結(jié)合同家梁礦簡析斷層構(gòu)造
突水機理及防治措施
同煤集團同家梁礦
地質(zhì)科：趙晨德
溫思南
苗連江
結(jié)合同家梁礦簡析斷層構(gòu)造
突水機理及防治措施
1 概況
煤礦突水是威脅礦井安全生產(chǎn)的主要因素之一，而影響我礦突水的水文地質(zhì)條件比較復(fù)雜，但引起突水事故的主要是采空區(qū)積水。目前，我礦受采空區(qū)積水所影響的工作面有多處，以“有疑必探，先探后掘”作指導(dǎo)，在掘進的同時，我們先后進行了多次必要的探放水工作，但隨著工作面布置的不斷增多和礦井逐步進入枯竭期受上覆煤層采空區(qū)積水的影響就愈為嚴(yán)重。而斷層導(dǎo)水是導(dǎo)通水流的主要途徑，其他的突水事故也可能是由于隱伏斷裂引起的，本著預(yù)防為主、防治結(jié)合的原則，接下來結(jié)合同家梁礦井分析和研究在各種情況下的斷層突水機理，這對礦井安全生產(chǎn)有十分重要的意義。
2 煤礦斷層突水特征
對于同家梁礦而言，雖近年來并未有突水事故發(fā)生，并且降水匱乏，但介于該區(qū)段斷層發(fā)育頻繁并且多呈帶分布，頂板為厚層堅硬砂巖，易形成縱深較大的大面積導(dǎo)水裂隙帶，與上層采空積水導(dǎo)通，造成突水。因此就斷層突水的普遍特征表述如下：
(1)大多數(shù)突水位置為正斷層的上盤。因為在正斷層的上盤開采時，產(chǎn)生的礦山壓力通過煤柱作用在斷層面上，使斷層帶裂隙產(chǎn)生剪切運動，而下盤開采產(chǎn)生的礦山壓力通過煤柱作用在下伏巖層上，對斷層面沒明顯的影響。
(2)斷層的交匯處或尖滅端易突水。斷層的交匯處和尖滅端是應(yīng)力集中的地段，由于應(yīng)力集中，導(dǎo)致裂隙發(fā)育，易于突水。
(3)小斷層密集帶也是易發(fā)生突水的部位。主斷層派生的次級小斷層成群出現(xiàn)時，裂隙發(fā)育，有利于導(dǎo)水通道的形成，同時因與主斷層構(gòu)造聯(lián)系，易誘發(fā)突水。
(4)2條及其以上的近距離平行的正斷層的上盤易突水。由于斷層之間的巖層受斷層的錯動影響，巖石破碎，裂隙發(fā)育，斷層帶較寬，對隔水底板破壞范圍較大，因而易突水。
(5)同一條斷層愈往深部愈易發(fā)生突水。
(6)斷層帶突水往往帶有巖石碎屑沖出。
(7)有時會發(fā)生滯后突水。因為斷層不是任何部位都導(dǎo)水，巷道或工作面揭露斷層后，也不是立即突水，而是在長時間的礦壓作用下，斷層帶可能活化及相對移動直至與含水層導(dǎo)水裂隙溝通，造成滯后突水。
以12#309盤區(qū)為例。該地區(qū)斷層較多，多為斷距在1m左右的張扭性正斷層，但由于斷層較為密集，交錯發(fā)育頻繁，這種情況下極易形成頂板破裂顯著，礦壓增大，裂隙相互導(dǎo)通，形成裂隙網(wǎng)，使原本的粉砂巖隔水層形成了裂隙儲水層，導(dǎo)致突水。
3 斷層突水機理
斷層是在巖體形成后的地質(zhì)運動過程中，沿巖體內(nèi)破裂面發(fā)生明顯位移的地質(zhì)構(gòu)造。斷層周圍存在的結(jié)構(gòu)稱為斷層破碎帶，其橫剖面可以分為兩個帶：構(gòu)造巖帶和斷層影響帶。斷層突水根據(jù)機理不同可分為兩類：直接突水、間接突水。斷層的構(gòu)造巖帶與含水層貫通，在工作面推進至斷層影響范圍內(nèi)時突水為直接突水；斷層影響帶與含水層貫通，在力學(xué)作用下斷層活化，發(fā)生的突水為間接突水。
3.1 斷層直接突水機理
3.1.1 斷層縮短了煤層與含水層之間的距離
當(dāng)斷層切過煤層和含水層時，斷層兩盤的位移會使煤層底板與含水層之間的相對位置和距離發(fā)生變化。許多情況下會使兩者之間的距離縮短，使隔水層的有效厚度減小，有時甚至使煤層與含水層直接接觸。在這種情況下，如果采掘工作面揭露或接近斷層帶，就會使原來處于封閉狀態(tài)的承壓水突然涌出而形成突水，煤層與含水層之間的距離縮短多少則取決于斷層的落差和斷層的傾角。
(1)斷層落差影響。斷層落差大小的不同可使斷層兩盤的煤層與含水層之間產(chǎn)生不同的接觸關(guān)系。如隔水層有效厚度變小或使煤層與含水層的距離增大等。它們都有可能引起突水，但突水時的來水方向、涌水量顯然不一樣。
(2)斷層傾角的影響。井田內(nèi)斷層在平面上和垂向上多數(shù)位置變化較大。斷層面傾角的變化可能會使部分防水煤柱失效，造成煤層與含水層之間距離變短而引起突水。
由于同家梁礦現(xiàn)采煤層集中于J - O地層，該地層的斷層特點是斷層斷距小但較為密集，這一特點就使得其切割地層的能力有限，因此對于這一機理主要表現(xiàn)于14#與12#之間，由于這兩層煤層間距為介于2 - 4m，使斷距為1m的小斷層對其影響也較大，這一影響主要集中在即將開采的14#410盤區(qū)81013工作面，由于該工作面切眼巷在短短的一百多米距離內(nèi)就集中了四個小斷層，易使12#采空區(qū)積水導(dǎo)通下流，殃及工作面。
3.1.2 斷層的貯水導(dǎo)水作用
由于構(gòu)造的作用，斷層帶的巖性一般比較破碎，在巖塊松散膠結(jié)的情況下，具有良好的貯水性和導(dǎo)水性。當(dāng)規(guī)模較大時，破碎帶本身貯存的水就相當(dāng)可觀。如果斷層同時切穿多個含水層或與之發(fā)生水力聯(lián)系，就會對礦井形成較大的威脅。一方面，含水層中的承壓水可通過毛細(xì)作用沿斷層破碎裂隙上升致一定初高，使隔水層的有效厚度減小，使隔水層在局部地段完全失去阻水作用。
3.1.3 斷層構(gòu)造降低了巖層的強度
斷層帶影響范圍內(nèi)巖性破碎，它的存在破壞了隔水層巖層的完整性，降低了巖層的強度。一般斷層構(gòu)造巖帶的強度只有正常地段的30%左右，尤其是在斷層交叉處等斷層密度較大的地方，破壞程度更高，且斷層帶的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角一般較巖石小得多，其所產(chǎn)生的向下摩擦阻力很小，使隔水層承受水壓力的能力大大降低，突水事故特別容易發(fā)生。
3.1.4 水壓作用
當(dāng)構(gòu)造巖帶導(dǎo)水性較強時，若它與煤層底板破壞帶相溝通形成通道，則承壓水可沿此通道進入礦井，發(fā)生突水。此時，構(gòu)造巖帶為透水的，當(dāng)空隙水壓力滿足下列條件時，構(gòu)造巖帶就失去抵抗水壓的能力，成為導(dǎo)水通道，即：
式中，
k為巖體空隙彈性參數(shù)(通常1≤K≤2)；μ為巖體的泊松比；cr、cb巖塊，巖體的壓縮性指標(biāo)；σt為巖體的平均抗拉強度，MPa；σHmin，σHmax分別為最小、最大水平主應(yīng)力，MPa。
可以看出，斷層愈深，愈易突水。因為深度增加，含水層水壓增加，地應(yīng)力也增加，斷層面裂隙在地應(yīng)力作用下轉(zhuǎn)化為張性裂隙，承壓水更易滲透到斷層帶的裂隙中，降低了巖石的力學(xué)強度，削弱了斷層兩盤之間的摩擦阻力，裂隙的裂開度進一步加大，在水壓的作用下便發(fā)生突出。
3.2 斷層間接突水機理
斷層影響帶是受斷層影響而形成的裂隙發(fā)育帶，分布在構(gòu)造巖帶的兩側(cè)，它的寬度取決于斷層的規(guī)模和兩盤巖石的力學(xué)性質(zhì)等因素，寬度大小不等，而且沿著斷層走向和傾向?qū)挾茸兓己艽?。裂隙發(fā)育帶中，原巖產(chǎn)生大量張裂隙、扭裂隙及分支斷層。在采動作用影響下，采場斷層會發(fā)生重新活動，即活化?；罨蟮臄鄬釉谒畨毫Φ淖饔孟拢a(chǎn)生種種破壞作用，使水沿斷層面升，當(dāng)煤層開采造成的底板破壞深度到達水沿裂隙上升的高度時，底板承壓水即沿斷層面突出，造成突水事故。
4 防治措施
斷層突水必須具備3個條件：一是豐富的地下水；二是突水動力源；三是突水通道，而這些條件的形成與否取決于水文地質(zhì)因素和采動力學(xué)因素的作用程度，因此，可以從水文地質(zhì)和力學(xué)因素兩個方面來討論防治突水措施。
4.1 水文地質(zhì)法
(1)減弱上覆煤層采空區(qū)積水量：對于上覆煤層采空區(qū)富水區(qū)段，在補給條件較差的情況下，應(yīng)采用疏干方法，進行一定的探放水工作，使水壓降低，水量減少，從而實現(xiàn)安全開采。
(2)避開突水區(qū)域：對已查明的斷層或斷層組必須按定留足防水煤柱來避開突水區(qū)域，因為斷層在采礦活動的影響下，可能導(dǎo)致突水，這種形式的突水往往較大。
(3)堵塞導(dǎo)水通道：在地面或井下打鉆注漿，對斷層、裂隙小窯井巷等的關(guān)鍵部位進行注漿充填改造，可以使這些導(dǎo)水通道失去導(dǎo)水作用，達到阻水效果，從而防止突水事故發(fā)生。大同煤炭集團同家梁礦注漿堵塞裂隙通道成功封堵西北翼達子溝煤礦一帶一千余米，有效控制了地表水的滲流，使得采空區(qū)積水的補給得以抑制。
對于同家梁礦而言，由于其屬衰老礦井，在掘進過程中經(jīng)常會遇到上覆煤層已被采空，并且采空區(qū)積水量較多，多實行地面抽水與井下探放水相結(jié)合的方法，因此采用該方法進行成功采掘的實例很多。
4.2 采動力學(xué)法
礦壓是導(dǎo)致斷層突水的主要因素之一，因此，可以通過合理的采煤方法來降低礦壓對底板隔水層的破壞進而防止斷層突水。其措施有：①通過人工強制放頂控制懸頂距，減小底板礦壓；②煤柱位置盡量避開斷層，防止在集中應(yīng)力作用下斷層突水；③選擇合理的工作面布置方式，選擇礦壓顯現(xiàn)最小的推進方向布置工作面；④合理確定工作面長度，將礦壓破壞作用降低到最低限度。
4.3 加強對隱伏小構(gòu)造的探查
頂板突水往往是一些小的斷層，尤其是一些隱伏的小斷層，導(dǎo)致頂板巖層破碎，隔水性能減弱引起的。因此，要采取各種鉆探手段探明隱伏構(gòu)造，尤其要查明導(dǎo)水構(gòu)造和隔水層的薄弱帶。
4.4 水位觀測
要建立地下主要采空區(qū)積水區(qū)的水位觀測系統(tǒng)，以防止由于水位升高，相應(yīng)措施沒能跟上，而造成原來留設(shè)的煤柱不足，形成水壓導(dǎo)水通道，導(dǎo)致突水災(zāi)害發(fā)生。
5 結(jié)語
礦井頂板突水受多種因素作用，其中斷層構(gòu)造是主要因素。根據(jù)突水機理的不同將其分為直接突水和間接突水，直接突水主要受地質(zhì)條件影響，間接突水則受力學(xué)條件的作用，由于影響條件不同，在防治突水工作中，針對不同類型的突水機理，采取有效措施，進行綜合治理，防止突水災(zāi)害發(fā)生，使隱患控制在萌芽階段，為礦井安全生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)，同時也為煤礦節(jié)省了資金。
