断层带滞后出水原因及防治对策

刘贤好

(肥城矿业集团地测处，山东肥城271000)

2000年来肥矿集团所辖6对生产矿井共发生100m³/h以上的突水19起，其中断层突水15起，占78.9％，断层滞后出水5起，占26.3％。现以某矿8800下山断层滞后出水为例，分析断层滞后出水发生的原因及预防治理措施。

1  基本情况

1.1地质、水文地质

    (1)煤层：含煤地层为二叠系山西组和石炭系太原组，其中太原组7、8、9、10₂，煤层等称下组煤，现为矿主采煤层。各煤层间及煤层与五、奥灰含水层问，主要岩性多为灰～深灰色粉砂岩、泥岩、中～细砂岩和薄层泥灰岩。

    7煤层：厚0.79～1.85m平均1.36m，下距8层煤26.28m。

    8煤层：厚0.64～2.29m，平均1.60m。下距九层煤8.75m，下距五灰36m，下距奥灰53.45m。8煤直接顶板为四灰，坚硬不易冒落。

    9煤层：厚0.78～1.61，平均1.16m，下距五灰22.67m，下距奥灰43.52m。

    10₂煤层：厚0.82—2.08m，平均1.56m，下距五灰18.5lm，下距奥灰39.36m。

    (2)含水层：威胁下组煤安全开采的含水层主要有本溪组徐家庄灰岩(五灰)和奥陶系灰岩，奥灰与五灰间距10m左右，在构造发育地段奥灰水以水平或垂直方式补给五灰水，二者水力联系极为密切。

    五灰：厚10.12～13.31m，平均11.7m，位于102煤以下18.0m，下距奥灰9.13m，为灰色质纯致密厚层状灰岩，岩溶裂隙发育，与奥灰水力联系密切，富水性强，是矿井直接充水含水层。

    奥灰：位于五灰以下9.13m，厚800m左右，主要由石灰岩、灰云岩和白云岩组成，可划分为8个含水段。奥灰地表出露广泛，直接接受大气降水的补给，是矿井间接充水含水层。

1.2延伸采区情况

8800深部采区为8800采区的延伸段，位于该矿中一井田西翼9800采区F_西7断层以北，北至F40断层(H=85m：)防水煤柱线，西以F18(H=32～64m)边界断层煤柱线与临矿相邻，东至东穆河村庄煤柱线。延伸段-103m标高以上后7煤及采区南部7、8、9、10₂，煤已回采完毕，设计开采7、8、9、10₂煤，可采储量70万吨。8800延伸工程于2006年3月份开始施工，4月中旬在8800皮带下山等4处先后揭露F西10断层，断层落差6～13m，自西向东断层落差逐渐加大，断层带最大宽度0.5m。巷道揭露F_西10断层后，8800皮带下山和轨道下山又分别掘进了135m和144m，如图1。

图l  采区布置图

1.3  排水系统

    8800延深工程为下山掘进，采用接力排水的方式。下山迎头安装排水泵2台，装机能力212m³／h，2趟Φ108×4.5mm排水管至顶盘临时泵房水仓；临时泵房装机能力160m³／h，2趟Φ108×4.5mm排水管至9800采区泵房水仓；9800采区泵房安装B122×4排水泵3台，装机能力840m3／h，水仓容量2200m³，排至-90m泵房水仓呈顶；-90m泵房为水平泵房，安装9台122B×4水泵，装机能力4860 m³／h。

2  出水经过及治理

2.1滞后出水经过

2007年6月11日皮带下山联络巷和皮带下山断层处底板渗水，20天后底板鼓起0.2m，为防止发生断层滞后出水，6月16日开始对断层破碎带和五灰含水层进行注浆加固，注浆压力2.0～3.0MPa，至出水前，共完成注浆孔 3个，注浆16次，注浆水泥255.4t，粘土117.7t。2006年9月6日12时25分，皮带下山F西10断层处底板出水，出水点标高-146.0m，水量80m³／h。13时30分水量400 m³／h，两下山迎头被淹，17时30分临时泵房被淹。以后水量继续增大，9月8日13时30分，水量增至最大1200 m³／h。由于排水能力有限，9月9日采区泵房进水，延深采区被淹。

2.2水害治理

    突水后立即启动了水害应急救险预案，制定了堵截巷道和加固突水通道(断层带)、改造水源层的总体堵水方案。堵水工程共设计地面堵水孔4个，从9月10日堵1孔开钻，到11月16日注浆结束，累计完成钻探进尺。1075.6m，注人水泥7552.16t，水玻璃980t，石子1486m³，沙1016m³，海带28t，粉煤灰2661m³，锯末10520kg。堵水效果达到95.7％。

3  出水原因分析

断层滞后出水发生原因主要有以下几个方面：

    (1)水文地质条件复杂、五灰富水性强、有效隔水层厚度变薄、水压高是发生出水的主要内因。固1孔钻进22.3m(102层煤底板以下3m)水量17m³／h；固2孔钻进22m(10层煤底板以下4m)水量35m³／h，钻进五灰2m涌水量达300m³／h，说明五灰富水性强，上部裂隙发育。五灰到奥灰的间距为10m，受F西10断层影响使五灰和奥灰对口接触，五灰水与奥灰水联系密切，出水当天五灰和奥灰水位分别下降了220mm和90mm。

根据公式

式中：一底板安全隔水层厚度(m)；

    L一采掘工作面底板最大宽度(m)，取4；

    r一隔水层岩石的容重(t／m³)，取2.5；

    Kp一隔水层岩石的抗张强度(t／m²)，取10；

    H一隔水层底板承受的水头压力(t／m²)，234。

    计算得t=12.7m，8煤至五灰隔水层厚度为36m，导高18m，实际隔水层厚度只有18m，与安全隔水层厚度仅相差5.3tm。该处五灰水压1.98MPa，由于导高的发育，减小了有效隔水层厚度，在五灰水压的作用下底板被突破发生出水。

    (2)断层为突水提供了有利的通道，是发生突水的重要内因。断层附近构造应力集中，底板隔水层完整性遭到破坏，形成很多构造裂隙，承压水容易沿裂隙突出。从断层结构面力学性质分析，张裂面、剪裂面比挤压面发生突水的几率大的多。从F西m断层实际揭露情况看，该断层张裂性质十分明显，从平面看断煤交线呈锯齿状展布，从剖面看断层面呈开放性、裂隙发育，断层带宽0.5m，井下施工的三个堵水孔接近断层带时孔内即出水，说明断层附近裂隙十分发育。

    (3)采掘活动和矿山压力引起断层重新活动，是突水发生的重要外因。采掘工程施工破坏了岩层的原始平衡状态，造成应力重新分布，在断层带附近形成集中压力区，对断层带附近巷道底板造成严重破坏。在很多突水中都有矿山压力显现的现象，皮带下山揭露断层20天后断层处底板鼓起0.2m，就是矿山压力显现表现。由于采掘施工在断层附近出现多岔门、“孤岛”式煤柱或工作面以及回采后坚硬顶板形成大面积悬顶等，都容易形成集中压力区。

    (4)对断层滞后出水认识不足及注浆加固施工缓慢，是导致出水并使损失扩大的重要原因。该断层在采区内多处揭露，属基本控制断层，因在7煤及8煤多处揭露均不导水，对其在该地段发生突水的可能性认识严重不足。巷道揭露断层后又掘进了135m，未及时采取措施，后发现断层面渗水，虽采取了加固措施，但受排水能力不足等限制，进展缓慢。断层从揭露到断层面开始渗水，间隔约2个月；从开始注浆加固到9月6日断层出水，间隔约3个月。断层带长时间受高压水浸泡，岩层被软化，阻水强度降低，最终导致突破出水。

    (5)注浆加固措施不完善，使钻孔施工及注浆对断层带造成一定破坏。固3孔钻进43m进人F西10断层带位置，钻孔水量30m³／h，注浆时注浆压力通过断层带裂隙作用到断层面上，在五灰水压和注浆压力的共同作用下，裂隙被不断冲蚀刷大。9月6日凌晨l点固3孔开始注浆，到6时20分共注入水泥8t，孔口压力2.0 MPa，断层处有串浆现象而终止注浆，说明注浆压

力对断层带造成了破坏。固3孔剖面见图2。

固2孔剖面示意图

    (6)实际排水能力不足是导致出水损失加大重要因素。由于采用接力排水的方式，一90m水平泵房装机能力虽达到4860m³／h，但采区泵房装机能力为840m³／h，临时泵房装机能力最小只有160m³／h，因此该施工地点实际排水能力最大只能达到160 m³／h，而固2孔进入五灰2m涌水量达300 m³／h，已远远超出迎头及临时泵房能力。排水能力不足严重制约了注浆加固及抢险救灾进度，使出水后延深下山迎头、采区泵房迅速被淹，导致出水损失扩大。

4  断层滞后出水防治

    断层滞后出水前常出现矿压显现、底板拱起、顶底板渗水等征兆，加强出水机理研究，掌握其发生规律，断层滞后出水是可以得到预防和治理的。

    (1)井巷工程施工前，作好施工区域水文地质条件探查工作。采取钻探、物探等手段探查研究区构造发育情况，查清断层位置、落差、导水性等基本特征，根据断层水害威胁程度，分别采取留设防水煤柱、设置防水闸门等安全措施。断层导水性不是一成不变的，对已控制断层要根据新揭露的情况进行重新评价，防止由于条件变化使不导水断层转化为导水断层。

    (2)采掘工程设计中充分考虑矿压对构造的影响。避免在断层等构造发育区形成“孤岛”式煤柱、工作面及多岔门等压力集中区，对回采后不易冒落的坚硬顶板要进行人工强制放顶，尽量减少矿压对断层的影响，避免引起断层重新活动。

    (3)建立专门的断层台帐，加强对断层等构造的管理。对井巷工程揭露的有导水迹象和大中型断层要进行定期观测、评价，要结合矿井水动态观测、矿压观测及矿井排水系统、防隔离设施评价等，对断层可能引起的水害进行综合预测、评价。

    (4)制定完善的注浆加固措施，保证施工质量、效果。对危险地区进行注浆加固时，必须编制专门设计和安全技术措施。钻孔开孔位置要避开集中压力区和构造破碎带，要选择合适的注浆材料，确定钻探、注浆施工顺序和注浆层位，一般应先对含水层进行注浆改造，然后对断层带加固。断层带注浆时要严格控制注浆压力、时间，防止压力过高对断层带造成破坏。

    (5)建立和完善矿井、水平、采区、施工地点排水系统。必须具备与预计最大涌水量相匹配的排水能力，对排水设施要定期进行检修维护，按规定进行联合排水试验，确保水泵、管路、输电线路等达到设计能力。

5  结语

    断层滞后出水有延时性，短则数十天，长则数月，要本着早发现、早治理的原则，尽量减少出水造成的损失。加强对滞后出水的研究，积极开展水文地质条件探查工作，加强对断层的管理，制定切实可靠的注浆加固措施，建立和完善矿井排水系统，掌握断层滞后出水发生的规律和特点，发现出水征兆，及时采取针对性措施，断层滞后出水是可以预防和治理的。

*收稿日期：2008—03一05

    作者简介：刘贤好(1966一)，男，汉族，1990年7月毕业于山东矿业学院煤田地质系，学士学位，现为肥城矿业集团公司地测处科长、高级工程师，从事矿井防治水工作。