南部大巷过黄店断层处施工一补充勘探钻孔12-3号钻孔，结果钻孔在孔深479.40m见断层（断层面上为石盒子群地层），518.80m处见奥陶系顶界面，在奥陶系顶界面以上39.40m范围内多断层交汇，仅残存39.40m太原组地层，岩石破碎，层位杂乱。

通过剖面图对比，中间确实存在一隐伏型地垒构造（面积小，但断距较大），黄店断层组变为两条倾向相反的断层（组）。黄店断层断距由原来的80m变为了现在的250m；右侧（北方向）黄店断层断距在140m；中间奥灰与左侧煤层对口，与右侧煤层间接也大大变小，对两侧煤层防治水威胁大大加大。原设计-510m大巷明显低于中间奥灰顶面，过奥灰施工大巷风险极大，后调整为-410m，成功避免了大巷穿越奥灰施工突水的风险。

2.单家村煤矿SDF17-20断层组

单家村煤矿在开拓八采区大巷（标高-450m）时，穿越SDF17-20断层组，原推断SDF17断层倾向西，断距70m；SDF断层倾向东，断距30m；中间为一小地垒（地垒面积小，断层断距小）。

在穿越两断层后约200m时，两断层间大巷顶板冒顶（见大量杂色泥岩块），滞后突水，水量最大127m3/h，造成迎头被淹。后施工3个地面注浆孔，均终孔于中间地垒奥灰，奥灰顶标高约-460m，与西侧奥灰顶标高差（-630m）为170m(查明为SDF17断层断距)，与东侧奥灰顶标高（-560m）相差100m（查明为SDF20断层断距）。

分析突水原因，地垒两侧断层断距同时变大（70～100m），八采区-450m大巷穿越断层间地垒时，底板下距奥灰仅10m距离（冒顶杂色泥岩为本溪组铁质泥岩），距离严重不足（接近直接揭露奥灰），地垒内奥灰破碎，富水性好，断层带破碎，受地压影响而造成的隐伏性地垒构造滞后突水。

经过地面施工3个小孔径钻孔注浆，累计完成钻探工程量1957.81m，注浆用水泥约3000t，含水泥材料总造价约350万元，创造了小口径钻孔、低成本地面注浆堵水的奇迹，成功地封堵并加固了地垒中来水通道和地层，至今仍在安全使用。

三、隐伏型地垒构造的探查方法

隐伏型地垒构造由于受不同方向的断层多次切割（包括断层间的相互切割），特别是断层断距较大再分阶的情况下（如唐阳煤矿的黄店断层组），构造带地层十分混乱，不可能利用三维地震物探准确判定层位。所以遇到类似的地垒构造时，要从地面勘探入手，专项施工构造控制孔，确定大致构造后，再细化三维地震资料，通过钻探物探相结合，尽可能查清地垒构造的实际发育状况。勘查过程要注意把握以下几点，综合分析判断隐伏型地垒构造发育的可能性。

1.地面勘探前要仔细分析，确定合理的钻孔位置

断层断距较小时（在华北层中小于100m），设计在地层标志层多的层位穿越断层，易于判定层位，推算煤层断距；当断层断距较大时（在华北层中大于100m），由于断层构造带间地层极乱，预想钻孔不要注重煤层，但尽量要找揭露奥灰的顶界面，有利于推算两侧断层的断距。施工过程中要保持钻孔的垂直度，确定钻孔穿过预想的断层断面。在预计进入含煤地层前，提前取芯钻进，保证取芯率，有利于分析各个断点的断距。

2.粗化构造分析，细化层位推理

由于断层构造带间地层极乱，在地面钻孔进行断层分析时，不要过于追求各个断点的断距，重点放在总断距分析上，有利于确定防治水煤柱的留设依据。从地层间距上，用奥灰顶界面向上推算3煤层标高，与两侧煤层对比，如不存在地垒情况下，至少要有一侧煤层标高（查明）与推算煤层标高能大致对应。如与物探发生矛盾时，坚信地层推理，如相差较大时，就很可能存在隐伏型地垒构造。

3.三维物探局部精细处理

利用局部地面三维高密度地震加密或油田三维地震处理软件精细化处理，沿垂直构造方向重新多切剖面，追踪两侧各地层波的断点，与地质推断标志层对比，细化断层倾向分析，如倾向明显不一致时，应考虑隐伏型地垒发育的可能性，合理确定断层产状及组合。

用煤层两侧断煤交线连接，确定断层倾角时，如断层倾角明显比井田内正断层倾角偏小时，应考虑隐伏型地垒发育的可能性。

四、隐伏型地垒构造的防治措施

对于查明的隐伏型地垒构造应从两方面考虑处理措施，一是躲避的可能性，二是治理的经济性。当大巷必须穿越断层时，应采取注浆加固处理（比如唐阳煤矿过黄店断层组时，采取了探防及注浆治理，成功安全穿越）。当在隐伏型地垒构造两侧布置采煤工作面时，应分析治理与躲避的经济性。

根据断层防隔水煤柱留设宽度的影响因素，当煤层较薄时，防隔水煤柱宽度一般偏小，治理不经济时，宜采用留设防隔水煤柱，避开即可；当两侧煤层厚度较大，防隔水煤柱宽度一般偏大，且地垒构造规模较小，目前定向钻孔工艺非常成熟，实施地面预注浆治理相对会更加经济，而且治理后开采也更加安全。比如，金桥煤矿煤层厚度大，如能对F7断层附近的隐伏型地垒构造采用定向钻进技术，注浆加固治理构造和地垒处奥灰，少留80m煤柱，仅西边一侧就能多回收近100万吨煤炭资源，创收可达7亿元之多。